工业废渣制备软土地基固化剂设计方法探讨
李战国 (北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191)
赵永生 (中国交通建设股份有限公司一局七公司,北京100011)
黄　新 (北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191)
摘　要:探讨了拟加固土的化学性质因素对固化剂水化物生成的影响和对策、形成 最佳固化土结构需要的水化物体系特点、不同种类水化物生成过程的协调性及调控方法.在此 基础上,根据工业废渣在制备软土固化剂中的技术优势,提出了利用工业废渣制备软土地基固 化剂的设计思想与方法,并给出设计实例.试验结果表明利用工业废渣制备固化剂时采用本设 计方法,固化土28d无侧限抗压强度比水泥固化土提高了1. 5~2. 75倍.
关　键　词:工业废渣;软土固化;固化剂;设计方法 中图分类号: TU 528. 042 文献标识码: A　
文章编号: 1001-5965(2009)04-0497-04
软土固化技术是应用最为广泛的地基加固技 术之一.该技术能否取得良好的技术经济效益主 要取决于固化剂是否经济有效.目前使用的固化 剂主要是水泥,且用于软土固化的水泥量约为 3×108t/a,但水泥加固软粘土效率低,相对成本 高,同时水泥生产的环境负荷较大.另一方面,工 业生产排弃大量的废弃物.如能利用工业废渣制 备软土固化剂,则可资源化利用工业废渣2× 108t/a,虽然有很多关于利用工业废渣制备软土 固化剂、并取得比水泥好的固化效果的报道[1-4], 但这些固化剂基本上是以较为盲目的试配方式制 备的,未能充分利用工业废渣本身的技术优势,因 此性能不高,适用范围窄,难以推广应用. 本文基于固化土结构形成过程及所需的水化 物组成特点和工业废渣在制备软土固化剂时的技 术优势,提出利用工业废渣设计软土固化剂的指 导思想和方法,并给出设计实例.
1　结构形成过程与水化物组成特点
1.1　土的化学性质因素对水化物生成的影响
软土中多种化学因素如土样的PH值、离子 交换、物理吸附、硬凝反应等作用影响固化剂的水 化硬化过程.水泥加入软土后,水化生成Ca(OH)2 和水化硅酸钙CSH凝胶等水化物.前者对固化土 强度影响不大;而后者是强度的主要贡献者,其生 成遵循下列热力学平衡式: Ca2++xHSiO-+OH-< =>xCaOSiO2H2O 上式表明孔隙液中Ca2+和OH-浓度决定了 CSH凝胶的生成量. 土样不同,各种化学性质因素也不同,若水泥 产生的Ca(OH)2不能满足土样化学性质因素对 Ca2+和OH-的吸收,将导致孔隙液中Ca(OH)2不 饱和,必然要消耗用于生成CSH所必需的Ca2+和 OH-,导致CSH生成量减少,最终影响固化土抗 压强度的增长[5].因此水泥作为固化剂时,必须 采取措施如提供一定的碱性组分以保证固化土孔 隙液中Ca(OH)2饱和,消除不同化学性质因素对 水化物生成和强度的影响.
1.2　形成最佳结构需要的水化物种类与数量
文献[6]提出了固化土结构形成模型,见图 1.在软土中,粘土颗粒常以内含孔隙的土团粒存 在.将水泥与软土拌和后,由于水泥的水化产物主 要是胶结性水化物,将包裹胶结土团粒,并填充土 团粒之间的孔隙,形成类似于图1a所示的结构, 使固化土强度提高.但此时土团粒内部还存在大 量孔隙.如果固化剂含有膨胀性组分,膨胀性水化 物膨胀挤压土团粒,减少土团粒内部孔隙,如图 1b所示,可显著提高固化土强度. 而只提供胶结性水化物的水泥不能满足形成 最佳固化土结构对固化剂的需求,必须在固化剂 中掺加膨胀性组分.
1.3　不同水化物生成过程的协调性 固化土中膨胀性水化物主要是指水化硫铝酸 钙(AFt).
研究表明[7],AFt膨胀作用具有双重性, 既可填充孔隙使固化土结构密实,又可破坏CSH 胶结土团粒形成的固化土结构.AFt生成时CSH

a　胶结性水化物包裹胶结土团粒并填充土团粒间孔隙

图1　粘性土固化土结构形成模型
胶结土团粒形成的结构越微弱,AFt膨胀的破坏 作用就越小,AFt膨胀的增强效果就越显著;若 AFt生成时,生成的CSH量越多,形成的胶结结构 越密实,AFt膨胀的破坏作用就越大,便会破坏已 形成的胶结结构,反而使强度下降. 通过调整CSH和/或AFt的生成速率,使两 者生成速率协调,可以充分发挥两者的优势.水泥 中CSH生成速率较快,导致固化土中胶结性水化 物和膨胀性水化物生成过程不协调.
2　工业废渣的技术优势及利用工业 废渣设计固化剂的思想
由前述可知,高效固化剂应该提供胶结性水 化物、膨胀性水化物以及一定的碱度,且CSH和 AFt生成过程应有良好的协调性.而目前常用的 固化剂———水泥存在不能提供膨胀性水化物、没 有足够的碱度,以及协调性不好等缺陷. 一些工业废渣具有独特的技术优势,可以弥 补水泥作为固化剂时存在的缺陷:一些工业废渣 如矿渣、钢渣、粉煤灰、煅烧煤矸石等,不仅能够产 生胶凝性水化物,胶结土团粒,同时能够减缓固化 剂中CSH生成速率,改善水化物生成过程的协调 性;一些含铝、硫工业废渣如磷石膏、脱硫石膏、赤 泥渣等可产生膨胀性水化物,填充固化土中孔隙, 使结构密实;一些工业废渣如废碱液、电石渣、劣 等石灰等能够提高碱度,保证孔隙液中Ca(OH)2 饱和. 利用工业废渣制备固化剂时,充分发挥工业废 渣独特的技术优势,如可提供胶结性组分、提供膨 胀性组分、提供碱性组分、可减缓胶结速度等,不仅 可节约水泥,并可取得比水泥更好的技术效益.
3　利用工业废渣设计固化剂的方法 固化土形成最佳结构,需要胶结性水化物包 裹胶结土团粒、膨胀性水化物填充土团粒间及土 团粒内部孔隙及一定的碱度以保证孔隙液中 Ca(OH)2饱和,因此利用工业废渣制备固化剂时 各组分的量可由如下确定:根据完全包裹土团粒 所需要的胶结组分的量确定胶结性工业废渣的用 量;根据填充土中孔隙所需要的膨胀性水化物的 量确定膨胀性工业废渣的用量;根据使固化土孔 隙液中Ca(OH)2饱和所需要的碱用量来确定碱 性工业废渣的用量. 不同场地的软土,其物理性质指标、化学性质 指标差别很大,因此加固不同场地的软土时需要 不同的固化剂组成.为能针对具体的土质条件方 便地个性化设计固化剂,根据初步试验结果[7], 建立了土的性质指标与固化剂各组成材料数量的 关系式: 胶结性组分用量aw与土样液限WL和液性指 数IL的关系为aw=0.3174(WL+2.44IL+0.5967)%　(1) 膨胀性水化物DW与土样孔隙率n的关系如 下式: DW= [ρG(0.174n -2.20)]% (2) 式中,ρG为膨胀性水化物的密度(AFt的密度为 1. 73g/mL).利用式(2)和所形成的膨胀性水化 物的具体组成,根据生成膨胀性水化物的化学反 应式计算得到膨胀性组分的用量. Ca(OH)2掺量D′W与土样离子交换容量X1、 PH值X2、活性硅铝含量X3的关系为 D′W= (3.112+0.0101X1- 0.2214X2+0.112X3) (3) 最终固化剂由上述3部分组成.
4　配比实例 本试验采用电石渣提供必要的碱度,用量根 据公式(3)计算所需Ca(OH)2量和电石渣中CaO 含量折算;膨胀性组分由磷石膏与固化剂中和土 中的含铝成分构成;胶结性组分为水泥、电石渣激 发的煅烧煤矸石,由文献[8]得出所用煅烧煤矸 石与电石石渣的最佳质量比例100: 96. 试验中所用土样WT的性质见表1.采用奥 达牌32. 5普通硅酸盐水泥(PC);徐州地区的煅 烧煤矸石(CCG);贵州宏福实业开发有限总公司 提供的磷石膏(PG);天津的电石渣(CS).各工业 废渣的化学组成见表2.


固化剂中各组分掺量的计算过程如下: 1)胶凝性组分的用量按式(1)计算: aw=0. 317 4 (WL+2. 44IL+0. 596 7) = 0.3174×(43.20+2.44×0.95+0.5967)=14.64 2)
膨胀性组分的用量按式(2)计算: DW=[ρG(0.174n-2.20)]=1.73×(0. 174× 51. 92-2. 20)=11. 8
上式得到的是填充孔隙所需的膨胀性水化物 AFt的量,由AFt的组成3CaO·Al2O3·3CaSO4· 32H2O可知,每生成1mol的AFt需要3mol的石 膏(CaSO4·2H2O),故石膏量可按下式计算得 到: 3CaSO4·2H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4· 32H2O 分子量: 516　1255 石膏的量=11. 8×516÷1255=4. 85,试验中 磷石膏中有效石膏的含量为95%,故需要磷石膏 的量为4. 85÷95% =5. 10. 3)碱性组分的掺量按式(3)计算: D′W=3. 112 +0. 010 1X1-0.221 4X2+ 0.112X3=3.112+0.0101×22-0.221 4×4.85+ 0.112×23.65=4.9 上式计算得到的Ca(OH)2的量,折合成CaO 含量为66. 14% (表2)的电石渣量为 4. 9÷(66. 14%×74÷56)=5. 6% 试验过程采用6%的电石渣. 固化剂组成配比及固化土的28 d无侧限抗 压强度结果见表3(表中配比为土样湿重量的百 分比).
由表3可知,根据本研究提出的利用工业废 渣配制软土固化剂设计方法,可充分发挥各类工 业废渣不同的技术优势.对比1#与2#试样的强度 可见:用6%的电石渣替换水泥,固化土强度变化 不大,这证明固化土中Ca(OH)2不饱和,土样消 耗了用于生成CSH的Ca2+和OH-,从而导致了 CSH胶结性物质的减少和固化土强度的降低.对 比表中2#试样和3#试样可见:用5%的磷石膏代 替5%的水泥,而其强度增长了1. 96倍,这主要 是因为:磷石膏与固化剂水化物中的含铝组分和 土中的活性Al2O3反应生成钙矾石,钙矾石膨胀 可以填充土团粒间和土团粒内的孔隙,弥补了水 化硅酸钙填孔效率低、不能填充土团粒内孔隙的 不足,从而大幅提高了固化土强度.对比3#与4# 试样的强度可见: 4#配比用煤矸石代替了8%的 水泥,固化土强度提高了43%,这是由于煤矸石 的前期水化速度慢,煤矸石的加入使得胶凝性水 化物CSH的前期生长速度缓慢下来,使膨胀性水 化物钙矾石在前期充分生成,在此之后,充分发挥 了水泥的胶凝性,充分包裹土团粒,从而使固化土 的强度增长.完全采用工业废渣作为固化剂的5# 试样,强度也达到了2MPa,是1#试样强度的2. 5 倍.

上述试验结果体现出不同工业废渣的增强作 用.
5　结　论 1)
固化剂应提供胶凝性水化物、膨胀性水化 物和足够的碱度,且不同水化物生成过程间有良 好的协调性. 2)制备固化剂时,工业废渣具有独特的技术 优势,如可提供膨胀性水化物填充土中孔隙、提供 一定的碱度以保证固化土孔隙液中Ca(OH)2饱 和、减缓胶结性水化物的生成速度从而使水化物 的生成过程协调. 3)建立了根据土的性质指标设计固化剂的 计算方法:固化剂由胶结性组分、膨胀性组分和碱 性组分构成.胶结性组分可根据土样的WL和IL确 定;膨胀性组分可根据土样孔隙率确定;碱性组分 可根据土样离子交换容量、PH值、活性硅铝含量 确定. 4)用76% ~100%的煅烧煤矸石、磷石膏、 电石渣等制备的固化剂的固化土强度比水泥固化 土强度提高了1. 5~2. 75倍.