工业废渣基固化剂加固软土路基技术及施工应用

软土原位固化技术是指在软土中加入固化剂，使其与软土颗粒发生一系列物理化学反应，从而降低软土含水率，提高其承载力和耐久性的技术，该技术已成为软土路基加固的首选方法[5]。 水泥和石灰是目前比较常用的固化剂，但生产过程能耗高、污染大限制了它们的应用。 为此，很多学者致力于研发绿色低碳的固化剂来取代水泥和石灰，其中碱激发固化剂因其生产能耗低、可消耗大量固废、生产成本低和绿色低碳等优势而备受关注。

碱激发固化剂通常以存在火山灰活性的固体废弃物（如高炉矿渣、钢渣等）为主要原料，并向其中掺入适量碱激发材料（如水泥、石灰、水玻璃等）激发固体废弃物的潜在活性，促进其水化反应。

本文选取南京市某市政道路工程典型软土制备固化土试件，首先通过无侧限抗压强度试验（UCS）研究碱激发工业废渣基固化剂对软土的加固效果，然后采用X射线衍射（XRD）、热重量分析（TG/DTG）、电子显微镜扫描（SEM）和X射线断层扫描（X–CT）等微观测试手段，探究工业废渣基固化剂对软土矿物组成、数量、微观形貌和孔隙结构的影响，揭示其固化软土的机理，最后开展软土路基加固现场施工应用，通过对比试验验证工业废渣基固化剂的现场应用效果。

1 室内试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用土的主要物理指标见表1。固化剂采用工业废渣基复合固化剂，其原料为高炉矿渣、磷石膏和42.5级普通硅酸盐水泥。

表1 软土的主要物理指标

1.2 试验方法

根据已开展的固化土试验[8]，确定工业废渣基固化剂的配比为：水泥∶高炉矿渣∶磷石膏=2∶7∶1（重量比），固化剂掺量为4%。将软土与工业废渣基固化剂均匀混合，采用模具制作固化土试件，试件脱模后在温度20±2℃、相对湿度95%±2%的养护箱中养护至规定龄期，然后进行无侧限抗压强度试验。取受压破坏后的固化土试件，采用XRD和TG/DTG研究固化土的矿物组成和数量，并利用SEM和X–CT探究固化土的微观形貌和孔隙结构。

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度

不同养护龄期下固化软土的无侧限抗压强度如图1所示。由图1可知，固化软土的无侧限抗压强度与养护龄期的增长关系呈指数型，即养护龄期3~14d内无侧限抗压强度迅速增长，而养护龄期14~28d内无侧限抗压强度增长缓慢，之后趋于稳定。这是因为在固化软土体系中，废渣基复合固化剂中水泥组分中的硅酸二钙对固化土早期强度贡献较大，硅酸三钙对固化土后期强度贡献较大；废渣基复合固化剂中高炉矿渣组分在水泥水化产物氢氧化钙和磷石膏的激发下发生二次水化反应，对固化软土的后期强度贡献较大。

图1 不同养护龄期下固化软土的无侧限抗压强度

2.2 软土固化机理

2.2.1 矿物组成和数量

固化软土的X射线衍射谱图如图2所示。由图2可知，固化软土的水化产物主要为水化硅酸钙、水化硅铝酸钙、钙矾石和氢氧化钙，但氢氧化钙的衍射峰强度较弱，说明氢氧化钙结晶度较低、含量较少，且未发现磷石膏本身存在的矿物硫酸钙，其原因在于水泥水化产物氢氧化钙和磷石膏激发高炉矿渣的二次水化反应，最终生成具有胶凝特性的水化硅酸钙、水化硅铝酸钙和钙矾石晶体。

图2 固化软土的X射线衍射谱图

固化软土的TG/DTG曲线如图3所示。由图3可知，固化软土的质量随温度升高不断下降，这主要是由于随着温度的升高，水化产物发生脱水与分解。废渣基复合固化剂水化反应生成的胶凝产物主要存在以下失重现象。50~200℃：结晶水分解失重，主要包括水化硅酸钙和水化硅铝酸钙的结晶水分解，以及磷石膏失水形成半水石膏；70℃左右：钙矾石发生分解；400~500℃：水化产物氢氧化钙发生分解；900℃左右：水化产物水化硅酸钙发生分解。

图3 固化软土的TG/DTG曲线

2.2.2 微观结构

从固化软土的微观形貌可以看出，软土颗粒表面覆盖了大量的水化产物，土颗粒紧密联结在一起，这是因为土颗粒表面生成了大量的水化硅酸钙、水化硅铝酸钙凝胶和钙矾石等水化产物，将土颗粒相互胶结在一起，形成一个整体结构。

2.2.3 孔隙结构

利用X–CT扫描固化软土试件，采用VG Studio Max 2.0软件中的缺陷分析模块，利用灰度阈值算法，提取孔隙信息。由缺陷分析结果可知，固化软土的孔隙较小，其密实度较高，这是由于废渣基复合固化剂水化反应生成了较多的水化硅酸钙、水化硅铝酸钙、钙矾石等水化产物，形成以钙矾石晶体为骨架、水化硅酸钙和水化硅铝酸钙凝胶为胶体的固化体系，土颗粒充分填充在钙矾石–水化硅（铝）酸钙结构中，形成紧密的微观结构。

3 现场工程应用

本文依托工程的浅层地基土为流塑状、有腐殖质臭味的软粘土，路基设计厚度为0.8m，采用6%灰土换填。为了验证工业废渣基固化剂加固软土路基的工程实用性和环境价值，采用废渣基固化剂对50m软土路段进行原位固化，固化剂掺量为软土重量的4?%，固化土路基填筑厚度为0.8m。试验段根据固化土路基填筑厚度和固化剂掺入量，计算每平方米软土所需固化剂用量。软土路基固化施工流程为：材料生产及运输→打灰格→摊铺→拌和→压实→养护。

现场自然养护一定龄期后，采用环刀取样，分别对固化土和灰土进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表2。由表3可知，固化土和灰土强度均满足路基设计要求（强度设计值为1.5MPa），但固化土7d和14d的无侧限抗压强度明显高于相同龄期的灰土。

              表2 无侧限抗压强度试验结果      MPa

本路段软土路基原位固化是将废渣基复合固化剂与软土在原位进行强制拌和，形成强度较高的路基材料，该技术具有固化强度高、拌和均匀性好、施工工序简单、工效高等特点，为软土路基处置提供了全新的选择。

工程实践表明，采用本文研发的废渣基固化剂对软土路基进行原位加固，可使筑路成本降低约30%，并且可消耗大量工业废渣，经济效益和环境效益显著。

4 结论

（1）室内固化试验表明，固化软土的无侧限抗压强度与养护龄期呈指数函数增长关系，养护龄期3~14d内固化土强度迅速增长，而养护龄期14~28d内固化土强度增长缓慢，之后趋于稳定。

（2）废渣基固化剂固化软土机理在于固化剂中胶凝材料的直接水化反应和高炉矿渣在碱激发作用下的二次水化反应，形成以钙矾石晶体为骨架、水化硅酸钙和水化硅铝酸钙凝胶为胶体的固化体系，软土颗粒充分填充在钙矾石–水化硅（铝）酸钙结构中，形成比较致密的微观结构。

（3）现场工程应用表明，当固化剂掺量为4%时，软土的固化效果较好，固化土7d和14d的抗压强度均高于6%灰土，满足路基强度设计要求。