礦渣-粉煤灰地聚物固化淤泥力學(xué)性能和路用性能研究

楊振甲，何 猛，吳 楊，史鈺鵬，孫 亮，潘 竹,4，張 默,5

(1.中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700；2.天津市地基與基礎(chǔ)工程企業(yè)重點實驗室，天津 301700； 3.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；4.智慧基礎(chǔ)設(shè)施研究院，天津 300401； 5.天津市裝配式建筑與智能建造重點實驗室，天津 300401)

0 引 言

淤泥的含水率極高，強度幾乎為零[1]，常采用水泥、石灰等對淤泥進行固化提高其承載能力作為道路路基材料[2-6]。然而，這些傳統(tǒng)固化劑生產(chǎn)過程會直接排放出大量CO2,消耗大量的化石原料，不利于可持續(xù)發(fā)展[7]。作為硅鋁質(zhì)膠凝材料，地聚物合成溫度較低(常溫～90 ℃)，以多種工業(yè)固廢作為原料(如:粉煤灰、礦渣等)，相比硅酸鹽水泥，CO2排放量低45%～80%[8]。近年來，地聚物在軟弱土固化方面逐漸得到廣泛的研究。田亮等[9]通過礦渣地聚物生成片晶狀水化硅酸鈣等膠凝材料對鹽漬土進行固化，浸水后抗壓強度仍能保持80%以上，表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)性。黃煜鑌等[10]對流化床燃煤固硫灰固化淤泥土的路用性能進行了研究，通過力學(xué)性能、加州承載比(CBR)和水穩(wěn)性等性能分析，發(fā)現(xiàn)摻入20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))固硫灰能夠顯著提高淤泥土的力學(xué)性能和路用性能。喬京生等[11]通過動三軸試驗研究固化土在動荷載作用下的動力特性，發(fā)現(xiàn)20%摻量礦渣固化土的動強度、動彈性模量相較于軟土都有顯著提升。由于礦渣-粉煤灰二元體系是研究最為廣泛的地聚物體系，并且在工作性能、力學(xué)性能、耐久性等方面表現(xiàn)出較為優(yōu)異的性質(zhì)，越來越多的人利用礦渣-粉煤灰基地聚物進行軟弱土或問題土的固化研究。吳俊等[12]研究了礦渣-粉煤灰基地聚物固化淤泥質(zhì)黏土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)14 d的無側(cè)限抗壓強度(unconfined compressive strength, UCS)可達(dá)到1.5 MPa，表明礦渣-粉煤灰基地聚物可有效提高固化土的力學(xué)性能。孫秀麗等[13]采用堿激發(fā)粉煤灰和礦粉改性淤泥研究其力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)生成長石類和沸石類物相，形成致密的微觀結(jié)構(gòu)，顯著提高了無側(cè)限抗壓強度。Phetchuay等[14]利用粉煤灰和電石渣制備地聚物固化海相軟土，發(fā)現(xiàn)相同摻量的二元地聚物與水泥固化土的抗壓強度相當(dāng)，并且可以降低43%的碳排放。研究表明，地聚物在軟土中反應(yīng)，其主要產(chǎn)物N-A-S-H和C-A-S-H凝膠填充在孔隙結(jié)構(gòu)中，將松散的軟土顆粒膠結(jié)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，凝膠增強了土骨架之間的黏結(jié)力，有助于形成更密實的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高抗壓強度[15-18]。

然而，對于礦渣-粉煤灰地聚物固化淤泥的水穩(wěn)性、干縮、溫縮等耐久性及其與路用性能、力學(xué)性能、微觀固化機理間的相互關(guān)系欠缺全面的分析和評價。鑒于此，本文擬采用礦渣-粉煤灰基二元地聚物固化淤泥，確定地聚物配合比之后分析地聚物摻量、養(yǎng)護齡期對固化淤泥力學(xué)性能的影響，并對其抗壓強度、CBR、水穩(wěn)性、28 d干縮、溫縮等路用性能進行系統(tǒng)研究。采用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)等試驗對固化淤泥土生成物進行微觀表征，分析其對地聚物固化淤泥路用性能的影響，揭示固化機理，以期進一步優(yōu)化礦渣-粉煤灰基地聚物固化淤泥的材料設(shè)計和路用性能。

1 實 驗

1.1 試驗材料

圖1 淤泥粒徑分布曲線Fig.1 Particle diameter distribution curve of sludge

試驗所用淤泥為河北工業(yè)大學(xué)塘底淤泥，原狀土樣經(jīng)高溫(105 ℃)烘干，通過碎土機粉碎，并用篩分法分離各組粒徑，用于制備重塑土，顆粒級配如圖1所示。按照規(guī)范《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)對淤泥進行界限含水率、比重、顆粒分析等試驗，淤泥的基本物理性質(zhì)試驗數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)規(guī)范所給出的塑性圖，此類土屬于高液限有機質(zhì)淤泥，這類土體具有含水率高、有機質(zhì)含量高、承載力低、抗剪強度低等特點，在我國大部分的河道淤積中普遍存在[19]。

表1 淤泥基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical indicators of sludge

試驗所用礦渣和粉煤灰取自新疆某鋼鐵廠。試驗所用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。原料的化學(xué)組成如表2所示，礦渣和粉煤灰的XRD譜和SEM照片分別如圖2、圖3所示，結(jié)合XRF、XRD和SEM分析，礦渣和粉煤灰的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和MgO。試驗采用氫氧化鈉(NaOH)和硅酸鈉(Na2SiO3)作為堿激發(fā)劑，所有試劑均為分析純。試驗用水為自來水。

表2 原料的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of raw materials

圖2 礦渣和粉煤灰XRD譜Fig.2 XRD patterns of slag and fly ash

圖3 礦渣和粉煤灰SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of slag and fly ash

1.2 礦渣-粉煤灰基地聚物配合比設(shè)計

研究表明礦渣/粉煤灰1 ∶1(質(zhì)量比)混合時發(fā)生協(xié)同反應(yīng)，提高凝膠比例、縮短凝結(jié)時間，形成致密微觀結(jié)構(gòu)并提高抗壓強度[20-21]。本研究采用礦渣與粉煤灰質(zhì)量比為1，通過控制激發(fā)劑NaOH和Na2SiO3的摻量調(diào)整二元地聚物的Si/Al摩爾比和Na/Al摩爾比(以下均為摩爾比)，進一步優(yōu)化地聚物的力學(xué)性能，配合比如表3所示。凝結(jié)時間依據(jù)規(guī)范《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)測得。制備70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體砂漿試件并常溫養(yǎng)護7 d和28 d，按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJT 70—2009)規(guī)范測試無側(cè)限抗壓強度。每個配合比均制備3個平行試樣，取平均值作為測試結(jié)果。

表3 礦渣-粉煤灰基二元地聚物原材料配合比Table 3 Mix design of slag-fly ash binary wastes based geopolymer

1.3 礦渣-粉煤灰基地聚物固化淤泥試驗

利用確定的地聚物配合比對淤泥進行固化，地聚物的質(zhì)量摻量分別為15%、20%和25%，分別用SG15、SG20和SG25表示；并采用5%、8%和10%摻量的水泥固化淤泥進行比較，分別用SC5、SC8和SC10表示；為明確固化機理，采用未固化淤泥和只摻入堿激發(fā)劑的淤泥作為比較，分別用S和SA表示，各組配合比如表4所示。所有試驗組均進行無側(cè)限抗壓強度試驗，S、SC10、SG15、SG20、SG25試驗組進行水穩(wěn)性、CBR、干縮、溫縮、微觀試驗，SA試驗組進行微觀試驗。

表4 礦渣-粉煤灰基二元地聚物固化淤泥試驗Table 4 Mix design of slag-fly ash binary wastes based geopolymer stabilized sludge

1.3.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

土體無側(cè)限抗壓強度試驗參照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)規(guī)范，制備高度80 mm、直徑39.1 mm的圓柱體試樣，試樣與模具均密封放置在溫度為19～21 ℃，相對濕度不低于95%的養(yǎng)護室中，3 d后試樣脫模并繼續(xù)密封放置在養(yǎng)護室中直至滿足試驗齡期要求。其中擊實試驗如摻加固化材料則不做悶料處理。使用電子萬能試驗機進行抗壓強度試驗，加載速度為1 mm/min。

1.3.2 路用性能試驗

水穩(wěn)性試驗所用試樣制備、養(yǎng)護與無側(cè)限抗壓強度試驗一致。將養(yǎng)護28 d的試樣放入側(cè)面密封的裝置中，底面和頂面分別安放一塊透水石，再將整個裝置浸入水中0 d、1 d、2 d、3 d取出瀝水1 h后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，同時取出一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護對照組試樣測試其無側(cè)限抗壓強度。CBR試驗參照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)規(guī)范，采用重型擊實方法，將混合料擊實成標(biāo)準(zhǔn)直徑152 mm、高120 mm圓柱體試件。干縮試驗參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)規(guī)范，制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的小梁試件，密封后放置在溫度為18～22 ℃相對濕度不低于95%的養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d。采用失水率ε、干縮應(yīng)變ω和干縮系數(shù)αd三個指標(biāo)對淤泥的抗干縮性能進行評價，其中干縮系數(shù)是通過(αd=ε/ω)計算得到。溫縮試驗參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)規(guī)范，試樣制備、養(yǎng)護與干縮試驗相同。試驗溫度范圍為30～-30 ℃，每級溫差數(shù)值為10 ℃，降溫時間為20 min。

1.3.3 微觀分析

將試樣碎塊處理，在40 ℃烘箱中烘干2 d后用SEM和XRD微觀分析。XRD所用儀器為ZSX Primus 2型X射線衍射儀，掃描角度2θ范圍為5°～90°，步長6 (°)/min，在測試前將碎塊研磨成粉末過0.075 mm篩網(wǎng)。SEM所用儀器為JSM-7800F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，選用大小為1.5 mm左右的碎塊，在樣品表面噴金提高試樣表面導(dǎo)電性，放大倍數(shù)為500倍、1 000倍和2 000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦渣-粉煤灰基地聚物配合比設(shè)計

不同配合比的二元地聚物凈漿凝結(jié)時間和無側(cè)限抗壓強度如圖4所示。當(dāng)Na/Al為1.0，Si/Al大于2.6時，初凝時間均超過12 h，不能滿足施工對硬化時間的要求。在圖4(b)中Si/Al為2.5，隨著Na/Al的降低，凝結(jié)時間顯著延長。當(dāng)Na/Al為0.8，Si/Al為2.5時初凝時間為3 h，終凝時間為6 h，基本滿足施工要求。

在凝結(jié)時間得到改善的同時，相應(yīng)凈漿樣品的力學(xué)性能測試結(jié)果如圖4(c)、(d)所示。Na/Al為1.0時，礦渣-粉煤灰基二元地聚物的抗壓強度隨Si/Al的增加逐漸減小。隨著Na/Al逐漸減小，礦渣-粉煤灰基二元地聚物的抗壓強度也在逐漸降低，這是因為較高NaOH和Na2SiO3的濃度在早期地聚合作用中有利于形成地聚物凝膠，提高了膠凝材料的強度。Si/Al為2.5時，Na/Al為0.8和0.9的7 d和28 d強度較為接近，均分別處于12 MPa和24 MPa左右?？紤]抗壓強度和工作性能等因素，本研究接下來的試驗方案選用Si/Al為2.5、Na/Al為0.8的礦渣-粉煤灰基地聚物作為淤泥的主要固化劑進行研究。

圖4 不同Si/Al和Na/Al對礦渣-粉煤灰基地聚物凈漿凝結(jié)時間和無側(cè)限抗壓強度影響Fig.4 Influence of different Si/Al ratio and Na/Al ratio on setting time and unconfined compressive strength of slag-fly ash based geopolymer pastes

2.2 礦渣-粉煤灰基地聚物固化淤泥

2.2.1 無側(cè)限抗壓強度

圖5 無側(cè)限抗壓強度隨固化劑及齡期的變化Fig.5 Change of UCS with the content of stabilizers and curing time

固化淤泥土無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化如圖5所示。隨固化劑摻量的增加，固化淤泥的UCS不斷提高，固化劑的增加能夠促進反應(yīng)的進行，從而生產(chǎn)更多的膠凝產(chǎn)物，使得強度提高越顯著。固化淤泥強度的提高與固化機理中化學(xué)反應(yīng)(地質(zhì)聚合作用)有關(guān)，隨著養(yǎng)護齡期的不斷延長，地質(zhì)聚合作用進行得越充分，反應(yīng)所產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)越多，形成新的骨架支撐土體，從而使固化淤泥土的強度不斷提高。同時隨水泥摻量的增加，固化淤泥的UCS也在不斷提高，摻入10%的水泥表現(xiàn)出良好力學(xué)性能，后續(xù)試驗采用SC10試驗組作為基準(zhǔn)與地聚物固化淤泥進行對比。

隨著齡期的增長，固化淤泥的強度不斷增大，地聚物固化淤泥強度提升較為顯著，28 d強度相較于7 d強度提升了80%以上，均已經(jīng)滿足規(guī)范《公路路基設(shè)計規(guī)程》(JTGD 30—2015)對于高等級公路輕質(zhì)土路基(輕質(zhì)材料為重度小于細(xì)粒土的材料)28 d無側(cè)限抗壓強度要求(≥0.8 MPa)。而在只加入堿激發(fā)劑時，固化淤泥強度也略有提高，說明淤泥土顆粒中含有部分活性的硅鋁成分參與了部分化學(xué)反應(yīng)[22]，且硅酸鈉溶液作為膠凝材料，也對淤泥起到了一定的固化作用。

2.2.2 水穩(wěn)性

試樣的水穩(wěn)性如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時間延長，試樣含水量逐漸增大，原狀土含水率最高，水泥固化淤泥次之，地聚物固化淤泥最小。隨地聚物摻量的增加試樣浸泡后含水率逐漸減小?？梢钥吹诫S浸泡時間延長，UCS逐漸減小，減小的幅度越來越小。這主要是由于試樣是通過擊實的方式完成養(yǎng)護，處在非飽和狀態(tài)中，含水率與土體強度之間存在直接關(guān)聯(lián)，浸水之后含水率持續(xù)升高，UCS在不斷降低。摻入固化劑后，浸水試樣的強度損失率在降低，隨著摻量增大，損失率逐漸降低。從圖6中還可以看出，在浸泡1 d后，試樣的含水率增長最快，這也與UCS下降最快相吻合；同時摻入地聚物固化劑后水穩(wěn)性提高較為顯著，且穩(wěn)定性隨地聚物摻量增加而提高。

圖6 固化淤泥土水穩(wěn)性試驗結(jié)果Fig.6 Immersion stability test results of stabilized sludge

2.2.3 加州承載比

圖7(a)為在相同的擊實次數(shù)下，原狀土、摻入10%水泥固化淤泥和摻入15%地聚物固化淤泥的CBR值與含水率關(guān)系曲線，CBR值隨含水量增加先增加后降低。將固化劑加入淤泥混合后，化學(xué)反應(yīng)生成的膠凝產(chǎn)物填充在淤泥土體孔隙中，故增大固化淤泥土的CBR值，與UCS增加機理相同。圖7(b)為典型試樣的CBR值，摻入固化劑后試樣SC10的CBR值達(dá)到29.6%，試樣SG15的CBR值達(dá)到16.1%，相較于原狀土的1.1%提高均較為顯著。根據(jù)規(guī)范JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》對路基土CBR值要大于8%，固化淤泥的CBR值遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，滿足路用性能方面的要求。并且隨地聚物含量的增大，固化淤泥的CBR值大幅增加，說明淤泥土的承載力得到提升。

圖7 固化淤泥土CBR試驗結(jié)果Fig.7 CBR test results of stabilized sludge

2.2.4 抗干縮性

干縮系數(shù)是干縮應(yīng)變與失水率的比值，反映了材料在失水時產(chǎn)生的應(yīng)變，干縮系數(shù)越小，材料抗裂性能越好。圖8為固化淤泥土干縮試驗結(jié)果，固化淤泥在進行干縮試驗之后性能出現(xiàn)一定變化，其中失水率在初始階段逐步增大，隨后逐步放緩，在失水率數(shù)值達(dá)到最高值時逐步趨向穩(wěn)定；干縮應(yīng)變在1～15 d內(nèi)提升較快，隨后逐漸平緩，在失水率數(shù)值達(dá)到最高值時逐步趨向穩(wěn)定；干縮系數(shù)數(shù)值范圍為100×10-6～420×10-6，在初期階段出現(xiàn)較為明顯的變化，在20 d后逐漸趨向穩(wěn)定，在摻入固化劑之后，干縮系數(shù)顯著降低。通過試驗發(fā)現(xiàn)，在地聚物摻入比例提升之后，干縮系數(shù)逐步下降，摻入25%地聚物試樣干縮系數(shù)減小至201×10-6，減少了淤泥55%的干縮。研究中發(fā)現(xiàn)摻入6%水泥和8%土凝巖固化劑后，路基土的干縮系數(shù)降至330×10-6左右，可以減少18%以上的干縮[23]；在淤泥土中摻入6%高效減水土壤固化劑后，干縮系數(shù)降至260×10-6[24]。本研究中的礦渣-粉煤灰地聚物更大幅度地提高了淤泥的抗干縮性能，當(dāng)?shù)鼐畚飺搅扛哂?0%時，抗干縮性能比10%水泥固化的淤泥更優(yōu)異。

圖8 固化淤泥土干縮試驗結(jié)果Fig.8 Dry shrinkage test results of stabilized sludge

2.2.5 抗溫縮性

圖9 典型試樣溫縮系數(shù)隨溫度變化Fig.9 Temperature induced shrinkage coefficient of typical samples varies with temperature

抗凍性是路基土耐久性的重要性能之一，通過測試在-30～30 ℃溫度區(qū)間土體的收縮變化可以較好地表征其抗凍性。圖9為典型試樣溫縮系數(shù)隨溫度變化，從圖9可以看到當(dāng)溫度接近0 ℃時，溫縮系數(shù)最小，這是因為固化淤泥內(nèi)部還存在部分未結(jié)晶的自由水，這些自由水在結(jié)晶過程中出現(xiàn)膨脹，對收縮變形形成一定約束，并且溫縮變形的空間也在逐漸減小，因此溫縮系數(shù)至此達(dá)到最低值。溫度降低至0 ℃以下時，由于固化淤泥的熱脹冷縮效應(yīng)，整體在不斷縮小，溫縮系數(shù)逐漸增大。在0 ℃以上，隨著溫度提升，溫縮系數(shù)逐步提高，原因可能是內(nèi)部顆粒之間存在一定的空隙，隨溫度提升，內(nèi)部顆粒之間的空隙增大，溫縮系數(shù)逐漸提高[25]。摻入固化劑后淤泥土的溫縮系數(shù)明顯降低，且隨地聚物摻量的增加越來越低，說明地聚物的摻入能夠改善淤泥土的抗溫縮性，增強淤泥土的使用壽命。隨著地聚物摻量的增加，淤泥在-30～30 ℃內(nèi)的溫縮系數(shù)變化幅度越來越小，表明其能夠有效抵抗凍融循環(huán)過程中由于土顆粒破碎造成土顆粒間的間距增加[26]，固化后的淤泥具備更好的抗凍融循環(huán)特性。

通過無側(cè)限抗壓強度試驗可以看到摻入15%地聚物固化淤泥(SG15)已經(jīng)滿足規(guī)范對路基強度的要求，并且水穩(wěn)性、CBR和溫縮試驗中表現(xiàn)出良好的路用性能，但在干縮試驗中對淤泥固化表現(xiàn)不佳。而摻入20%地聚物固化淤泥實驗組(SG20)相較于SC10在力學(xué)性能和路用性能方面均有所提高，因此采用SG20固化淤泥是可行的，且經(jīng)濟效益也較高。

2.3 固化機理分析

2.3.1 礦物組分

圖10 典型試樣XRD譜Fig.10 XRD patterns of typical samples

圖10為典型樣品在28 d的XRD測試結(jié)晶相。在水泥固化淤泥(SC10)樣品中檢測到氫氧化鈣(CH)、水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)等水化產(chǎn)物。在單獨摻入堿激發(fā)劑的固化淤泥(SA)樣品中，堿激發(fā)劑有效地激發(fā)淤泥土顆粒的潛在活性組分，使玻璃狀結(jié)構(gòu)中的Si—O鍵和Al—O鍵斷裂，重新聚合形成地聚物凝膠。

與SA相比，地聚物固化淤泥(SG15)的高嶺石在2θ的30°處的峰值強度較低，表明更多的材料參與了地質(zhì)聚合反應(yīng)。并且，地聚物固化淤泥中有較大明顯的彌散“饅頭”狀寬峰，研究表明[27]“饅頭”峰為生成的地聚物膠凝體系中水化硅鋁酸鈉(N-A-S-H)、水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)和C-S-H凝膠產(chǎn)物的特征峰，這也表明了SG15中發(fā)生了更高程度的地質(zhì)聚合反應(yīng)，同時說明了它是一個多相參與的結(jié)構(gòu)。在2θ<45°時，觀察到有小峰，同樣也表明N-A-S-H的形成。在地聚物反應(yīng)初期可以大量生成C-S-H，能夠明顯地改善地聚物的性能，同時加速了原料中活性Si、A1的溶出，加速地聚物反應(yīng)的進行，并使凝膠結(jié)構(gòu)更加密實，因此C-S-H的出現(xiàn)既可以加速反應(yīng)，同時可以提高反應(yīng)產(chǎn)物的強度，無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果也證明了這點?？梢杂^察到石英的特征峰較為明顯，這是由于石英在堿激發(fā)的過程中活性很低，所以樣品中有大量石英存在。因此，更高的聚合程度使得地聚物固化淤泥具有更高的強度，同時凝膠固化作用也提高了淤泥的抗干縮和溫縮性能。

2.3.2 微觀形貌

圖11為養(yǎng)護28 d典型試樣放大2 000倍后的SEM照片。從圖11(a)可以看出，未處理的淤泥樣品中存在大量不規(guī)則片狀的非晶團聚體，并且微觀結(jié)構(gòu)粗糙，顆粒分散且粘結(jié)松散。圖11(b)中分散的顆粒比未處理的顆粒粘結(jié)較緊密，有較多的填充物填充在顆粒的縫隙之間，表明激發(fā)劑能有效激發(fā)淤泥中潛在活性組分形成凝膠產(chǎn)物膠結(jié)土顆粒，但由于凝膠產(chǎn)物較少，土顆粒和凝膠之間并未較好膠結(jié)，不能有效提高抗壓強度。在SC10樣品(見圖11(c))上，可以觀察到一些水化產(chǎn)物的生成。淤泥經(jīng)水泥穩(wěn)定后，形成C-S-H和C-A-H凝膠，這些水化產(chǎn)物填充在土顆粒的空隙中，從而提高了固化淤泥的強度[28]。圖11(d)～(f)為二元地聚物穩(wěn)定淤泥的微觀結(jié)構(gòu)。在粉煤灰顆粒表面可以觀察到凝膠產(chǎn)物，且所形成的凝膠產(chǎn)物將片狀土顆粒和礦渣、粉煤灰包裹起來，凝膠產(chǎn)物和土顆粒層層重疊相互交聯(lián)形成整體空間結(jié)構(gòu)，這表明隨著時間的推移，礦渣、粉煤灰顆粒中的活性二氧化硅和氧化鋁通過堿性溶液溶解的方式浸出表面，從而促進地質(zhì)聚合反應(yīng)的進行[29-30]。并且隨地聚物摻量的增加，凝膠產(chǎn)物和土顆粒充分膠結(jié)形成骨架提高密實度，在荷載作用下凝膠與土顆粒共同受力提高固化土的抗壓強度。結(jié)合XRD的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，地聚物固化淤泥強度的提高是由于形成了地聚物凝膠，地聚物凝膠增強了土顆粒之間的膠結(jié)并且填充了孔隙，降低了固化土的吸水率以及隨溫度變形，提高了水穩(wěn)性、CBR、抗干縮和溫縮性能，這與其他膠凝材料(如：水泥、石灰等)的固化機理類似[31-33]。

圖11 固化淤泥的SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM images of stabilized sludge

3 結(jié) 論

針對礦渣-粉煤灰基地聚物的力學(xué)特性、路用性能以及微觀機理，本文開展了系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，主要結(jié)論如下：

(1)隨著Si/Al的增大和Na/Al的減小，堿激發(fā)膠凝材料的凝結(jié)時間逐漸延長。隨著Si/Al的減小和養(yǎng)護齡期的延長，堿激發(fā)膠凝材料的強度提高。Na/Al為1.0、Si/Al為2.5時，膠凝材料的強度最大，7 d和28 d強度分別為14 MPa和27 MPa。考慮膠凝材料的強度、經(jīng)濟性和工作性能，試驗選用Si/Al為2.5、Na/Al為0.8的礦渣-粉煤灰基二元地聚物作為淤泥的主要固化劑。

(2)礦渣-粉煤灰基地聚物能夠有效提高固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強度，隨著齡期延長和地聚物摻量增加，強度提高顯著。摻入15%地聚物的固化淤泥28 d強度已滿足規(guī)范對高等級輕質(zhì)土路基28 d強度大于0.8 MPa的要求，為提高固化土的抗干縮性能，選用摻入20%地聚物為最優(yōu)固化劑。

(3)在地聚物固化淤泥中，堿激發(fā)劑有效地激發(fā)礦渣-粉煤灰顆粒的潛在活性組分，使玻璃狀結(jié)構(gòu)中的Si—O鍵和Al—O鍵斷裂，重新聚合形成地聚合物凝膠，通過SEM分析發(fā)現(xiàn)N-A-S-H、C-A-S-H和C-S-H凝膠的形成，表明地聚物固化淤泥強度的提高主要是由于地質(zhì)聚合作用形成的凝膠生成并填充在土顆粒的孔隙中。

礦渣-粉煤灰固廢地聚物固化淤泥不僅能顯著提升淤泥力學(xué)性能和路用性能，并且能夠降低水泥資源消耗以及CO2排放，表明地聚物改善淤泥土在性能和環(huán)境等方面具有可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢。