1.宁建国   2.李学慧

(1.山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛266510;2.山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛266510)

摘要：选取水化能生成胶凝性水化物、膨胀性水化物或碱性物质的工业废渣作为固化剂组分,按照固化土结构模 型调整固化土中工业废渣配比,对比工业废渣固化土与水泥固化土抗压强度,考察用工业废渣配制软土固化剂的 技术优势。试验结果表明:与水泥相比,用工业废渣作为固化剂组分可提高固化土碱度,生成膨胀性水化物,调整 固化土中胶凝性水化物与膨胀性水化物生成速率,并且工业废渣固化土抗压强度显著高于水泥固化土。

关键词：工业废渣;软土;固化剂;膨胀型水化物

中图分类号：TU472.5　文献标志码:A　文章编号:1672-3767(2008)05-0047-05

深层搅拌法、高压旋喷法和水泥拌合土法等一些软土加固方法的加固原理是将固化剂与软土充分拌和, 利用固化剂与软土之间发生的一系列物理、物理化学、化学反应,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定 强度的固化土[1]。软土加固方法因具有技术经济效益高、对环境无不良影响、施工简便等优点,在我国软土 地区发展迅速,广泛应用于工业与民用建筑地基加固、道路路基加固、江河堤坝防渗、抗渗加固和深基坑开挖 围护工程,并正在向港口建设、近海工程的海底软土和疏浚泥土加固等方面发展[2-4]。

目前工程中多用水泥作为软土固化剂,远不能满足实际工程的需要:其一,水泥价格较高且货源也比较 紧张;其二,对于不同土质,同量水泥的加固效果有很大差别,在有些土质中,单用水泥作为固化剂,则得不到 满意的强度或失去了其技术经济效益,如在某些沿海、沿江、沿湖和暗浜较多的软土地区,土体的天然含水量 很高,应用普通水泥加固土体,强度偏低,加固土体的效果并不理想[5]。研究开发部分材料为工业废渣的固 化剂不仅可以降低固化剂的成本,在很多场合还可以取得比单纯用水泥更好的技术效果[5]。此外,利用工业 废渣对于环境保护、节约废渣堆砌用地都具有积极的意义。

文献[6]中提出加固粘性土的固化剂需产生胶凝性水化物、膨胀性水化物和碱性物质,本文根据该固化 土结构形成模型,选取了不同种类的工业废渣作为固化剂组分,考察用工业废渣配制软土固化剂的技术优势。

1　试验材料及固化剂配比

1.1　试验材料

北京强力水泥厂生产的奥达牌32·5矿渣硅酸盐水泥、首钢磨细高炉矿渣、山东淄博磷肥厂生产的磷石 膏粉、山东淄博洗涤剂厂的废碱液(主要成分为NaOH,浓度为28%)、北京(BT)的天然土样。矿渣硅酸盐 水泥的物理和化学性质指标见表1和表2,北京土(BT)的物理和化学性质指标见表3和表4,土样颗粒粒径 级配分布曲线(d表示土颗粒粒径,p表示各粒径土颗粒占土样总质量的百分比)见图1。矿渣的化学成分与 物理性质见表5,磷石膏的化学成分见表6。

1.2　固化剂配比

在土样BT中分别掺加由水泥、水泥+碱 液、水泥+高炉矿渣+碱液和水泥+高炉矿渣+ 磷石膏粉+碱液构成的四种固化剂,固化剂配 比如表7所示,水灰比为0·5(将碱液的水溶液 计算入固化剂水灰比中),固化剂中各组分掺量 均为占湿土样的质量百分比。令土样BT在水 泥作用下形成的固化土称为BS-X固化土;土 样BT在水泥+碱液作用下形成的固化土称为 BJ-X固化土;土样BT在水泥+高炉矿渣+碱 液作用下形成的固化土称为BK-X固化土;土 样BT在水泥+高炉矿渣+石膏粉+碱液作用下形成的固化土称为BKG-X固化土(X表示固化土中水泥含量)。30d龄期在不同固化剂配比作用下固化土抗压强度如表7所示。

1.3　实验方法

试样制备用SJ-160型静浆搅拌机,具体搅拌过程如下:①按照试验配比称量水泥、工业废渣和水,放入 搅拌锅内,立即开动机器,低速搅拌30s;②加入定量的土样,用静浆搅拌机低速搅拌1min后停止;③人工 用一胶皮刮具将叶片和锅壁上的试样刮入锅中间后,把搅拌机转至高速再搅拌2min。 将搅拌好的试样分3层装入50mm×50mm×50mm试模中,在ZT-1×1型振实台上各振动1min。 试件成型1d后拆模,将脱了模的试块用塑料薄膜包裹放入养护箱内进行养护,养护温度为25℃,湿度 为95%,于30d龄期测定试块无侧限抗压强度。

2　试验结果及分析

2.1　碱性废液可提高固化土碱度

土样BT在水泥及水泥+碱液作用下形成的固化土抗压强度如图2所示。

由图2可知:与水泥掺量相同的固化土BS-10 抗压强度相比,固化土BJ-10抗压强度增长了 90·20%;与固化剂总量相同的固化土BS-12相比, 固化土BJ-10抗压强度增长了73·21%。另外,与 固化土BS-10抗压强度相比,水泥掺量较少的固化 土BJ-8抗压强度也提高了18·63%,并且固化土 BJ-8与固化土BS-12抗压强度基本相同。这说明 在固化剂中掺加了碱性废液后,提高固化土孔隙液 碱度,减小或消除土样对固化土中胶凝性水化物生 成的影响,提高固化土抗压强度。

2.2　工业废渣可代替部分水泥产生胶凝性水化物 土样BT在水泥+高炉矿渣+碱液作用下形成 的固化土与固化土BJ-10抗压强度如图3所示。

由图3可知:与水泥固化土BJ-10抗压强度相 比,固化土BK-8、BK-6、BK-4、BK-2抗压强度与其 基本相同,只有当固化剂中胶凝组分全部为工业矿 渣代替时,固化土抗压强度才有所减小。这说明在 固化剂中高炉矿渣在高碱环境下可水化生成胶凝性 水化物,得到与水泥相同的加固效果,且矿渣占固化 剂中胶凝组分总量的80%时仍可达到同样的效果。

2.3　工业废渣提供膨胀性水化物并可调控固化土 中胶结与膨胀协调性

土样BT在水泥+高炉矿渣+石膏粉+碱液作 用下形成的固化土与固化土BJ-10、BJ-18抗压强度 如图4所示。

由图4可知:与固化土BJ-10抗压强度相比,在 保持固化土中胶凝性水化物量不变的情况下,用水 泥、矿渣、磷石膏和废碱液制成的固化剂形成的固化 土抗压强度有大幅度的增加,并且随着固化剂中矿 渣掺量增加,固化土抗压强度增长幅度有增加的趋 势,只有当固化剂中胶凝组分全部为矿渣时,固化土 抗压强度增长幅度才有所减小,但也大于固化土 BJ-10抗压强度,如与固化土BJ-10抗压强度相比, 固化土BKG-8抗压强度增长了158·25%,固化土 BKG-2抗压强度增长最大,达到308·25%,固化土BKG-0抗压强度增长有所减小,但也增长了249·48%。 另外,与水泥掺量较高的固化土BJ-18抗压强度相比,固化土BKG抗压强度也有较大幅度的提高,如BKG- 8抗压强度增长了51·82%,固化土BKG-2抗压强度增长了140%,固化土BKG-0抗压强度增长了105·45%。这说明使用工业废渣作为固化剂组分加固软土其加固效果要好于水泥。

与固化土BG-10和固化土BJ-18相比,用水泥、矿渣、磷石膏和废碱液制成的固化土,一方面固化剂中磷 石膏与水泥水化物中的水化铝酸钙反应生成膨胀性水化物钙矾石,不仅可填充固化土中土团粒间孔隙,又可 填充土团粒内部孔隙,弥补了胶凝性水化物CSH的不足;另一方面,工业废渣的加入使得胶凝性水化物 CSH的前期生长速度缓慢下来,其对强度贡献主要来自后期[7-8],早期生成的钙矾石对CSH胶结形成的固 化土结构破坏较小,从而达到调控胶凝性水化物与膨胀性水化物协调性的目的,因此,与固化土BG-10和固 化土BJ-18相比,固化土BKG抗压强度大幅提高,并且随着矿渣掺量的增加,胶凝性水化物CSH的前期生 长速度更慢,钙矾石的膨胀破坏胶凝性水化物的胶结结构就越低,钙矾石生成过程与CSH生成过程的协调 性就越好,固化土强度增加的也越大。当固化剂中胶凝组分完全是矿渣时,矿渣水化生成的胶凝性水化物量 较少,胶凝性水化物对土颗粒的胶结作用减弱,固化土抗压强度增长程度相对有所降低。

3　结论

与水泥相比,利用工业废渣配置软土固化剂,具有提供碱度、提供膨胀性水化物和调整膨胀性水化物与 胶凝性水化物的生成速率,从而达到调控固化土中胶结与膨胀协调性的目的。用工业废渣作为固化剂组分 其加固效果要好于水泥。依据本研究提出的固化剂设计方法,可对现有工业废渣、废液按能提供胶凝性水化 物、膨胀性水化物、提高碱度进行分类,以利于今后利用工业废渣配置软土固化剂。

参考文献:

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