添加脱硫石膏和赤泥对复合水泥土性能的影响

水泥土是将软土与外加剂进行混合，经物理化学反应产生凝结硬化，得到的一种材料强度改善的复合 土。水泥土较混凝土材料而言更加经济，但在大型工程中水泥用量也比较大，成本偏高，因此许多学者考 虑可以掺其他外加剂，保持材料较好性能的同时，降低水泥用量。其中，脱硫石膏是一种比较常见的外加 剂，主要将其与矿渣和粉煤灰等物质进行联合利用，制备胶凝材料及建筑材料。

脱硫石膏( Flue Gas Desulphurization Gypsum，FGD) 是燃煤电厂产生的含有大量二水硫酸钙矿物的废 渣，呈现一定黏性。赤泥是制备氧化铝所产生的工业废渣，具有比表面积大、颗粒较小、存在一定潜 在活性胶凝物质等性质，可用作建筑材料及矿山充填剂的制备。有学者发现 FGD 和赤泥之间存在激 发作用，可联合利用进行固化剂的制备。 

目前国内外对 FGD 和赤泥的利用率都很低，但其产量和储量却在逐年上升。因而本文将这两种固废物 联合利用制备复合水泥土，研究固废物对水泥土强度及应力-应变的复合影响，以拓宽其在工程中的应用。

1． 1 试验材料 

试验材料照片如图 1 所示，水泥( 图 1 ( a) ) 选用 42． 5# 普通硅酸盐水泥，FGD( 图 1( b) ) 取自太原某电 厂，土( 图 1( c) ) 取自山西太原某建筑工地。经检测，土粒比重 Gs =2． 7，液限 ωL =25． 2%，塑限 ωP = 15． 3%，塑 性指数 Ip = 9． 9，黏粒含量为 19． 6% ，粉粒含量为 78． 7% ，砂粒含量为 1． 7% 。根据标准 GB 50021—2001 ( 2009 版) ，可判定为粉土。赤泥( 图 1( d) ) 材料为拜耳法赤泥，其塑性指数 Ip = 11． 9，黏粒含量为 59% ，粉 粒含量为 27． 3% ，砂粒含量为 13． 7% ，根据标准可知其具有粉质黏土性能。各试验材料主要化学成分见 表 1。

1． 2 试验方法 

参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70—2009，以表 2 中各方案进行固化土的制备( 各材料百 分比均以干土重量为基准) 。各方案中，固废物总量( FGD + 赤泥) 和水泥所占土的比例保持不变，两种固废 物比例发生改变。将制备好的试样标准养护到待测龄期 7 d、14 d、28 d 时，进行无侧限抗压强度、应力-应 变、SEM、XＲD 及 pH 值的测定。

2． 1 应力-应变曲线

图 2 为 14 d 复合水泥土的应力-应变曲线。曲 线开始呈上凹型，试块内原先存在的细微裂纹和孔 隙在外力作用下不断被挤压。随着应变的增大， 应力不断上升并达到峰值。其中，方案 6 的试块峰 值应力最大，较方案 1 增大约 8 倍( σ1 = 1． 35 MPa， σ6 = 10． 80 MPa) 。同时，曲线的斜率在逐渐增大， 即复合土的弹性模量在增大。这可能是由于赤泥 和 FGD 颗粒粒径大小不同，二者对试块有充填作 用，也可能是二者比例不同使试块内部发生的反应 加剧，生成了更多的胶凝材料，导致弹性模量增大。随应变的持续增加，材料在达到峰值应力后出现应 力软化现象。此外，随着固废物中脱硫石膏量的增加，复合土的峰值应变有所减小，说明材料配比对复合水泥土韧性有影响，使材料偏脆性发展。

图 3 为试块受压过程中的裂缝发展图。由图可知，单轴受压阶段，试块在外力作用下原有的诸多细小裂 隙或孔洞逐渐被压实。随着应变的增加，复合土试块表面开始出现细小裂纹，并逐渐扩展成较大的裂缝( 如 图 3( a) ) 。当应力-应变曲线超过峰值应力后，裂纹不断产生，已存在裂纹迅速发展并不断贯通( 如图 3 ( b) ) ，最终导致试块破坏。

2． 2 无侧限抗压强度随 FGD 掺量的变化 

图 4 为固废物总量一定的情况下，固化土无侧限抗压强度随 FGD 掺量的变化曲线。强度曲线呈上升趋势，且增幅先大后小。曲线的变化趋势 以 FGD∶ 赤泥 = 1∶ 1为界限，可分为 A 和 B 两个区域。A 区为 FGD∶ 赤泥 ＜ 1∶ 1，B 区为 FGD∶ 赤泥 ＞ 1∶ 1。A 区，试块强度增大的趋势较稳定，且增幅较大，强度值从 1 MPa 增大到约 8 MPa; B 区，曲线的增长趋势变缓，试块强度的变化幅度降低。说 明在 FGD 与赤泥之间存在较优的比例，且 FGD 占 比量的增大会改善固化土的强度性能。

曲线呈现出 A 和 B 两个区域不同的变化趋 势，可能是由于 FGD 含量对生成物钙矾石的影响所导致的。试块中的孔隙较大时，FGD 存在的条件下，水泥及赤泥中活性物质发生水化反应会生成细针状 钙矾石; 当 FGD 的含量逐渐增大时，钙矾石的结构发生改变，形成的钙矾石逐渐由细针状转变为长杆状，短 柱状和六角柱状，使得结构更加致密，出现强度增大的趋势。但是在 FGD 添加到一定程度时，其添加对 材料内部结构的密实度影响程度降低，且赤泥量的减少使得产生钙矾石的碱性环境有所变化，因而强度的提 高幅度变平缓。 

图 5 为土和固化土的 SEM 照片，土中存在很多不规则的孔隙，而固化土中由于内部细小颗粒和水化反 应产生的胶结物等对孔隙进行了填充和黏结，结构密实度得到提高，强度得到提高。赤泥中的活性物质及水泥中物质的水化会产生水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙等胶结物质。赤泥颗粒粒径较小，会对结构中 的孔隙发挥填充效应，FGD 的黏性会使结构整体性提高。此外，在赤泥碱性环境下，试块中活性物质铝酸 三钙和铁铝酸四钙等物质会与 CaSO4·2H2O 反应生成钙矾石。这些物理化学反应均会对试块的孔隙进 行填充，使其整体性得到改善，强度提高。

2． 3 无侧限抗压强度与龄期的关系

各方案下，试块无侧限抗压强度随龄期变化的 柱状图如图 6 所示。当 FGD∶ 赤泥 ＜ 1∶ 1时，强度随 着龄期的增大而增大，增加幅度相对稳定; 当 FGD∶ 赤泥 ＞ 1∶ 1时，试块的强度在后期有所降低。

材料在加水拌和过程中，可溶性物质溶解，液相 中出现Ca2+、SO2－4 、AlO－2 等，在碱性环境下会相互反应生成钙矾石。在硬化体中，随着养护龄期不断增大，反应生成的钙矾石以微晶形式与其他水化 产物相互穿插，形成了致密结构，使硬化体强度增 加。此外，FGD中可溶性盐有利于加速水泥水化反应。 

图 7 为 FGD 掺量为 30% 时固化土的 XＲD 谱， 图 7( a) 所示为试块养护 7 d 后的矿物成分分析，从 图中 可 以 看 到，固 化 土 中 有 SiO2、CaSO4 ·2H2O、 CaCO3 和 CaAl2 Si2O8·4H2O 等物质。图 7( b) 所示为相同材料配比下 28 d 固化土的成分分析，与图 7( a) 相 比，图中一些峰值消失，有些峰值处矿物成分有所改变，说明龄期对试块中矿物成分有影响。

2． 4 无侧限抗压强度与 pH 值的关系 

图 8 为各龄期每个配比下相应试块无侧限抗压强度与 pH 值的关系图。在区域 A 中无分布的点，区域 B 中分布的点最多。区域 A 的强度值相对较小，最大值约为 4 MPa，而区域 B 中强度值可达约 11 MPa，且区 域 B 中各点的强度值均相对较大。 

钙矾石存在的 pH 值范围为 10． 5 ～ 13，其中 11 ～ 12． 5 是钙矾石最稳定的环境条件。因而赤泥的碱性及水泥水化生成的 Ca( OH) 2 对钙矾石的形成和稳定存在有利，也对水泥的硬凝反应有积极作用。另一方面，随着 pH 值的增大，材料的液塑限在不断的增大，而原先在塑限时溶解于碱液的胶体离子也会逐 渐析出胶质，这些胶质继续发挥胶结作用，就会使试块强度增大。此外，随着 pH 值的增加，土中黏粒含 量增加，会使试块形成更致密的整体，强度得到提高。

 (1) 固废物复合水泥土的应力-应变曲线呈软化型，且其弹性模量随脱硫石膏与赤泥之间比例的增大而 增大，材料抵抗变形的能力在增强。此外，随 FGD 的增加，材料偏脆性发展。 

(2) 固废物复合水泥土无侧限抗压强度受固废物比例、养护龄期和 pH 值等因素影响，随着固废物比例 和养护龄期的增大以及碱性的增强，无侧限抗压强度值逐渐增大。其中，pH 值的增大会使试块中的黏粒含 量和析出的胶质增多，且碱性对钙矾石的生成有利，为材料强度提高起到联合作用。 

(3) 微观分析和宏观结果均表明加入适量比例的 FGD 和赤泥可改善水泥土内部结构并显著提高其强 度。因此，可考虑在水泥土中加入这两种固废物来改善其抗压能力，为工程的安全性及固废物的利用提供新 方案。