陳浩

（中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司總承包分公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程深層次推進(jìn)，軟土地基處理已成為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中難以回避的難題。國內(nèi)外學(xué)者已開展了豐富的綠色高效固化劑研究，發(fā)現(xiàn)水泥和石灰等固化劑對軟土地基加固具有良好效果。Simon 等[1]采用水泥穩(wěn)定化方法改進(jìn)紅土，并用于道路工程建設(shè)。Al-Amoudi[2]采用石灰和水泥加固含水率較高的鹽沼土，發(fā)現(xiàn)含水率高時(shí)水泥固化效果遠(yuǎn)強(qiáng)于石灰。Solanki 等[3]對比分析熟石灰、C 類粉煤灰和水泥窯粉的固化效果，發(fā)現(xiàn)水泥窯粉強(qiáng)于另外2 種固化劑。我國每年都會(huì)產(chǎn)生數(shù)億噸工業(yè)廢料，大部分工業(yè)廢料都無法得到合理有效利用。將工業(yè)廢渣與水泥結(jié)合構(gòu)建復(fù)合固化劑，不僅能有效降低固化劑成本，更能解決工業(yè)廢渣難以得到有效處理和環(huán)境污染問題，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下固體廢棄物資源化利用。

將礦渣和磷石膏（均為工業(yè)固廢）摻入水泥作為復(fù)合固化劑，既可節(jié)省水泥用量、降低固化土成本，又有助于減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。張國忠等[4]提出礦渣可廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，并作為生產(chǎn)礦渣磚的原料、鐵道道砟等。易耀林等[5]認(rèn)為波特蘭水泥作為最常用軟土固化劑，其生產(chǎn)過程帶來一系列環(huán)境問題，建議將礦渣作為水泥固化劑的替代品。陳金洪等[6]發(fā)現(xiàn)高爐礦渣-氧化鎂固化土強(qiáng)度相對于水泥固化土高80%～100%，具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。杜婷婷等[7]將水泥磷石膏穩(wěn)定材料應(yīng)用于路面基層，發(fā)現(xiàn)水泥和固化劑均能夠顯著提高磷石膏穩(wěn)定性和強(qiáng)度。李飛等[8]分析了磷石膏混合水泥加固軟土地基在實(shí)際工程中的適用性，發(fā)現(xiàn)2%磷石膏固化淤泥強(qiáng)度比純水泥固化強(qiáng)度提高約12%。張穎等[9]發(fā)現(xiàn)磷石膏和水泥能使紅黏土強(qiáng)度大幅增強(qiáng)，水泥摻量8%、磷石膏摻量18%時(shí)固化效果最好。李磊等[10]使用磷石膏替代部分生石灰固化疏浚淤泥，發(fā)現(xiàn)磷石膏能顯著改善疏浚淤泥壓實(shí)特性。

分析可知：礦渣和磷石膏均在軟土固化領(lǐng)域顯現(xiàn)出極大利用價(jià)值，但在來源、物理性質(zhì)及化學(xué)成分等方面存在差異，對固化過程和增強(qiáng)機(jī)理的影響不同。本文分別采用礦渣、磷石膏與水泥協(xié)同固化海相軟土，對比評價(jià)2 種工業(yè)廢渣對固化軟土強(qiáng)度特性的影響，討論固化軟土在海水環(huán)境中穩(wěn)定性。研究結(jié)果可為工業(yè)廢渣合理利用及高效固化劑研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

所取濱海相淤泥土天然含水率為56.9%，沙礫、粉粒、黏粒含量分別為3.5%、51.5%、45%，液限、塑限、塑性指數(shù)分別為49.1%、27.8%、21.3，密度為1.6 g/cm3，比重為2.71，滲透系數(shù)為1.49×10-6cm/s。根據(jù)GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》，該土屬于低液限黏土。

試驗(yàn)所用磷石膏外觀呈灰色、細(xì)粉末狀，礦渣外觀呈白色、細(xì)粉末狀，水泥為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要化學(xué)組分如表1 所示。

表1 原材料化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions of raw materials %

1.2 試驗(yàn)方案與方法

固化劑總摻量固定為干土質(zhì)量15%（159.37 kg/m3），將礦渣、磷石膏分別以不同比例與水泥協(xié)同設(shè)計(jì)。水泥摻量為13.5%、12.0%、10.5%、9.0%時(shí)，磷石膏摻量對應(yīng)為1.5%、3.0%、4.5%、6.0%；水泥摻量為12.0%、10.5%、9.0%、7.5%、6.0%時(shí)，礦渣摻量對應(yīng)為3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%。將工業(yè)固廢與水泥攪拌后，對1.2倍、1.5 倍、1.8 倍液限（wl）初始含水率軟土進(jìn)行固化處理并制備試樣，達(dá)到預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期后測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。1.2wl含水率試樣齡期設(shè)定7 d、14 d、28 d，1.5wl、1.8wl含水率試樣養(yǎng)護(hù)齡期28 d。1.2wl含水率時(shí)平行試樣先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d 再海水浸泡7 d，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣進(jìn)行對比。試驗(yàn)過程中，每組均制備3 個(gè)平行試樣以保證結(jié)果可靠性。

依設(shè)定配比將固化劑、蒸餾水、淤泥利用攪拌器攪拌均勻，隨后將拌合固化土填入模具，制備φ50 mm×H50 mm 圓柱試樣，適度振搗減少空隙。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d 后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期后采用50 kN 電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率1.0 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1.1 初始含水率影響

初始含水率對磷石膏-水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響過程如圖1 所示。多種磷石膏摻量下，固化土抗壓強(qiáng)度隨初始含水率增加而降低，原因是更高的液限以上含水率降低軟土本身塑性程度，稀釋固化劑發(fā)生水化的孔隙液相環(huán)境，進(jìn)而削弱軟土固化增強(qiáng)效果。此外，不同含水率條件下磷石膏的最優(yōu)摻量均為1.5%。

圖1 初始含水率對磷石膏-水泥固化土抗壓強(qiáng)度影響Fig.1 Effect of initial water content on UCS of phosphogypsum-cement solidified soil

初始含水率對礦渣-水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖2 所示。

圖2 初始含水率對礦渣-水泥固化土抗壓強(qiáng)度影響Fig.2 Effect of initial water content on UCS of slag-cement solidified soil

當(dāng)?shù)V渣摻量小于3%時(shí)，固化土抗壓強(qiáng)度隨初始含水率增加而降低。當(dāng)?shù)V渣摻量大于3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度在含水率由1.2wl增至1.5wl時(shí)呈上升趨勢，而由1.5wl增至1.8wl時(shí)呈下降趨勢。該趨勢說明，更充足的液相環(huán)境適宜于更高摻量礦渣充分進(jìn)行火山灰反應(yīng)，生成更多膠凝產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)軟土固化增強(qiáng)。礦渣最優(yōu)摻量隨初始含水率增大而增加，但含水率增至一定程度后保持穩(wěn)定。

2.1.2 工業(yè)廢渣摻量影響

磷石膏摻量對水泥固化軟土抗壓強(qiáng)度的影響見圖3。由圖3（a）發(fā)現(xiàn)，1.2wl含水率下，磷石膏-水泥固化土抗壓強(qiáng)度隨磷石膏摻量增加而降低，1.5%磷石膏固化土28 d 抗壓強(qiáng)度比水泥土提高約9%。這說明，適宜磷石膏摻量能對軟土固化效果起到優(yōu)化作用，這歸因于磷石膏投加有效促進(jìn)生成鈣礬石，有效突出對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。然而，其余磷石膏摻量下固化土抗壓強(qiáng)度均低于水泥土，這是由于過量磷石膏作為軟弱填料分布于土體內(nèi)部而弱化固化土體結(jié)構(gòu)性，且過量鈣礬石生成對固化體結(jié)構(gòu)起破壞作用，二者共同導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。其次，磷石膏含有較多雜質(zhì)，尤其殘留的磷酸等雜質(zhì)，亦可能干擾固化體早期水化進(jìn)程。由圖3（b）和圖3（c）看出，1.5wl和1.8wl含水率下，磷石膏-水泥固化軟土抗壓強(qiáng)度隨磷石膏摻量增加而降低，強(qiáng)度降幅均大于1.2wl含水率對應(yīng)情況，并且其抗壓強(qiáng)度小于水泥土強(qiáng)度。

圖3 磷石膏摻量對磷石膏-水泥固化土抗壓強(qiáng)度影響Fig.3 Effect of phosphogypsum content on UCS of phosphogypsum-cement solidified soil

礦渣摻量對礦渣-水泥固化軟土抗壓強(qiáng)度的影響見圖4。由圖4（a）可知，1.2wl含水率下，礦渣-水泥固化土抗壓強(qiáng)度隨礦渣摻量增加而降低，最優(yōu)摻量3.0%下試樣28 d 強(qiáng)度比水泥土提高約22%。礦渣中賦存硅鋁質(zhì)玻璃相晶體需要堿性激發(fā)環(huán)境而被緩慢激發(fā)活性才能參與化學(xué)反應(yīng)，水泥水化不能立即提供足夠Ca（OH）2，導(dǎo)致早期強(qiáng)度較低。隨礦渣摻量增加，水泥摻量相應(yīng)逐漸減少，更難滿足礦渣發(fā)生火山灰反應(yīng)所需堿性條件，抗壓強(qiáng)度逐步降低。

圖4 礦渣摻量對礦渣-水泥固化土抗壓強(qiáng)度影響Fig.4 Effect of slag content on UCS of slag-cement solidified soil

由圖4（b）和圖4（c）可知，1.5wl和1.8wl含水率下，礦渣-水泥固化土抗壓強(qiáng)度均隨礦渣摻量增加呈先上升后降低趨勢，特別是1.5wl含水率時(shí)7.5%最優(yōu)礦渣摻量下礦渣-水泥固化土強(qiáng)度比水泥土提高約15%，1.8wl含水率時(shí)6.0%最優(yōu)礦渣摻量下比水泥土提高約52%。這說明，礦渣與水泥協(xié)同作用更能適應(yīng)高含水率軟土。一方面，更充足的液相環(huán)境有利于Ca（OH）2在固化體內(nèi)部孔隙運(yùn)移，堿性環(huán)境促進(jìn)礦渣更充分地參與火山灰反應(yīng)，提高其摻量有利于強(qiáng)度增加；另一方面，增加礦渣摻量提高該體系對水的吸收和消耗能力且有效填充顆粒間孔隙而增強(qiáng)骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，更加適應(yīng)于高含水率條件。當(dāng)含水率達(dá)到一定界限時(shí)，這些因素不足以持續(xù)發(fā)揮有利作用以抵抗含水率增加的弱化效應(yīng)，因而增加礦渣摻量導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

2.1.3 養(yǎng)護(hù)齡期影響

1.2wl含水率下養(yǎng)護(hù)齡期對磷石膏-水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖5 所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)齡期對磷石膏-水泥固化土抗壓強(qiáng)度影響Fig.5 Effect of curing age on UCS of phosphogypsum-cement solidified soil

磷石膏-水泥固化土抗壓強(qiáng)度隨齡期延長而增長，前期增長速度較快、后期增長速度較慢。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)初期有充足的液相環(huán)境，有利于水化反應(yīng)進(jìn)行，且反應(yīng)物濃度較高；隨養(yǎng)護(hù)齡期延長，固化程度逐漸提高且反應(yīng)物持續(xù)被消耗，具有增強(qiáng)作用的水化產(chǎn)物生成速率明顯降低，導(dǎo)致固化試樣抗壓強(qiáng)度增長減緩。相較水泥土，磷石膏-水泥固化軟土早期抗壓強(qiáng)度較低；水泥土7 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到28 d 強(qiáng)度的75%，而磷石膏-水泥固化軟土7 d 抗壓強(qiáng)度僅為28 d 強(qiáng)度的50%～60%。究其原因，可能是由于磷石膏中殘留磷酸等雜質(zhì)對早期反應(yīng)起抑制作用。

1.2wl含水率下養(yǎng)護(hù)齡期對礦渣-水泥固化軟土抗壓強(qiáng)度的影響如圖6 所示。礦渣-水泥固化土抗壓強(qiáng)度隨齡期延長而增長，但7～14 d 齡期內(nèi)強(qiáng)度增長幅度整體小于水泥土或磷石膏-水泥固化土（圖5）。這是由于早期低pH 環(huán)境下礦渣反應(yīng)活性較低，不利于試樣抗壓強(qiáng)度快速提高。合適礦渣摻量（3.0%）下，養(yǎng)護(hù)齡期由14 d 延至28 d 過程中試樣抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)大幅增長。液相環(huán)境中pH 值隨水泥水化積累達(dá)到相當(dāng)高的程度，能有效激發(fā)礦渣參與火山灰反應(yīng)、生成大量水化產(chǎn)物，導(dǎo)致試樣抗壓強(qiáng)度快速提高。更高礦渣摻量下，由于水泥摻量減少且Ca（OH）2被更快消耗，仍有大量礦渣難以被有效激發(fā)，固化試樣強(qiáng)度增長緩慢。

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期對礦渣-水泥固化土抗壓強(qiáng)度影響Fig.6 Effect of curing age on UCS of slag-cemen solidified soil

2.2 微觀作用機(jī)制

2.2.1 礦渣-水泥固化機(jī)理

礦渣中硅鋁質(zhì)組分同水泥水化產(chǎn)生Ca（OH）2發(fā)生二次水化，生成C-S-H、C-A-H 等多種膠結(jié)產(chǎn)物，反應(yīng)過程見式（1）。該反應(yīng)消耗水分并充分利用過多Ca（OH）2生成更多具有膠結(jié)填充作用水化產(chǎn)物，增強(qiáng)固化體結(jié)構(gòu)性并提高抗壓強(qiáng)度。礦渣-水泥固化土微觀結(jié)構(gòu)形貌見圖7。所生成膠凝產(chǎn)物與黏土顆粒復(fù)合為膠結(jié)基質(zhì)，形成整體密實(shí)結(jié)構(gòu)。此外，識(shí)別出成片棒狀晶體，推測應(yīng)為礦渣中豐富鋁相活性物質(zhì)促進(jìn)膨脹性產(chǎn)物鈣礬石生成。而且，隨養(yǎng)護(hù)齡期延長，鈣礬石形貌明顯更加發(fā)育、進(jìn)一步成簇生長，亦能夠促進(jìn)試樣抗壓強(qiáng)度增加。

圖7 礦渣-水泥固化土微觀結(jié)構(gòu)形貌Fig.7 Microstructure and morphology of slag-cement solidified soil

2.2.2 磷石膏-水泥固化機(jī)理

向水泥固化軟土中摻入磷石膏后，水泥水化產(chǎn)生的水化鋁酸鈣與磷石膏中二水石膏發(fā)生反應(yīng)，見式（2），生成膨脹性產(chǎn)物鈣礬石。

磷石膏-水泥固化軟土微觀結(jié)構(gòu)形貌見圖8。7 d 后發(fā)現(xiàn)大片針狀鈣礬石晶體，28 d 時(shí)鈣礬石晶體數(shù)量有所增加，但3 d 時(shí)沒有明顯鈣礬石生成跡象。磷石膏-水泥固化軟土產(chǎn)生鈣礬石形貌相比礦渣-水泥固化土（圖7）明顯較細(xì)，這說明摻入礦渣顯著改變鈣礬石的發(fā)育形貌，晶體結(jié)構(gòu)更加發(fā)育，而僅摻入更多石膏并不能促進(jìn)鈣礬石進(jìn)一步充分發(fā)育。

圖8 磷石膏-水泥固化土微觀結(jié)構(gòu)形貌Fig.8 Microstructure and morphology of phosphogypsum-cement solidified soil

2.3 抗海水侵蝕性能

2.3.1 表觀形貌

海水浸泡后工業(yè)廢渣-水泥固化軟土表觀形貌見圖9。分析圖9（a）可知，海水浸泡后礦渣-水泥固化試樣與水泥土相比并無明顯表觀差異，表面平整、沒有裂縫痕跡。摻入過量礦渣會(huì)大幅降低固化土抗壓強(qiáng)度（圖5），但表觀形貌上并未顯著影響其在海水中耐久性。

圖9 海水浸泡后固化軟土表觀變化Fig.9 Change in appearance of solidified soft soil after seawater immersion

海水浸泡后磷石膏-水泥固化土的表觀形貌見圖9（b）。當(dāng)磷石膏摻量1.5%時(shí)，試樣表觀與水泥土相近，無明顯侵蝕痕跡，這是由于此時(shí)磷石膏充分地參與水化反應(yīng)而生成鈣礬石，達(dá)到更優(yōu)的固化效果。當(dāng)磷石膏摻量增至3%時(shí)，試樣表面更加粗糙、尚無明顯裂縫；當(dāng)磷石膏摻量增至4.5%時(shí)，試樣表面開始出現(xiàn)明顯裂痕，并且侵蝕程度隨磷石膏摻量提高至6%而進(jìn)一步加重。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度與強(qiáng)度殘余系數(shù)

海水浸泡試樣與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的抗壓強(qiáng)度隨固廢摻量的變化見圖10。

圖10 海水浸泡與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣抗壓強(qiáng)度與固廢摻量之間關(guān)系Fig.10 Relationship between USC and waste dosage of seawater immersed and standard curing specimens

由圖10 分析可知，工業(yè)固廢-水泥固化土試樣抗壓強(qiáng)度因受海水浸泡發(fā)生不同程度地降低，海水浸泡時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)情況。低固廢摻量（＜5%）下，礦渣-水泥固化土和磷石膏-水泥固化土抗壓強(qiáng)度降低幅度相近。隨工業(yè)廢渣摻量增加，礦渣-水泥固化土抗壓強(qiáng)度降低幅度略有減小，磷石膏-水泥固化土抗壓強(qiáng)度降低幅度逐漸增大。

將海水浸泡試樣與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)平行試樣的抗壓強(qiáng)度比值定義為強(qiáng)度殘余系數(shù)k，結(jié)果見表2。礦渣-水泥固化軟土強(qiáng)度殘余系數(shù)維持在58.9%～84.7%，且隨廢渣摻量增加而逐漸增加，這與試樣表觀形貌吻合（圖9），即海水浸泡時(shí)礦渣-水泥固化土表現(xiàn)良好耐久性且不因礦渣摻量提高而劣化。這歸因于礦渣-水泥體系火山灰反應(yīng)消耗水泥產(chǎn)生Ca（OH）2，減弱海水中硫酸根離子引起有害膨脹效應(yīng)。相反，磷石膏-水泥固化土強(qiáng)度殘余系數(shù)在低磷石膏摻量（≤3.0%）保持80%左右，當(dāng)磷石膏摻量由3.0%增至4.5%時(shí)k 陡降至27.5%且隨摻量增加會(huì)進(jìn)一步降低。這是因?yàn)檫^量磷石膏無法完全參與化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生持續(xù)固化效果，多余石膏并不能起到膠結(jié)作用，僅松散填充于固化土中且難以耐受海水浸泡軟化作用，而含有侵蝕性離子的海水更容易向固化土內(nèi)部滲透腐蝕，導(dǎo)致試樣表面開裂損傷、強(qiáng)度降低。

表2 磷石膏/礦渣-水泥固化軟土強(qiáng)度殘余系數(shù)kTable 2 Strength residual coefficient k of phosphogypsum/slag-cement solidified soft soil

2.3.3 微觀結(jié)構(gòu)形貌

掃描電鏡所得礦渣-水泥固化試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和海水浸泡條件下微觀結(jié)構(gòu)形貌如圖11 所示。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣表面覆蓋有大量膠凝物質(zhì)使土顆粒間相互膠結(jié)，排列更加緊密。海水浸泡后固化試樣因受到浸水軟化和離子侵蝕作用，導(dǎo)致膠凝物質(zhì)有所減少，土顆粒間膠結(jié)性減弱且不規(guī)則松散分布，隨之暴露出較大孔隙，為海水向試樣內(nèi)部進(jìn)一步滲蝕提供通道。這種由內(nèi)而外的漸進(jìn)軟化侵蝕作用，是導(dǎo)致固化土試樣強(qiáng)度降低和結(jié)構(gòu)損傷的主要原因。

圖11 礦渣-水泥固化土掃描電鏡圖Fig.11 SEM images of slag-cement solidified soil

3 結(jié)語

1） 磷石膏-水泥固化土抗壓強(qiáng)度隨初始含水率和磷石膏摻量增加而降低，隨養(yǎng)護(hù)齡期延長而提高；最優(yōu)磷石膏摻量為1.5%，初始含水率1.2wl時(shí)固化試樣28 d 強(qiáng)度比水泥土提高約9%。

2） 礦渣-水泥固化土抗壓強(qiáng)度隨初始含水率和礦渣摻量增加呈先增強(qiáng)后降低趨勢，隨養(yǎng)護(hù)齡期延長而增強(qiáng)。1.2wl含水率下，礦渣最優(yōu)摻量為3.0%且礦渣-水泥固化土28 d 強(qiáng)度比水泥土提高約22%；礦渣最優(yōu)摻量隨初始含水率提高而先增加后趨于穩(wěn)定；1.5wl和1.8wl含水率下，4.5%～7.5%礦渣摻量固化土強(qiáng)度高于水泥土。

3） 海水浸泡后，低磷石膏摻量時(shí)磷石膏-水泥固化試樣表觀完整；然而，隨磷石膏摻量增加，試樣表面出現(xiàn)侵蝕裂縫且愈發(fā)嚴(yán)重，抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度殘余系數(shù)顯著降低，即摻入過量磷石膏并不利于固化土抵抗海水侵蝕效應(yīng)。

4） 海水浸泡后，摻入礦渣固化土試樣均未開裂且保持完整；隨礦渣摻量增加，固化試樣抗壓強(qiáng)度逐漸接近標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)平行試樣強(qiáng)度且強(qiáng)度殘余系數(shù)增大，即摻入礦渣能有效提高水泥土抵抗海水侵蝕能力。