碱矿渣固化土性能试验研究.pdf
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1、新型建筑材料圆园23援100引言近年来,随着经济建设迅速发展以及相应城市规模的不断扩大,各行业对于水泥熟料的需求量逐步增大。2020 年,水泥行业产生的碳排放量占全国总碳排放量的 13%左右,要如期实现碳达峰、碳中和的目标,水泥行业的低碳转型迫在眉睫1。目前,围海造陆已成为沿海海岸工程建设和海岸开发工程中的重要组成部分2-3。最新调查发现,我国海岸带有 1/4 属于围海造田的理想之地4。传统的天然土壤孔隙率高、水稳定性差、强度低,不能直接作为城市建设、桥梁工程、道路工程等工程的填筑材料5。一般情况下,采用水泥、石灰等传统材料固化土壤,可以改善施工强度,缓解日益迫切的建筑用土需求6-8。然而水泥
2、、石灰等固化剂在生产过程会释放大量二氧化碳,对环境造成难以弥补的破坏。因此,响应“双碳”目标,逐步淘汰水泥、石灰等传统固化剂,开发适应经济社会可持续发展的资源节约型、环境友好型固化剂具有重要意义9。高炉矿渣是冶炼生铁时排出的废渣,平均每炼 1 t 生铁会产生 0.30.9 t 矿渣,这些尾渣堆存处理不仅占用了大量的土地,而且会引起灰尘污染,给当地环保投入带来了巨大压力碱矿渣固化土性能试验研究陆凤华1,杨国辉2,王涛2,王山1,蒋林华2(1.江苏盐城水利建设有限公司,江苏 盐城224014;2.河海大学 力学与材料学院,江苏 南京210098)摘要:研究了碱矿渣固化土的强度、抗氯离子侵蚀和硫酸盐
3、侵蚀性能,通过 EIS、孔隙率、XRD 和 SEM 分析了碱矿渣固化土的微观特征和作用机理,并与水泥固化土进行了对比。结果表明:碱当量为 7%时碱矿渣固化效果最佳;碱矿渣固化土早期强度发展较慢,而后期发展较快,远高于水泥固化土的强度;随着碱矿渣掺量的增加,碱矿渣固化土的抗氯离子和硫酸根离子侵蚀性能远高于水泥固化土;碱矿渣固化土的阻抗随着龄期的延长逐渐增大,但随碱矿渣掺量的增加先增大后减小;碱矿渣与土体发生化学反应生成 C-S-H 和 C-A-H 等水化产物,孔隙率减小,耐久性提高。关键词:碱矿渣;固化土;性能;电化学阻抗谱;微观特征中图分类号:TU472.4文献标识码:A文章编号:1001-7
4、02X(2023)10-0126-06Study on the properties of alkali-activated slag stabilized soilLU Fenghua1,YANG Guohui2,WANG Tao2,WANG Shan1,JIANG Linhua2(1.Jiangsu Yancheng Hydraulic Engineering Construction Co.Ltd.,Yancheng 224014,China;2.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 210098,Chin
5、a)Abstract:The strength,resistance to chloride and sulfate attack of alkali-activated slag solidified soil were studied.And themicroscopic characteristics and action mechanism of alkali-activated slag solidified soil were analyzed by electrochemical impedancespectroscopy,porosity,XRD and SEM,and com
6、pared with cement solidified soil.The results show that alkali-activated slag has thebest stabilization effect when the alkali equivalent is 7%.The strength of alkali-activated slag solidified soil develops slowly in theearly stage and rapidly in the later stage,which is much higher than that of cem
7、ent solidified soil.With the increase of alkali-ac原tivated slag content,the corrosion resistance of alkali-activated slag solidified soil to chloride ion and sulfate ion is much higherthan that of cement solidified soil.The impedance of alkali-activated slag solidified soil increases gradually with
8、the increase ofage,but it increases first and then decreases with the increase of dosage.The hydration products such as C-S-H and C-A-H canbe formed by chemical reaction between alkali-activated slag and soil,which reduce the porosity and improve the durability.Key words:alkali-activated slag,the st
9、abilized soil,performance,electrochemical impedance spectroscopy,microscopic character原istics收稿日期:2022-12-06;修订日期:2023-09-21作者简介:陆凤华,男,1976 年生,高级工程师,E-mail:。通讯作者:蒋林华,教授,E-mail:。中国科技核心期刊126晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂10-13。高炉矿渣为多孔结构,含有较高的玻璃相,其化学成分与普通硅酸盐水泥较为相似,主要为 CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Mn
10、O 等。在碱性物质的激发下,能充分激发矿渣的活性,产生强度,相比普通硅酸盐水泥,具有高强度、低水灰比、硬化快、早期强度高、优良的孔结构、抗化学侵蚀性强、水化热低等优点14-15。由此可见,将其应用在土壤固化领域,不仅能充分利用矿渣这一工业废弃物,同时也可减少水泥等的生产对生态环境的破坏和对能源的大量消耗,对于实现碳达峰、碳中和的目标具有相当大的意义。为了减少碳排放,拓展碱矿渣的应用领域,本文以碱矿渣替代水泥作为固化剂对土壤进行固化处理,研究了碱矿渣固化土的强度、抗氯离子侵蚀和硫酸盐侵蚀性能,通过 EIS、孔隙率、XRD 和SEM 分析了碱矿渣固化土的微观特征和作用机理,并与水泥为固化剂的水泥固
11、化土进行对比,为碱矿渣固化土的应用提供参考。1试验1.1原材料水泥:中国水泥厂有限公司,P C42.5 水泥,符合 GB1752020 通用硅酸盐水泥 要求,其主要性能见表 1。表 1水泥的主要性能土壤:安徽滁州水库回填土,具体性质见表 2。表 2土壤的性质矿渣:南京瑞迪高新技术公司,质量系数 K=1.7(跃1.0),碱度系数 Mo=1.03(跃1.0),活度系数 Mn=0.366(跃0.12),具体化学成分见表 3。表 3矿渣化学成分%水玻璃:南京源缘达工贸有限公司,模数 3.2,密度 1.32g/cm3,固含量 35.1%,Na2O 含量 8.7%,SiO2含量 26.4%。氢氧化钠、氯化
12、钠、无水乙醇、硝酸银、氢氧化钾等:均为分析纯。1.2试验方法1.2.1碱矿渣胶凝材料试样制备为探究碱矿渣的最佳碱当量,选择碱矿渣胶凝材料进行试验。选取水玻璃的模数为 3.2,通过 NaOH 调成模数为 1.5的Na2O 1.5SiO2,静置一段时间,待 NaOH 全部溶解并且放热完全冷却后待用,碱矿渣胶凝材料试样具体配合比为:m(Na2O 1.5SiO2)颐m(水)颐m(砂)颐m(矿渣)=(22.07、33.10、44.14、55.17、66.20、77.24、88.27)颐250颐1350颐450,此时碱当量分别为 2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%。1.2.2固化土试样制备土样烘干后
13、进行粉碎过 2 mm 筛,在过筛后的干土中加入相应质量的水和固化剂(碱矿渣或水泥),搅拌 10 min 后抽真空 30 min,以便于消除气泡,然后将混合物倒入模具中制作试样,室温下养护 24 h 脱模,为防止水分蒸发,采用保鲜膜包裹试样并移至标准养护室温度为(20依2)益,相对湿度95%养护。固化土配合比如表 4 所示。表 4固化土配合比1.2.3强度按照 GB/T 176712021 水泥胶砂强度检验方法(ISO法)制作 40 mm伊40 mm伊160 mm 的棱柱体试块,每组 3 块,在标准条件下养护至规定龄期,取出试件将表面及承压面擦干净,放置在强度测试仪上进行测试。其中抗折强度测试以
14、(20依5)N/s 的速率均匀施加荷载,抗压强度测试以(1200依100)N/s 的速率均匀施加荷载。1.2.4抗氯离子、硫酸盐侵蚀采用浸泡方法进行试验,按照 SL 3522006 水工混凝土试验规程 制作 70.7 mm伊70.7 mm伊70.7 mm 的立方体试块,每组 3 块,标准条件下养护 28 d,然后分别浸泡在 5%NaCl 溶液和 5%Na2SO4溶液,浸泡时间为 14、28、60 d,待试块表面阴干后,进行抗压强度测试。浸泡过程中保持 pH 值为7依1,溶液温度为(20依2)益,每周更换 1 次侵蚀溶液。1.2.5孔隙率采用真空饱水干燥法测试孔隙率,制作 40 mm伊40 mm
15、伊160 mm 的棱柱体试块标准养护至 28 d,将其放入真空干燥箱中 40 益烘干 24 h,然后将其放入真空饱水仪中保持 24 h,保证其充分饱水,分别测得干燥和饱水状态下的试样质量,样品安定性标准稠度用水量/%凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝3 d3 d28 d合格26.82303104.28.721.246.3终凝28 d含水量/%孔隙比天然重度/(kN/m3)密度/(g/cm3)饱和度/%塑性指数液性指数20.10.61118 5002.728012.60.15SiO2Fe2O3Al2O3TiO2CaOMgO其他33.272.4712.170.4839.981.3
16、83.58碱矿渣/%水泥/%土/%含水率/%100100501501005020010050010100500151005002010050陆凤华,等:碱矿渣固化土性能试验研究127新型建筑材料圆园23援10体积采用排液法测量。孔隙率由式(1)计算。p抑ms-md籽w Vc伊100%(1)式中:md完全干燥状态下的样品质量,g;ms完全饱水状态下的样品质量,g;籽w水的密度,g/cm3;Vc样品体积,cm3。1.2.6电化学阻抗谱由 PARSTAT 2273 型电化学工作站 PowerSine 模块中Single Sine 标准模板进行电化学阻抗谱测试。电化学阻抗测试扫描频率为 10 mHz耀
17、100 kHz,阻抗测试信号采用幅值为 5mV 的正弦交流电压,扫描时取点 50 个。用 ZSimpWin 软件对电化学阻抗谱测试数据进行等效电路模拟。1.2.7XRD 分析采用日本理学 D/Maxr-B 型 X 射线衍射仪测定仪测试碱矿渣固化土体系试样晶相水化产物,工作参数为 CuKa 靶,管电压 40 kV,管电流 100 mA,2兹 扫描范围 5毅60毅。1.2.8SEM 分析采用日本日立公司 HITACHI 的 S-3400N 型电镜观察碱矿渣固化土体系试样水化产物的微观形貌。工作参数为 20kV 高真空,真空度 8伊10-5。2试验结果与分析2.1力学性能分析2.1.1碱矿渣胶凝材料
18、的强度表 5 为不同碱当量时碱矿渣胶凝材料的强度。表 5不同碱当量时碱矿渣胶凝材料的强度由表 5 可见,当碱当量为 2%时,对矿渣的激发能力不足,随着碱当量的增加,溶液的碱度也逐渐提高至趋于饱和,溶液 pH 值不变。溶液的碱度决定了矿渣的解体速度和水化速度,碱度较低时,碱矿渣胶凝材料的解体速度和水化速度受到抑制,随着碱当量的增加,其 7 d 和 28 d 的抗压和抗折强度有了一定的提高。但是当碱当量超过 7%时,其抗压和抗折强度有所降低,这是由于碱的塑化作用会影响到碱激发效果,导致碱矿渣固化土水化产物的形成受到阻碍,从而影响后期强度的形成。因此,随着碱当量的逐渐增加,碱矿渣胶凝材料的抗压和抗折
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