Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 10: 111 - 119

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240833

Rock-Soil Engineering

Mix Ratio and Mechanism of Multi-source Solid-waste Co-curing for Red Sandstone Spoil

  • WEN Shu-jie , 1, 2 ,
  • HUANG Ying-hao , 1 ,
  • LAI Guang-tian 1
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  • 1 School of Civil and Surveying Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 330013,China
  • 2 Jiangxi Provincial Key Laboratory of Environmental Geotechnical and Engineering Hazard Control,Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China

Received date: 2024-08-06

  Revised date: 2024-11-01

  Online published: 2025-01-02

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Abstract

[Objective] Extensive red sandstone spoil generated from highway tunnel projects in central-southern China poses significant disposal challenges due to its high water content, susceptibility to slaking and disintegration, low strength, and high compressibility—characteristics that fail to meet subgrade material standards. To realise the goal of “treating waste with waste and turning waste into treasure”, we use quicklime, calcined coal gangue powder, fly ash and cinder powder as multi-source solid-waste curing agents to explore the optimal ratio and mechanism for co-curing red sandstone spoil, providing a basis for resource utilisation. [Methods] Red sandstone spoil was served as the base material, quicklime, calcined coal gangue powder, grade-III fly ash and cinder powder were selected as curing agents, with their chemical compositions determined by X-ray fluorescence spectroscopy. Single-mix tests were conducted to investigate the effect of each curing agent alone on the strength of the red sandstone spoil and to determine appropriate dosage ranges. Then orthogonal experimental design was employed, using 7-day unconfined compressive strength (UCS) as the index to obtain the optimal ratio. Based on the optimal mix ratio, the red sandstone spoil was modified with curing agent dosages of 8%,10%,12%,and 14%,and cured for 3,7,14,and 28 days respectively. Unconfined compressive strength (UCS) was tested. Water stability coefficients were measured through water immersion tests. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analyses were conducted to examine changes in microstructure and mineral phases before and after curing, revealing the stabilization mechanism. [Results] Optimal mix proportions and dosages:the optimal mass ratio was quicklime∶fly ash∶calcined coal gangue∶cinder powder=4∶8∶8∶7. The strength showed an initial increase followed by a decline with increasing total dosage, with 12% total dosage yielding the highest strength. Macro-scale performance improvement: at 12% dosage, 7-day UCS reached 1.659 MPa (16 times that of raw spoil) and 28-day UCS 2.255 MPa. Water stability was significantly improved, with the coefficient reaching 59.37% at 12% and 65.90% at 14%, with strength increasing over time, particularly rapidly between 3-14 days. Microscopic mechanism: XRD analysis showed that the contents of orthoclase and albite decreased in the improved red sandstone spoil, while the diffraction peaks of quartz and calcite were enhanced, indicating that ion exchange and pozzolanic reactions occurred, generating cementitious products such as calcium silicate hydrate (C-S-H) and calcium aluminate hydrate (C-A-H). SEM observation revealed that the soil particles were loose and porous before improvement, while after improvement, the cementitious products bonded the particles to form a dense skeletal structure, which became more complete with curing age. [Conclusions] The optimal co-curing ratio is quicklime∶fly ash∶calcined coal gangue∶cinder powder=4∶8∶8∶7 at 12% dosage, delivering the best mechanical properties and water stability. The mechanism is a lime-centred synergistic reaction: lime hydration provides an alkaline environment and Ca2+, triggering ion exchange (soil particles changing from potassium/sodium type to calcium type) and pozzolanic reactions (forming cementitious products), while solid waste particles fill pores to reinforce the soil skeleton. This offers an economical and eco-friendly route for red sandstone spoil utilisation, with both engineering and ecological value.

Key words： red sandstone spoil; multi-source solid waste; co-curing; orthogonal design; curing mechanism

Cite this article

WEN Shu-jie , HUANG Ying-hao , LAI Guang-tian . Mix Ratio and Mechanism of Multi-source Solid-waste Co-curing for Red Sandstone Spoil[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(10) : 111 -119 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240833

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0 引言

随着“新基建”政策的兴起,我国中南部地区公路隧道项目产出了大量的红砂岩渣土,此类渣土存在高含水率、泥化崩解、低强度、高压缩性等特点[1-3],不符合《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)[4]对路基材料的规范使用要求,导致只能堆放保存,造成渣土资源浪费和生态环境破坏等问题。添加适量材料提升弃土各项力学性能达到使用标准,是当下废物资源再利用的有效方式之一[5-6]。目前回收利用的工程弃土主要涉及软土、膨胀土、粉土和湿陷性黄土等[7-11],为达到“节约资源、保护环境”的目的,针对公路隧洞项目产出的大量红砂岩渣土的固化改良研究更具有实际意义和应用价值。
在实际工程应用中,对红砂岩渣土的处理手段通常是物理夯实或采用水泥类胶凝材料对土体改良固化[12]。研究发现,水泥改良土存在干缩及温缩较大的缺点,容易造成土体开裂[13-14],同时,生产水泥会耗费不可再生资源并释放大量温室气体污染环境[15-16]。因此,为研发新型环保型固化剂,部分学者把目光转向了“高产量低价值”的工业固体废弃物,该类固废物普遍存在占用土地及环境污染等相关问题[17],但其潜在的胶凝特性,令其成为水泥等固化材料的替代材料。温亮等[18]研究发现,由水泥、粉煤灰、煤渣、吹填砂组成的混合料,粉煤灰和煤渣对混合料强度提升效果不及水泥,但在反应中起到了良好的催化作用;Meng等[19]、Qin等[20]研究发现,虽然粉煤灰会降低水泥基材料早期强度,但整体上硅灰和粉煤灰对水泥基材料的强度提升呈线性上升趋势;肖雪军等[21]、方屹等[22]通过对煤矸石质固土材料一系列的试验研究发现,该类材料在路基处理中耐久性优于水泥改良土,并在合适的碱激发剂下会形成强度更高的地聚合物;李光耀等[23]采用由水泥、矿渣、钢渣和脱硫石膏组成的GS固化剂对淤泥进行固化改良,结果显示:GS改良土早期强度及其增长速率皆优于水泥土,且成本更为低廉。
综上所述,将工业固体废弃物用作固化材料,是废弃资源再利用的可行方式,但就目前相关研而言,利用工业固废辅助水泥进行土体改良为主要趋势,纯工业固废对红砂岩渣土的固化改良极少。为此,现提出“以废治废,变废为宝”方案,以生石灰粉、粉煤灰、煅烧煤矸石粉、煤渣粉为原料,利用单掺和正交试验确定四种固体废弃物的最佳配比[24-25],以此对红砂岩渣土进行固化改良,再通过无侧限抗压强度试验及水稳定试验确定不同掺量下力学性能的提升效果,最后运用X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)、扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)测试技术手段,多角度分析改良土变化规律,研究多源固废复合固化剂的作用机理,为后续固化红砂岩渣土研究提供科学参考。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

1.1.1 红砂岩渣土

红砂岩渣土取自江西省赣州市蓉江新区过江隧道项目,通过筛分试验绘制颗粒级配曲线,如图1所示。试验所用土样为过2 mm筛的烘干土样,物理性质指标及化学组成成分分别见表1和表2。
图1 红砂岩渣土粒径分布曲线

Fig.1 Particle size distribution curve of red sandstone spoil

表1 红砂岩渣土基本物理特性指标

Table 1 Basic physical properties of red sandstone spoil

天然含水率/% 重度/(kN·m-3) 最大干密度/(kg·m-3) 最佳含水率/% 液限/% 塑限/% 塑性指数 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°)
15.6 18.5 2 060 9.3 28.8 14.2 14.6 125.9 38.1
表2 试验材料主要化学成分含量

Table 2 Chemical compositions of test materials

试验材料 化学成分含量/%
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3 其他
红砂岩渣土 46.71 25.85 6.26 5.09 4.13 1.39 1.19 1.25 8.13
粉煤灰 38.71 32.85 8.26 6.69 5.13 0.53 1.21 4.31 2.31
煅烧煤矸石 50.71 30.94 1.26 1.09 0.13 0.19 1.12 1.04 13.52
煤渣粉 50.61 20.85 5.26 6.21 4.13 0.39 1.62 1.35 9.58

1.1.2 生石灰

本文所用生石灰由江西赣州市方生建材有限公司生产,主要成分是氧化钙,研磨后粉末细度在100~200目(粒径0.075~0.15 mm)之间。

1.1.3 粉煤灰

本文所用粉煤灰购自江西鑫能粉煤灰有限公司,为三级灰。

1.1.4 煅烧煤矸石粉

本研究所用煅烧煤矸石出自龙南县日旺文兴煤矸石厂,研磨后细度在100~200目(粒径0.075~0.15 mm)之间。

1.1.5 煤渣粉

本研究中煤渣粉取自江西鑫能粉煤灰有限公司。属于烧结火山灰质材料,磨细后具有水硬性胶凝性质,研磨后细度在100~200目(粒径0.075~0.15 mm)之间。
各试验材料的主要化学成分由XRD检测,各试验材料主要化学成分含量如表2所示。

1.2 试样制备与养护

将所取自然土样破碎后过2 mm筛,置于105 ℃烘箱中烘干。根据试验设计含水率、材料掺量和试样尺寸称量所需材料,其与红砂岩渣土置于电动搅拌器,喷水达到天然含水率15.6%后搅拌7~8 min,最后置于密闭环境中焖料1 d;焖料结束后按《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[26]制作试样并养护7 d,试样尺寸为直径Φ为39.1 mm,高h为80 mm,每组制备3个平行样,养护完成后进行无侧限抗压强度试验及水稳定性试验。

1.3 试验方案

为确定多源固废对红砂岩渣土的最终加固效果,需选定最佳配合比进行后续试验,综合考虑试验材料及《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[27]和《土壤固化外加剂》(CJ/T 486—2015)[28]的相关要求,对红砂岩渣土进行不同材料的单掺试验,确定各材料掺量的合理范围后进行正交试验设计,选用L16(44)正交表,以生石灰掺量、粉煤灰掺量、煅烧煤矸石粉掺量、煤渣粉掺量等4个因素,每个因素选定4个水平,进行正交试验设计,正交试验因素水平如表3所示。
表3 正交试验因素水平

Table 3 Levels of orthogonal test factors

水平 生石灰掺
量A/%		 粉煤灰掺
量B/%		 煅烧煤矸石粉
掺量C/%		 煤渣粉掺
量D/%
1 2 2 2 3
2 3 4 4 5
3 4 6 6 7
4 5 8 8 9

2 多源固废最佳配合比确定

2.1 单掺材料性能影响

各材料掺量对红砂岩渣土强度影响如图2所示。由图2可知,各材料对红砂岩渣土强度皆有一定程度的强化作用,纯素土试样7 d无侧限抗压强度<100 kPa,当生石灰掺量从0%提升至5%,红砂岩渣土7 d无侧限抗压强度呈显著的先增后减趋势,且其强度峰值为原始土样的4倍多。这是由于红砂岩渣土存在遇水崩解特性,含水率对红砂岩渣土强度影响较大,生石灰遇水发生熟化反应,试样内部水分迅速消耗;同时,随着熟化反应产物的生成,两者共同作用下,强度得到有效提升。生石灰掺量达到临界值后,试样内部无法进行熟化反应,导致红砂岩渣土与生石灰仅以简单的压密关系共存,降低了红砂岩渣土的黏聚力。图2(a)中应力-应变关系曲线也印证了改良土样抗压强度随掺量的变化,随生石灰掺量增加,材料从峰值强度至残余应力阶段的应变区间逐渐缩短,表明材料达到极限承载能力后,破坏过程更加急促,体现出改良土脆性特征随掺量增加而逐渐加强的规律。
图2 各材料掺量与无侧限抗压强度关系及其轴向应变与应力关系

Fig.2 Curves of material content vs. unconfined compressive strength, and axial stress vs. axial strain

多源固废其他材料如粉煤灰、煅烧煤矸石粉、煤渣粉同样具备较高的吸水性能,亦适当降低了红砂岩渣土含水量,三者内部物相组成相似,在正常水环境下无法发生离子交换或胶凝反应等其他反应,所以图2(b)—图2(d)中三者曲线关系相近,红砂岩渣土7 d无侧限抗压强度随材料掺量的增加呈缓慢增长趋势,破坏方式由塑性破坏渐变为脆性破坏,并随固化材料掺量的增加,破坏模式转变愈发明显;三者中煤渣粉属于烧结火山灰质材料,磨细处理后具有水硬性胶凝性质,与水接触后能有效提升土体强度;同时所用煤渣粉中无定型SiO2、Al2O3和CaO含量较多,火山灰反应产出更多的胶结物质提升土体强度,所以相较于粉煤灰和煅烧煤矸石粉,煤渣粉对红砂岩渣土的强度提升更显著。

2.2 正交试验结果分析

各因素各水平组合变化下红砂岩渣土7 d无侧限抗压强度变化如表4所示,其中, k i ¯(i=1,2,3,4)为影响因素对应的第i个强度取值之和的均值,R为 k i ¯的最大值与最小值之差,代表各因素的极差值。试验中第10组红砂岩渣土7 d无侧限抗压强度最佳,达到了1.449 MPa,正交分析结果如表5所示。
表4 正交试验结果

Table 4 Orthogonal test results

试验号 影响因素 7 d无侧限
抗压强度/
MPa
生石灰
掺量
A/%		 粉煤灰
掺量
B/%		 煅烧煤矸
石粉掺量
C/%		 煤渣粉
掺量
D/%
1 2 2 2 3 0.994
2 2 4 4 5 1.108
3 2 6 6 7 1.280
4 2 8 8 9 1.292
5 3 2 4 7 1.215
6 3 4 2 9 1.203
7 3 6 8 3 1.130
8 3 8 6 5 1.387
9 4 2 6 9 1.303
10 4 4 8 7 1.449
11 4 6 2 5 1.117
12 4 8 4 3 1.225
13 5 2 8 5 0.904
14 5 4 6 3 0.763
15 5 6 4 9 0.605
16 5 8 2 7 0.766
$\overline{k_{1}}$ 1.169 1.104 1.02 1.028
$\overline{k_{2}}$ 1.234 1.131 1.038 1.129
$\overline{k_{3}}$ 1.274 1.033 1.183 1.178
$\overline{k_{4}}$ 0.827 1.168 1.194 1.101
R 0.447 0.135 0.174 0.150
表5 方差分析结果

Table 5 Results of variance analysis

因素 偏差平方和 自由度 均方 F临界值 显著性(P)
生石灰掺量A 0.673 3 0.224 53.842 0.004
粉煤灰掺量B 0.039 3 0.013 3.102 0.189
煅烧煤矸石
粉掺量C		 0.102 3 0.034 8.196 0.059
煤渣粉掺量D 0.047 3 0.016 3.750 0.153
误差 0.013 3 0.004
总计 0.874 15

2.2.1 极差分析

红砂岩渣土无侧限抗压强度极差分析如表4所示,由极差分析结果可知,各材料对红砂岩渣土影响程度排序:生石灰掺量A>煅烧煤矸石粉掺量C>煤渣粉掺量D>粉煤灰掺量B;结合表4和图3中各水平等级$\overline{k_{i}}$的变化可知,改良土7 d无侧限抗压强度受生石灰掺量的影响最显著,最优掺量水平为A3;其次为煅烧煤矸石粉掺量,改良土7 d无侧限抗压强度变化随其掺量的增加呈缓慢增大趋势,最佳掺量水平为C4;粉煤灰掺量、煤渣粉掺量对改良土7 d无侧限抗压强度变化的影响程度相近,均在一定范围内呈先增加后降低的趋势,且幅度较小,最优掺量水平分别为B4、D3,由此得出该正交试验的最佳水平组合为A3C4D3B4。在最佳水平组合下,相较于本试验中第10组试样达到的改良土7 d无侧限抗压强度峰值1.449 MPa,其强度仍会有一定的提升空间。
图3 养护7 d无侧限抗压强度

Fig.3 Unconfined compressive strength cured for 7 days

2.2.2 方差分析

通过SPSS软件得出方差分析结果中的各因素相伴概率P,生石灰掺量的相伴概率P<0.01,表明生石灰掺量对改良土7 d无侧限抗压强度的影响极为显著;相比之下,另外3因素的显著性水平均>0.05,表明影响不显著。煅烧煤矸石粉内黏土矿物的活性较高,相对于粉煤灰和煤渣粉,其水化作用在初期表现更为明显,其掺量的相伴概率P与0.05较为接近,可视为具有一定显著性。根据4因素的相伴概率大小:生石灰掺量<煅烧煤矸石粉掺量<煤渣粉掺量<粉煤灰掺量,表明4因素对无侧限抗压强度的影响程度与极差分析结果一致;且在SPSS软件分析的齐性子集比较中,各因素的最佳水平组合仍为A3C4D3B4。
除对改良土力学性能的影响分析外,经济指标同样是需要考虑的因素。在江西本地进行试验所需试验材料的价格为:生石灰320 元/t,粉煤灰160 元/t,煅烧煤矸石粉180 元/t,煤渣粉80 元/t,红砂岩渣土39.2元/t,生产第10组试样的价格仅需170元/t,其价格仅占江西某公司生产的480元/t万年青P.P32.5R水泥的1/3。综合强度提升、材料成本、环境保护等多方面因素后,确定多源固废最佳配合比,即生石灰掺量A∶粉煤灰掺量B∶煅烧煤矸石粉掺量C∶煤渣粉掺量D=4∶8∶8∶7。

3 多源固废改良土机理研究

为明确不同掺量下多源固废复合固化剂对红砂岩渣土的宏观性能提升效果,控制多源固废的掺量为干土质量的8%、10%、12%、14%(分别用G8、G10、G12、G14表示),同时记录3、7、14、28 d等试验龄期下无侧限抗压强度及7 d水稳定性试验结果。最后结合试验结果及微观特性,分析多源固废固化机理。

3.1 多源固废改良土宏观性能

3.1.1 无侧限抗压强度与多源固废掺量及龄期关系

图4为不同掺量下红砂岩改良土无侧限抗压强度随试验龄期的变化关系。由图4可知,掺入固化材料后试样的力学性能明显增强,7 d无侧限抗压强度由初始的0.1 MPa提升至1.2 MPa以上。对比4组试验,无侧限抗压强度均随养护龄期的增加而提升;同一掺量下,无侧限抗压强度的快速增长阶段在0~14 d内,增速随龄期增加逐渐降低,28 d养护龄期下最大强度达到了2.255 MPa。图中无侧限抗压强度增长过程分为3个阶段,同一个龄期段内,改良土的无侧限抗压强度随掺量的增大发生变化,其中3~7 d养护龄期的无侧限抗压强度增长速率最快,G8、G10、G12、G14在3~7 d的增长速率依次达到了56.79%、69.74%、75%、68.49%;7~14 d养护龄期的无侧限抗压强度增长速率依次为45.15%、40.66%、38.5%、32.69%,而14~28 d养护龄期的无侧限抗压强度增长速率相对缓慢,仅为20%左右。3个时间段均呈现出早期无侧限抗压强度增长迅速后期增长乏力的趋势,这是由于改良土内部熟化反应和火山灰反应的速度较快,在消耗内部含水量的同时,提供了碱性环境,进而刺激火山灰反应,从而生成一定量的水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物。这些水化产物及颗粒物质填充在土体孔隙中,增强了土颗粒之间界面的咬合力和支撑作用。当土颗粒之间发生错动时,阻力增大,变形受到抑制,从而提升了土体强度。然而,随着改良土内部各材料间的协同反应不断进行,材料中的碱激发剂和活性物质含量持续降低,且生成的水化产物进一步覆盖其他原料,无法继续支撑反应,所以后期强度的增长速度进一步降低。
图4 无侧限抗压强度与养护龄期关系

Fig.4 Relationship between unconfined compressive strength and curing age

此外,图4显示,各个龄期段内,随着多源固废掺量的增加,红砂岩改良土无侧限抗压强度呈先升后降的趋势。以龄期7 d改良土为例,G12无侧限抗压强度达到1.659 MPa,相较于未添加固化剂的红砂岩渣土试样,无侧限抗压强度增加了15倍。同时,G12较G8和G10无侧限抗压强度分别增长了36.88%和14.18%。当多源固废掺量达到14%时,强度由峰值降低至1.572 MPa,并且试样表面出现部分开裂和颗粒脱落的现象。这表明,当多源固废掺量在适当范围内增加时,试样内部的碱激发作用和火山灰反应等愈发激烈,强度逐渐提高;固化剂掺量过大时,试样的含水率为固定值,部分固化剂未能与红砂岩渣土中自由水充分结合,仅以粉末的状态存在于试样中,无法推动后续反应的进行,降低了颗粒之间的黏结力,导致表面颗粒脱落甚至开裂。
综上所述,多源固废的掺量为12%时,红砂岩渣土的无侧限抗压强度提升最为明显。

3.1.2 改良土水稳定性分析

相较于改良土试样,素土试样的水稳定性极差,5 min内试样表面发生崩解,表面颗粒脱落明显,0.5 h内试样完全崩解,水稳定系数为0。水稳定性系数与掺量的关系如图5所示。
图5 水稳定系数与掺量关系

Fig.5 Relationship between water stability coefficient and curing agent content

由图5可知,随着多源固废的加入,标准养护6 d浸水1 d无侧限抗压强度相对于标准养护7 d无侧限抗压强度降低,其中G8、G10、G12、G14的水稳定系数分别为53.47%、56.78%、59.37%、65.90%。上述试验结果表明,随着多源固废的加入,试样内部水化产物逐渐增多,与土颗粒之间的粘结加强,有效填充了土体孔隙,减少了土颗粒与自由水之间的接触面积,达到了增强水稳定性的效果。结合G12和G14之间的7 d无侧限抗压强度,12%掺量高于14%掺量改良土的抗压强度,但经过标养6 d浸水1 d后,G14试样抗压强度弱化程度低于G12试样,这是由于G14试样中残余的固化剂与自由水充分接触完成胶凝反应,不再以粉末形式简单地填充于试样中,生成的水化产物封堵了自由水进入途径,使得试样水稳定性进一步提升。由此可见,在一定范围内,试样水稳定性随固化剂掺量的增加逐步增强。综合考虑固化剂掺量和标养强度等因素的影响,多源固废掺量为12%时,红砂岩渣土的综合提升能力最高。

3.2 机理分析

为进一步研究多源固废改良红砂岩渣土的微观机理,对素土和G12配比的7 d标养试样进行XRD和SEM,对改良前后红砂岩渣土试样进行组分和形貌变化分析,再结合上述试验分析多源固废的固化机理。

3.2.1 微观特性

选取7 d龄期改良前后试样进行组分分析及扫描电镜分析,XRD图谱和SEM图像分别如图6和图7所示。
图6 红砂岩渣土及改良土XRD图谱

Fig.6 XRD patterns of red sandstone spoil before and after curing

图7 红砂岩渣土改良前后SEM图像

Fig.7 SEM images of red sandstone spoil before and after curing

由图6可知,改良后的红砂岩渣土试样石英波峰出现明显增长,方解石衍射峰略有增加,钠长石、钾长石、高岭石的含量有所降低。这一结果源于多源固废中的粉煤灰、煅烧煤矸石、煤渣粉与红砂岩渣土物相组成相似,拌合制样后其内部石英等物质含量大幅增加,与水混合试样内部生石灰发生熟化反应,提供大量的Ca2+和碱性环境。在Ca2+足量的情况下,试样内部红砂岩渣土及粉煤灰、煅烧煤矸石、煤渣粉3种固体废弃物提供的Na+和K+,会与其发生当量离子交换,由原来的钾钠土转变为钙土,在XRD图谱上表现为钾长石和钠长石含量降低。该过程也使土颗粒表面吸附水膜变薄,吸引更多土颗粒凝聚,从而初步形成土骨架;随后在碱性环境的刺激下,多源固废内部粉煤灰、煅烧煤矸石粉与煤渣粉中的无定型SiO2和Al2O3优先与Ca(OH)2发生火山灰反应,生成一定量水化产物巩固土骨架,进而提升土体稳定性,最终表现为部分物质成分被消耗。多余的Ca(OH)2则与环境中CO2反应生成碳酸钙晶体,进一步填充内部孔隙,但含量较少且易被水化产物包裹,不容易被检出。生石灰熟化反应虽能提供碱性环境,但由于熟化产物性质,所提供的碱性强度未达到预期,使—Si—O—和—Al—O—两者无法在适宜环境下断裂重组,导致多源固废中的煅烧煤矸石未能参与地质聚合反应,仅能以火山灰反应原料和自身微粒特性两种方式填充胶结土样。因此,在方差分析中粉煤灰、煅烧煤矸石、煤渣粉三者有效性均低于生石灰,最终降低了试样的强度提升效果。
由图7(a)可知,未添加固化剂的红砂岩渣土经过制备压实、静置养护等试验过程,但试样表面仍然存在较明显的大小裂缝及孔洞,土颗粒仅以简单的堆积聚集形式存在,通过边与边、边与面、边与角等接触方式排列,呈现出简单的压密结构,而非凝结成完整的整体,最终表现为力学性能不突出。
由图7(b)可知,经多源固废改良后,试样的整体结构呈现出显著的变化,相较于红砂岩渣土试样压实形成的松散絮凝结构,改良后的试样中土颗粒之间的孔隙被水化产物及未反应的固化材料包裹填充,试样表面的大孔隙和裂缝数量骤降,表面更为平整,形成了明显的团块结构,整体性显著增强。这是由于多源固废的添加使试样内部发生一系列物理化学反应:一方面碱性水环境推动反应持续进行,生成一定量水化产物,其中大部分胶凝物质包裹土颗粒,加强土颗粒之间连接形成胶结体,并随着养护龄期的增加形成的土体骨架愈发完整;另一方面部分胶凝物质和未参与反应的材料本身都具有良好的填充孔隙能力,在适量情况下,均能对红砂岩渣土产生改善效果,最终提升微观形态下试样的整体性。

3.2.2 固化机理

结合微观特性分析及以上试验验证可知,红砂岩渣土经固化剂改良后,内部发生了以生石灰为主的协同固化反应,该反应以生石灰为主要激发剂,粉煤灰、煅烧煤矸石及煤渣粉共同提供活性SiO2和Al2O3;在发生上述反应的同时,未参加反应的多源固废材料及部分水化产物会逐渐填充土体内部孔隙。二者共同加强土颗粒之间黏结,最终将亲水性的黏土矿物骨架改善为水稳性较强的土骨架,土颗粒组成和结构皆得到改善提升。最终推出相关反应如下:
(1)生石灰熟化反应
C a O + H 2 O → C a ( O H ) 2 　 。
降低土体中自由水含量并提供Ca2+和Ca(OH)2。
(2)离子交换反应
O K + N a + + C a 2 + → O C a 2 + + N a + + K + 　 。
O代表土体微粒,足量Ca2+与粉煤灰、煅烧煤矸石和煤渣粉所提供Na+和K+进行当量离子交换,降低吸附水膜厚度使土体黏结更为紧密。
(3)火山灰反应
n C a O H 2 + S i O 2 + m H 2 O → n C a O … S i O 2 … ( n + m ) H 2 O 　 ,
n C a O H 2 + A l 2 O 3 + m H 2 O → n C a O … A l 2 O 3 … ( n + m ) H 2 O 　 。
碱性环境下激发多源固废内部SiO2和Al2O3活性,产生大量水化凝胶。
(4)碳酸化反应
C a ( O H ) 2 + C O 2 → C a C O 3 + H 2 O 　 。
多余Ca(OH)2会与环境中CO2反应产生碳酸钙结晶加固土体。

4 结论

本文以红砂岩渣土为研究对象,开展利用多种固体废弃物改良渣土的室内试验,研究多源固废改良红砂岩渣土的可行性及固化机理,得出如下结论:
(1)综合考虑材料作用和经济成本等因素,得出多源固废复合固化剂内生石灰、粉煤灰、煅烧煤矸石、煤渣粉的最佳配比为4∶8∶8∶7,最佳掺量为12%。
(2)加入固化剂后,土体的力学性能和水稳定性得到有效改善,无侧限抗压强度随掺量的增加呈先增后降的趋势,最佳掺量下试样的7 d无侧限抗压强度达到1.659 MPa,28 d无侧限抗压强度达到2.255 MPa;水稳定性随掺量增加大幅提升,其中14%掺量的水稳定系数最优,达到65.90%。
(3)多源固废复合固化剂的反应机理以石灰为主要激发剂,经生石灰熟化后,产生的碱性环境促进土颗粒表面单价离子电离,降低结合水含量,促使更多土颗粒凝聚形成土骨架;同时,活化土样中黏土矿物的火山灰物质活性生成一定量胶凝物质,包裹填充土颗粒间隙,加强骨架结构,使土颗粒黏聚力显著提升,有效增强了红砂岩渣土的强度并降低其变形性能。

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