粉煤灰-矿渣-赤泥基胶凝材料固化土强度和微观机理研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0758

摘要/Abstract

摘要：

为解决路基加固工程中传统胶凝材料造价高、生产过程排碳量高的问题，并实现工业固废资源化和高值化利用，以氢氧化钠作为碱激发剂，制备粉煤灰-矿渣-赤泥三元复合胶凝材料，通过无侧限抗压强度（UCS）试验，研究固废基胶凝材料配合比和氢氧化钠掺量对固化土7 d UCS的影响，并利用SPSS软件对UCS结果进行相关性分析，结合SEM-EDS和XRD手段探讨固废基胶凝材料对土体的固化作用机理。结果表明：不同配合比的固化土试样呈现出劈裂破坏、剪切破坏及拉剪复合破坏三种类型；固废基原材料和碱激发剂间的交互作用对固化土UCS有显著影响，当粉煤灰、矿渣、赤泥质量比为1∶3∶1时，固化土7 d UCS最高，可达1.795 MPa；氢氧化钠掺量与UCS之间存在显著的正相关性，相关系数达到0.76；随着固化土内部水化反应的进行，大量生成的水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶相包裹土颗粒并填充颗粒间孔隙，从而显著提升固化土的强度；随着氢氧化钠掺量的增加，其对水化反应的促进作用更为显著，固化土内部微孔和小孔之和的占比逐渐增加，中孔和大孔之和的占比则逐渐降低。

关键词: 固废基胶凝材料, 固化土, 无侧限抗压强度, 相关性分析, 微观形貌

Abstract:

In order to solve the problems of high cost and high carbon emission in the production process of traditional cementitious materials in subgrade reinforcement engineering， and to realize the recycling and high-value utilization of industrial solid waste， sodium hydroxide was used as alkali activator to prepare fly ash-slag-red mud ternary composite cementitious materials. Through the unconfined compressive strength （ UCS ） test， the effect of mix ratio of solid waste-based cementitious materials and sodium hydroxide content on the 7 d UCS of solidified soil was studied. The correlation analysis of UCS results was carried out by SPSS software， and the solidification mechanism of solid waste-based cementitious materials on soil was discussed by means of SEM-EDS and XRD. The results show that the solidified soil specimens with different mix ratios show three types of splitting failure， shear failure and tensile-shear composite failure. The interaction between solid waste-based raw materials and alkali activator has a significant effect on the UCS of solidified soil. When the mass ratio of fly ash， slag， and red mud is 1∶3∶1， the 7 d UCS of solidified soil is the highest， up to 1.795 MPa. There is a significant positive correlation between sodium hydroxide content and UCS， and the correlation coefficient reaches 0.76. With the hydration reaction in the solidified soil， a large number of hydrated calcium silicate and hydrated calcium aluminate gel phases is generated to wrap the soil particles and fill the pores between the particles， thereby significantly improving the strength of solidified soil. With the increase of sodium hydroxide content， its promotion effect on the hydration reaction is more significant. The proportion of the sum of micropores and small pores in solidified soil gradually increases， and the proportion of the sum of mesopores and macropores gradually decreases.

Key words: solid waste-based cementitious material, solidified soil, unconfined compressive strength, correlation analysis, microscopic morphology

中图分类号:

TU447

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图/表 14

表1 原状土物理性能指标

Table 1 Physical performance index of undisturbed soil

Parameter	Value
Natural water content/%	26.2
Specific gravity of soil particle	2.7
Maximum dry density/（g·cm^-3）	1.7
Liquid limit/%	42.5
Plastic limit/%	19.3
Plasticity index	23.2
Optimum moisture content/%	18.0

图1 原状土颗粒级配曲线

Fig.1 Granular gradation curve of undisturbed soil

表2 粉煤灰、矿渣和赤泥的主要化学成分

Table 2 Main chemical composition of fly ash， slag and red mud

Matreial	Mass fraction/%
Matreial	CaO	SiO₂	SO₃	Al₂O₃
Fly ash	5.6	45.1	2.1	24.2
Slag	39.3	33.1	1.9	15.0
Red mud	1.7	15.1	0.2	26.8

图2 试验原材料的宏观形貌

Fig.2 Macro-morphology of test raw materials

表3 固化土试样配合比

Table 3 Mix proportion of solidified soil specimen

Specimen No.	Mass fraction/%			NaOH content/%
Specimen No.	Fly ash	Slag	Red mud	NaOH content/%
15FA-55SL-30RM	15	55	30	0，4，8
15FA-60SL-25RM	15	60	25	0，4，8
20FA-50SL-30RM	20	50	30	0，4，8
20FA-55SL-25RM	20	55	25	0，4，8
20FA-60SL-20RM	20	60	20	0，4，8
25FA-45SL-30RM	25	45	30	0，4，8
25FA-50SL-25RM	25	50	25	0，4，8
25FA-55SL-20RM	25	55	20	0，4，8
25FA-60SL-15RM	25	60	15	0，4，8
30FA-45SL-25RM	30	45	25	0，4，8
30FA-50SL-20RM	30	50	20	0，4，8
30FA-55SL-15RM	30	55	15	0，4，8
30FA-60SL-10RM	30	60	10	0，4，8

图3 20FA-55SL-15RM固化土试样

Fig.3 20FA-55SL-15RM solidified soil specimen

图4 固化土试样的应力-应变曲线

Fig. 4 Stress-strain curves of solidified soil specimen

图5 不同配合比固化土试样的7 d UCS

Fig.5 7 d UCS of solidified soil specimen with various mix proportion

图6 相关系数矩阵图

Fig.6 Correlation coefficient matrix diagram

图7 20FA-60SL-20RM试样的T2 谱

Fig.7 T2 spectra of 20FA-60SL-20RM specimen

图8 20FA-60SL-20RM试样孔径分布

Fig.8 Pore size distribution of 20FA-60SL-20RM specimen

图9 不同放大倍数下20FA-60SL-20RM固化土试样的SEM照片

Fig.9 SEM images of 20FA-60SL-20RM solidified soil specimen under various magnifications

图10 20FA-60SL-20RM固化土试样的SEM照片和EDS点扫图

Fig.10 SEM image and EDS point scan diagram of 20FA-60SL-20RM solidified soil specimen

图11 20FA-60SL-20RM固化土试样的XRD谱

Fig.11 XRD pattern of 20FA-60SL-20RM solidified soil specimen

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