工业废渣基固化剂加固软土路基技术及施工应用.pdf
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1、 建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.20232028工业废渣基固化剂加固软土路基技术及施工应用王安辉1,2,黄展魏1,2,张艳芳1,2,俞海泉1,2,倪娇娇1,2(1.中建安装集团南京建设有限公司,210046,南京;2.中建安装集团有限公司,210023,南京)摘要:为了研究工业废渣基固化剂对软土路基的加固效果,选取南京典型软土制备固化土试件,分别进行了UCS、XRD、TG/DTG、SEM以及XCT等宏观和微观特性试验,并开展了固化软土路基现场施工应用。结果表明:废渣基固化剂可有效提高
2、软土的强度,固化土强度与养护龄期呈指数型函数增长关系,废渣基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是固化土强度提高的内在机理。现场应用效果表明:固化剂掺量为 4%时,固化土强度可达到路基设计要求,并且固化土 7 d 和 28 d 强度明显高于 6%灰土强度。采用废渣基固化剂对软土路基进行原位加固,不仅可降低筑路成本,而且可消耗大量工业废渣,经济效益和环境效益显著。关键词:废渣基固化剂;软土;路基;施工应用中图分类号:TU 447 文献标志码:A 文章编号:1000-4726(2023)16-2028-04TECHNOLOGY AND CONSTRUCTION AP
3、PLICATION OF INDUSTRIAL WASTE SLAG BASE SOLIDIFYING AGENT TO STRENGTHEN SOFT SUBGRADE SOILWANG An-hui1,2,HUANG Zhan-wei1,2,ZHANG Yan-fang1,2,YU Hai-quan1,2,NI Jiao-jiao1,2(1.China Construction Industrial&Energy Engineering Group Nanjing Construction Co.,Ltd.,210046,Nanjing,China;2.China Construction
4、 Industrial&Energy Engineering Group Co.,Ltd.,210023,Nanjing,China)Abstract:To study the reinforcement effect of industrial waste slag base solidifying agent on soft subgrade soil,the typical soft soil from Nanjing was selected to prepare the solidified soil samples.The macroscopic and microscopic c
5、haracteristics tests,such as UCS,XRD,TG/DTG,SEM,and X-CT were conducted respectively,and the field construction application of solidified soft subgrade soil was also carried out.The results show that the solidifying agent can effectively improve the strength of soft soil,and the strength of solidifi
6、ed soil has an exponential function increasing relationship with curing age.The direct hydration reaction of cementified material in the solidifying agent and the secondary hydration reaction of blast furnace slag under alkali excitation are the internal mechanism of the strength improvement of soft
7、 soil.Field application results show that when the incorporation of curing agent is 4%,the strength of solidified soil may reached the subgrade design requirement,and the strength at 7 d and 28 d are clearly higher than that of 6%lime soil.Using slag base solidifying agent to strengthen soft subgrad
8、e soil can not only reduce the cost of road construction,but also consume a lot of industrial waste slag,which has significant economic and environmental benefits.Keywords:waste slag base solidifying agent;soft soil;subgrade;construction application软土路基具有含水率高、透水性差、粘粒含量高、排水固结慢、压缩性大、承载力低等特点,经上部荷载作用后,容
9、易发生变形、沉降,导致道路开裂、错台等12。因此,为了延长道路使用寿命,降低道路养护成本,必须对软土路基进行加固处理。目前,常用的软土路基处理方式包括换填、抛石挤淤、土工加筋等,但这些处理方式具有造价高、技术要求高、工期长等缺点,无法满足日益增长的道路施工技术要求,因此急需一种施工简便、造价低、绿色低碳的软土路基加固技术34。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
10、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收稿日期:20230621基金项目:住房和城乡建设部科学技术计划项目(2021-K-114);江苏省建设系统科技项目(2021ZD53)作者简介:王安辉(1989),男,河南商丘人,高级工程师,博士,e-mail:.2023 年 8 月2029受关注67。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67。国内外学者围绕碱激发固化剂加固软土开展了较多研究810,但大部分
11、研究仍局限于室内试验,关于软土路基加固现场应用研究较少。为此,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(XCT)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
12、高炉矿渣、磷石膏和42.5 级普通硅酸盐水泥。水泥、高炉矿渣和磷石膏主要化学组成见表 2。表 1 软土的主要物理指标含水率液限塑限塑性指数比重最大干密度/(g/cm3)粘粒含量有机质含量pH50%37.2%22.9%14.32.711.8246%1.72%6.51.2 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=271(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 202、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/
13、DTG 研究固化土的矿物组成和数量,并利用 SEM 和 XCT 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 314 d内无侧限抗压强度迅速增长,而养护龄期 1428 d 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
14、度贡献较大。2.42.22.01.81.61.41.2无侧限抗压强度/MPa0 5 10 15 20 25 30y=1.708exp(x/8.264)+2.473 R2=0.995养护龄期/d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
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