王旭影，乔京生，赵建业，蔡田明，梁晨达

(1.唐山学院土木工程学院，唐山 063000；2.河北省地矿局第五地质大队，唐山 063000)

0 引 言

随着沿海城市和港口的发展，软土地基上的工程建设越来越普遍，而软土具有强度低、含水量高、压缩性高的物理力学性质，需要对其进行固化处理[1-2]。工程上常用水泥作为固化剂[3-4]，但水泥生产需要耗费大量能源，且排放大量CO2，对环境造成污染，不利于节能减排。国内外学者开展了大量的研究[5-8]，尝试将钢渣、矿渣等工业废渣资源化利用，将其作为原材料，开发出低碳、低能耗的软土固化剂。

钢渣和矿渣是常见的两种工业废渣，随着工业规模的不断扩大，这两种废渣产量逐年增加，给环境带来沉重的负担。钢渣、矿渣与水泥熟料具有相似的矿物成分，具有潜在的水化活性。但是，由于钢渣和矿渣本身的水化速度非常慢，早期强度很低，需要选用合适的激发剂对其进行活化处理。而电石渣是由工业生产聚氯乙烯、乙炔气等产品过程中产生，主要成分是Ca(OH)2，可以作为碱性激发剂[9-10]。

学者们针对钢渣或矿渣及其激发剂在固化软土方面的研究颇多。吴燕开等[11]采用硅灰改良钢渣水泥土，研究发现，掺入硅灰对固化软土强度有明显提高。吴燕开等[12]将烧碱作为钢渣粉的激发剂，掺入烧碱之后，在其激发作用下，钢渣粉的固化效果良好，且可使固化软土早强。陈金洪等[13]研究发现，相同掺加量的MgO-矿渣粉固化软土的强度大于水泥土，渗透系数和含水率均低于水泥土。张大捷等[14]以矿渣为主要原料，掺加水泥熟料、高温石膏和活性激发剂，制成矿渣胶凝材料，用于固化软土，发现矿渣胶凝材料效果远好于水泥、石灰。梁仕华等[15]利用矿渣与水泥混合固化剂，对广州南沙软土进行加固，发现矿渣占比越高，固化软土的后期强度增长越快。总体上，研究主要集中在钢渣或矿渣单独作为软土固化剂主原料方面，缺乏钢渣和矿渣互掺作为固化剂的研究，而电石渣能否作为钢渣和矿渣互掺的激发剂更是亟待试验验证。

本文尝试以钢渣粉和矿渣粉作为基础材料，电石渣粉作为激发剂，用于淤泥质土加固。通过无侧限抗压强度试验，分析固化淤泥质土的强度特性和应力-应变关系，并与不掺加电石渣粉的钢渣-矿渣固化淤泥质土和单掺水泥的水泥土进行比较分析。同时通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)测试，分析电石渣-钢渣-矿渣的固化机理，以期为钢渣、矿渣在软土固化方面的应用提供一定参考。

1 实 验

1.1 原材料

试验用土为唐山市黑沿子渤海湾海积淤泥质土，埋深约3.5 m，含水量高，呈流塑状态，强度低，压缩性高。开展常规室内土工试验，测定该淤泥质土的物理力学参数指标，如表1所示。

表1 唐山市黑沿子渤海湾海积淤泥质土的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of muddy soil in the Bohai bay in Heiyanzi, Tangshan City

试验用钢渣粉来源于河钢集团唐钢公司，由Harsco公司(唐山)加工处理而成。钢渣粉呈黑色粉末状，成分较为复杂，主要包括硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)，以及不参与水化反应的RO相(MgO、FeO、MnO)等(如图1所示)。矿渣粉是由炼铁高炉矿渣经水淬成粒粉磨而成，型号为S95级，呈灰白色粉末状。XRD谱呈宽缓的峰包(如图2所示)，呈现玻璃态[16]，主要物相为钙铝黄长石(C2AS)和C2S。电石渣粉是电石水解获取乙炔气后产生的废渣[17]，颗粒十分细微，主要成分是Ca(OH)2。试验用电石渣粉呈灰白色粉末状，Ca(OH)2的质量分数为86.2%。矿渣粉和电石渣粉均购于荣昌环保材料超市。钢渣和矿渣的化学组成见表2。

图1 钢渣的XRD谱Fig.1 XRD pattern of steel slag

图2 矿渣的XRD谱Fig.2 XRD pattern of ground granulated blast-furnace slag

表2 钢渣和矿渣的主要化学成分Table 2 Main chemical composition of steel slag and ground granulated blast-furnace slag

1.2 试块制备

试块制备参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)[18]。将淤泥质土用烘箱烘干，粉磨，过2 mm直径标准筛，封装待用。按照已设定的试验配比称取适量干土、钢渣粉、矿渣粉和电石渣粉，充分混合，取液限含水量(50%)的水，搅拌均匀。选用规格为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三联试模，在振动台上分三层振实成型，各层接触面刮毛。用塑料薄膜覆盖，贴上标签，24 h后脱模。将试块放入标准养护箱养护，为防止水滴在试块上，表面覆盖塑料薄膜，养护温度为(20±2)℃，相对湿度≥95%。

1.3 试验方案

首先通过无侧限抗压强度试验进行初步筛选，钢渣粉和矿渣粉的总质量掺量为20%(质量分数，下同)，m(钢渣粉) ∶m(矿渣粉)=1 ∶1，在此基础上，电石渣粉作为激发剂额外掺入。电石渣粉掺量设置为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%和10%，龄期为14 d，初步优选出电石渣粉的最优掺量。然后将最优掺量电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土、钢渣-矿渣固化淤泥质土和水泥土进行强度对比试验，龄期为7 d、14 d、28 d。对比试验结束后，选取合适试块，进行XRD和SEM测试。试验方案详见表3。

表3 试验方案Table 3 Experimental scheme

无侧限抗压强度试验采用电子万能试验机，型号为WDW-100D，加载速率为1 mm/min。强度试验完成后，选取合适小试块进行磨粉处理，进行XRD测试，X射线衍射仪型号为Smartlab SE，扫描范围为10°～70°。取非破裂新鲜面，烘干，抽真空，喷金，使用SEM观察微观形貌，场发射扫描电子显微镜型号为JSM-7900F。

2 结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度

2.1.1 电石渣掺量对钢渣-矿渣固化淤泥质土强度的影响

图3为电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土无侧限抗压强度随电石渣掺量增加的变化规律。钢渣粉和矿渣粉掺量均为10%，养护龄期为14 d，电石渣粉额外掺入。随着电石渣粉掺量的增加，固化淤泥质土强度先增大后减小。当电石渣粉掺量为6%时，固化淤泥质土强度达到最大(1 413.76 kPa)。电石渣粉掺量从0%增加到6%，固化淤泥质土强度快速提升，从143.83 kPa提升到1 413.76 kPa，提升近9倍。掺量超过6%时，强度缓慢降低。电石渣粉以一定比例掺入，能够显著提高钢渣-矿渣固化淤泥质土的强度，最优的掺量为6%。

2.1.2 龄期对固化淤泥质土强度的影响

图4为6%(最优掺量)电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土、钢渣-矿渣固化淤泥质土和水泥土的无侧限抗压强度随养护龄期的变化规律。钢渣-矿渣固化淤泥质土强度随龄期基本无变化，且强度较低，28 d强度仅为157.48 kPa。水泥土强度随龄期增加显著增长，28 d强度达到2 073.66 kPa。6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土，强度随龄期增加显著增长；从7 d到14 d，强度增长了62.45%，14 d到28 d，强度增长了47.17%；在7 d就取得了较大的强度，且在7 d到14 d强度快速增长，14 d到28 d继续增长；28 d 6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土强度达到2 080.69 kPa，比28 d钢渣-矿渣固化淤泥质土强度(157.48 kPa)增大12倍，与28 d水泥土强度(2 073.66 kPa)相当。电石渣粉以最优掺量6%掺入，对固化淤泥质土初期强度的提升起关键作用，6%电石渣-钢渣-矿渣与水泥具有相当的固化效果。

图3 电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土无侧限抗压强度随 电石渣掺量的变化(14 d)Fig.3 Unconfined compressive strength of CCS-SS-GGBS solidified muddy soil changes with the content of calcium carbide slag (14 d)

图4 固化淤泥质土无侧限抗压强度随龄期的变化Fig.4 Unconfined compressive strength of solidified muddy soil changes with ages

2.1.3 固化淤泥质土的应力-应变关系

图5 28 d固化淤泥质土的应力-应变关系Fig.5 Stress-strain relationship of 28 d solidified muddy soil

图5为6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土、钢渣-矿渣固化淤泥质土和水泥土的应力-应变关系曲线。图6为28 d固化淤泥质土的破坏形态，钢渣-矿渣固化淤泥质土的变形破坏特征表现为塑性破坏，有明显变形，裂缝发育(如图6(b)所示)。6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土和水泥土的应力-应变曲线可以划分为弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段和残余强度阶段4个阶段，变形破坏均表现为脆性破坏，具有较为明显的破坏面，6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土的破坏程度比水泥土小(如图6(a)、(c)所示)。6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质的土应力-应变曲线与水泥土相比，破坏应变更大一些，且曲线达到峰值之后，缓慢进入残余强度阶段，而水泥土曲线达到峰值之后，出现急剧下降趋势，这说明电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土具有较好的延性，可以在一定程度上避免水泥土的脆性破坏。

2.2 XRD分析

图7为不同龄期下6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土的XRD谱。C2S和C3S的水化产物为C-S-H凝胶、氢氧化钙(CH)和一些低钙类硅酸盐。C-S-H属于非晶态，在XRD谱中无法识别其特征峰。但是随着龄期的增长，2θ为28°(C3S)和32°(C2S)的衍射峰强度明显减弱，说明钢渣和矿渣一直在发生水化反应。而钢渣中的RO相随龄期基本无变化，RO为惰性化合物[19]，不参与水化反应。

图6 28 d固化淤泥质土的破坏形态Fig.6 Failure characteristics of 28 d solidified muddy soil

图7 6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土的XRD谱Fig.7 XRD patterns of 6%CCS-SS-GGBS solidified muddy soil

掺入的电石渣与钢渣矿渣内水化形成的CH共同作用，在初期使整个环境碱度迅速提高。在碱性环境下，钢渣-矿渣中原有的网络结构被破坏，玻璃体更容易解聚，加速钙离子与硅氧四面体反应生成C-S-H凝胶。同时活性的SiO2可以与CH直接发生火山灰反应，形成C-S-H凝胶。随着龄期增长，CH晶体峰也在逐渐降低，说明CH在被消耗。大量的钙离子还会导致过饱和结晶，破坏钢渣和矿渣中矿物表面的双电层，从而激发钢渣和矿渣的水化活性。电石渣有效激发钢渣和矿渣的水化活性，在宏观上则表现为固化淤泥质土逐渐硬化，无侧限抗压强度大幅提升。另外，大量的钙离子容易与淤泥质土中的黏土颗粒扩散层中的钠离子、钾离子发生离子交换和团粒化作用，由于钙离子半径较小，双电层中的扩散层厚度小，结合水较少，土颗粒间的黏聚力增大，容易黏结形成较大的颗粒团，固化淤泥质土强度也随之提高。

2.3 SEM分析

图8为不同龄期下6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土的SEM照片。在图8(c)的基础上放大到20 000倍为图8(d)，图中无定形、团絮状物质为水化产物C-S-H凝胶。在同样放大倍数下(图8(a)、(b)、(c))，28 d电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土的水化产物明显增多，C-S-H凝胶大量充填于颗粒孔隙中，包裹在颗粒表面，形成较大的颗粒团簇；28 d的固化淤泥质土颗粒间孔径明显变小，微观结构明显更致密。随着龄期增长，包裹在颗粒表面的团絮状物质越来越多，且充填效果越来越好，提高了颗粒间的胶结能力，固化淤泥质土强度得以提升。

图8 6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土的SEM照片Fig.8 SEM images of 6%CCS-SS-GGBS solidified muddy soil

3 结 论

(1)随着电石渣粉掺量的增加，电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土无侧限抗压强度先增大后减小。电石渣粉最优的掺量为6%，对固化淤泥质土初期强度的提升起关键作用。

(2)28 d 6%电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土的无侧限抗压强度与同龄期水泥土相当，且具有较好的延性，可以在一定程度上避免脆性破坏。

(3)电石渣与钢渣矿渣内水化形成的CH共同作用，提供碱性环境和大量钙离子，有效激发钢渣和矿渣的水化活性，C-S-H凝胶大量生成，充填于颗粒孔隙中，包裹在颗粒表面，使得固化淤泥质土无侧限抗压强度大幅提升。同时大量的钙离子与黏土颗粒扩散层中的钠离子、钾离子发生离子交换和团粒化作用，使土颗粒间的黏聚力增大，形成较大的颗粒团，固化淤泥质土强度也随之提高。