舒本安，陈伟忠，任彦飞，李永铃，郑礼尚，杨腾宇，曾国东

（1.佛山市交通科技有限公司，广东 佛山 528000；2.佛山市建盈发展有限公司，广东 佛山 528000）

0 引言

随着“2030碳达峰、2060碳中和”目标的提出，通过技术创新发展低碳环保的绿色建材替代传统高碳排放高能耗的水泥产业已成为行业共识[1-2]。水泥作为三大碳排放源之一，每生产1 t水泥需排放0.8 t CO2[3]。为此研究人员发展了多类低碳排放的胶凝材料替代水泥[4-5]，其中碱激发技术由于低碳排放、可大规模消纳固废、生产便捷成本低、耐久性及耐高温性能好等优势高度契合“双碳”目标，并响应环境友好型、资源节约型工程建设需求而备受关注[6-8]。

碱激发材料通常以具有潜在活性的固体废弃物作为主要组分，如粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉、赤泥等固废，并掺入少量的碱性材料激发固废的潜在活性，促进体系的胶结[9-10]。碱激发技术的反应机理基本可分为“解聚”和“缩聚”2个过程：在碱性环境下矿渣粉等固废中玻璃体表面的Si—O和Al—O键断裂，活性的铝氧四面体和硅氧四面体溶出后在缩聚为成—Si—O—Al—三维网状结构，并进一步聚合硬化[11]。我国每年产生矿渣固废约2.4亿t，由于运距等因素导致大量的矿渣粉无法被有效利用[12]。此外钢铁尾渣年产生量约1.8亿t，利用率低于20%[13]。大量固废堆积对环境造成了巨大的危害。碱激发技术的发展可使该类固废变废为宝。彭玉清等[14]研究发现碱激发剂存在最佳掺量，随着矿渣掺量的增加，矿渣基碱激发胶凝材料凝结时间显著缩短，力学性能显著提高。张浩等[15]研究了不同类型碱激发剂对钢渣基胶凝材料力学性能的影响，研究发现NaOH、Na2SiO3、Ca（OH）2分别对钢渣基胶凝材料的早、中、后期强度有较大的影响，碱激发剂的掺入促进了沸石类水化产物的生成。

然而目前的研究大部分集中在实验室阶段，工程应用不多，更少有浅表层软土就地固化相关工程应用积累。为此本文以某工程就地固化浅表层软土为工程背景，通过室内试验研发出绿色低碳的软土固化材料，并开展了工程试验段应用，对早期性能进行了检测。本研究可为浅表层软土就地固化工程领域低碳建设提供参考。

1 试验方法及试验段应用

（1）淤泥质土样

现场通过挖机选取了1 m深度的淤泥质土样，呈黑色，有腐殖质臭味。对土样进行了基本性能测试，结果如表1所示。

表1 现场淤泥质土的基本性能

表1结果显示，该工程前表层淤泥质土具有高含水率、高孔隙比、高有机质含量等特点。

（2）固化剂

固化剂包括高炉矿渣粉、钢渣粉、碱性激发剂等组分，如图1所示。其中钢渣粉和矿渣粉均购自广东省韶关市某钢铁厂，二者的主要成分如表2所示，结果显示，钢渣粉和矿渣粉的主要成分为CaO、SiO2和Al2O3。为研究钢渣粉和矿渣粉粒径对其活性及固化土性能影响，对钢渣粉进行球磨，得到平均粒径（D50）分别为32、38、42、48μm四个试样；对矿渣粉进行球磨，得到平均粒径（D50）分别为25、32、40、44μm四个试样。碱激发剂包括氢氧化钠（A）、硅酸钠（B），均采购自广州市照东化工有限公司，纯度98%。

表2 钢渣粉和矿渣粉的主要化学成分 %

图1 固化剂原材料

1.1 原材料

1.2 试验方法

（1）活性指数测试：为了直观地比较矿渣粉和钢渣粉粒径对其性能的影响，消除水泥用量等因素的影响，矿渣粉和钢渣粉的活性指数试验方法及要求均参照GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准执行。水泥和矿渣粉的质量比为1∶1，为排除水泥掺量等因素影响，同时以该比例成型固化土，且总掺量为15%（即水泥和掺合料均占湿土质量的7.5%），水胶比为1。

（2）固化土成型及强度测试：按照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》进行测试（本文所有固化土的成型用淤泥质土均取自就地固化试验段区域1 m深处原状湿土，水胶比均为1）。将称量好的矿渣粉、钢渣粉、激发剂和水等先慢搅2 min，之后边搅拌边缓慢加入淤泥质土，慢搅2 min后继续快搅3 min。将搅拌好的土浆液倒入直径50 mm、高度100 mm的圆柱体模具中振捣2 min，抹平并覆盖保鲜膜，置于标准养护室[（20±5）℃]养护2 d后脱模并继续养护至要求龄期测试性能[见图2（a）]。固化土的无侧限抗压强度在无侧限抗压强度土工试验仪（STK.WCX-Ⅱ）上进行，测试时以1 mm/min的速率控制进程[见图2（b）]。

图2 固化土试件成型及抗压强度测试

（3）固化土微观分析：SEM微观测试在场发射扫描电子显微镜（蔡司ZIESS SIGMA500）上开展。试件养护龄期为7d，固化土试验制备成2 mm×2 mm的板状，并在70℃加热至质量不变，测试前对固化土试样进行喷金处理。

（4）动力触探测试：试验段承载力利用动力触探仪测试评价，锤重10 kg，自由落距50 cm。从贯入15 cm开始计锤击数，统计随后贯入30 cm深度的击数，并通过如下公式换算得到承载力。

式中：Fk——地基承载力，kPa；

N——轻型动力触探锤击数。

1.3 试验段应用

本项研究试验段依托工程为中山东部外环高速公路就地固化项目，就地固化区域为鱼塘及芦苇沼泽地，经地质勘探显示该区域地质主要为淤泥，灰黑色，流塑状，有腐殖质臭味，平均分布厚度达到21.5 m。地质资料检测的该土层物理力学性能与研究团队现场取样的淤泥质土检测结果基本一致。本工程就地固化设计说明：固化深度2 m，固化剂掺量为土重的5%～7%，浆剂施工时水胶比应为0.5～0.9，固化土28 d无侧限抗压强度≥0.15 MPa（即锤击数≥22次）。固化剂试验段具体实施细节见2.3节。

2 结果与讨论

2.1 粒径的影响

固化土中固化剂掺量为15%时，固废粒径对其活性及固化土性能影响如图3所示。

图3 矿渣粉平均粒径对其活性和固化土强度的影响

从图3（a）可以看出，矿渣粉的活性与平均粒径呈负线性关系。当平均粒径从25μm增大到44μm时，矿渣粉活性从116%下降到99%。从图3（b）、图3（c）可以看出，固化土的抗压强度与矿渣粉的平均粒径呈负线性关系，而与矿渣粉的活性指数呈正线性关系。当平均粒径从25μm增大到44μm时，固化土的抗压强度从1.93 MPa降低到1.21 MPa；随着活性指数从99%增加到116%，固化土的抗压强度从1.21 MPa提高到1.93 MPa。

究其原因，研磨后矿渣粉具有更大的比表面积，这会产生2个积极影响：（1）填充效应：更细的矿粉颗粒可以填充于固化土孔隙中，提高结构密实性，从而提高强度；（2）更优异的水化胶结作用：矿渣粉中玻璃体更多的被暴露在外界，同时玻璃体被研磨后缺陷更多，在碱性条件下更易被激发活性。这2种积极作用提高了矿渣粉的活性，从而提高了固化土的强度。

图4为钢渣粉平均粒径对其活性及固化土性能的影响。

由图4可知，钢渣粉和矿渣粉具有相似的特性。随着钢渣粉粒径的减小，钢渣粉的活性和其固化土的强度都有所提高。但活性和强度的提高幅度小于矿渣粉。其原因是钢渣粉中的钙相少于矿渣粉，因此其碱激发反应产物少于矿渣粉。

图4 钢渣粉平均粒径对其活性及固化土强度的影响

2.2 固化剂配合比研究

根据前期研究基础[16]，设计了7组试验配合比，选用工程现场原样湿土，固化剂总掺量为湿土质量的5%，水胶比为1。通过测试7d无侧限抗压强度评价其早期性能，结果见表3。

表3 不同固化剂对固化土7 d无侧限抗压强度的影响

由表3可见，第1、2、3组研究了激发剂类型的影响，碱激发剂A和B等比例复配的固化土的7 d无侧限抗压强度为0.17MPa，优于单一组分激发剂A或B的效果；第3、4、5、6和7组研究了矿渣粉和钢渣粉不同掺量对固化土早期性能影响。结果显示，随着矿渣粉掺量的增加，固化土7d无侧限抗压强度逐渐提高，当矿渣粉掺量从20%增大至70%时，钢渣粉从70%减少至20%，固化土的7d无侧限抗压强度从0.10 MPa提高至0.28 MPa，提高了180%。究其原因可从上述活性指数试验结果得到：矿渣粉的活性优于钢渣粉，因此相同碱激发剂掺量下，更多活性玻璃体将被溶解并发生聚合反应胶结土颗粒，增大掺量可由此提高固化土整体力学性能。如果用更多的较低活性的钢渣粉替代活性较高的矿渣粉，可用于胶结土颗粒的活性玻璃体的数量减少，胶结效果变差，由此固化土的强度将降低。

考虑到本工程设计要求为28 d无侧限抗压强度≥0.15 MPa。为缩短工期，7 d应满足设计要求。从上述配比可知第3、4、5组均满足要求，同时考虑到工程造价，矿渣粉的成本较钢渣粉高近30%。综上，考虑到成本及性能富余，选第3组作为试验段实施的固化剂配合比。并研究了3#配合比固化剂的长期性能及微观固化机理，结果如图5和图6所示。

图5 试验段用固化剂对固化土力学性能随龄期的影响

图6 固化土的微观形貌

由图5可知，固化剂掺量为5%时，固化土在室内5 d养护龄期的无侧限抗压强度即达到28d设计要求，之后无侧限抗压强度随着养护龄期的延长而逐渐提高，28 d龄期较14 d时仍有近30%提升，到28d时强度趋于稳定。

由图6（a）可知，土颗粒表面被覆盖了大量的颗粒，土颗粒之间没有明显的边界，固化土呈一个整体结果。局部放大[见图6（b）]并结合EDS能谱分析可知，土颗粒表面存在大量的C-S-H和C-A-S-H凝胶。这是因为，矿渣粉、钢渣粉等在碱激发剂作用下发生化学反应，生成了大量的C-S-H凝胶填充土体内部孔隙并胶结土颗粒，从而提高了固化土的强度。

2.3 工程应用及性能评价

该工程就地固化试验段划分如图7（a）所示。总计固化300 m3，平均划分为5个区域，每个区域60 m3（5 m×6 m×2 m），对应固化剂掺量分别为2.5%、3.5%、4.5%、5.5%和6.5%。水胶比统一控制为1。每块区域的施工时间从35 min递增至70 min，连续施工约4.5 h完成试验段施工，现场施工如图7（b）所示；施工完成进行快速整平，如图7（c）所示。

图7 试验段现场实施

露天固化7 d后试验段固化效果如图8（a）所示。现场通过动力触探对试验段承载力进行了检测[图8（b）、图8（c）]。检测为顺着对角线均匀取点，每块区域取点6个。

图8 就地固化试验段

由图8可知，露天固化7 d时，固化土表面已完全硬化，少有开裂，小型汽车可自由行走，表面不沉降。

7d龄期动力触探测试结果如图9所示。

图9 工程现场不同固化剂掺量固化土的7 d动力触探测试结果

由图9可知，7 d龄期，在固化剂掺量为2.5%和3.5%时，部分结果小于0.15 MPa，性能波动大。原因是固化剂掺量过低时，浆液不足导致无法与软土颗粒充分的混合，存在部分没有或极少量固化剂浆液的区域，该区域固化效果较差，因此性能波动大。在固化剂掺量为4.5%～6.5%时，虽有数据波动，但所有点的7 d承载力均高于设计要求的28 d无侧限抗压强度（≥0.15 MPa）。结果表明，该工程使用该新型固化剂掺量为4.5%时的7 d承载力即可达到28d的设计要求。对于要求缩短施工周期、固化7 d即需开展后续施工的情况，推荐该工程固化剂掺量为4.5%。

3 结论

（1）钢渣粉和矿渣粉的平均粒径显著影响其活性和固化土性能，二者平均粒径与其活性指数及固化土7 d无侧限抗压强度呈负相关性，活性指数与固化土强度呈正相关性；矿渣粉活性优于钢渣粉。

（2）碱激发剂A、B复配时的固化土早期力学性能优于单一作用效果。固化土7 d无侧限抗压强度随矿渣粉掺量增加而提高，随钢渣粉掺量增加而降低。固化剂固化土的强度归因于水化硅酸钙等组分的生成使松散的土颗粒胶结成整体结构。优选并确定了考虑经济性和固化土力学性能的试验段用固化剂配合比。

（3）就地固化试验段结果显示，随着固化剂掺量的增加，固化土承载力整体呈增大趋势。在低掺量下（2.5%、3.5%），固化土承载力波动较大，主要由于固化剂浆液量过少导致无法与固化土充分混合；当固化剂掺量为4.5%～6.5%时，固化土的7 d早期承载力即已满足28 d无侧限抗压强度≥0.15 MPa的设计要求，在要求7 d龄期达到设计要求的条件下，推荐固化剂掺量为4.5%。