高炉矿渣基流态固化土工程性能分析

Analysis of Engineering Properties of Fluidized Cemented Soil Based on Blast Furnace Slag

摘要: 通过高炉矿渣基固化施工现场的弃土，制备流态固化土，以满足狭窄区域回填的需要。为改善流态固化土的力学性能，探究了高炉矿渣与水泥之间的掺配比。并进一步分析同一固化剂掺量下，不同水固比对流态固化土的流值、泌水率、强度的影响。流值随水固比的增大而显著增大。泌水率均满足材料性能要求，且给出泌水率与流值的关系。强度随着水固比的增大先增大后减小，当水固比0.48，强度最佳。

Abstract: Flowable solidified soil was prepared from the discarded soil at the construction site of a blast furnace slag-based solidification to meet the needs of backfilling in narrow areas. To improve the mechanical properties of the flowable solidified soil, the blend ratio between blast furnace slag and cement was explored. Furthermore, the effects of different water-to-solid ratios on the flow value, permeability rate, and strength of the flowable solidified soil under the same amount of solidifying agent were analyzed. The flow value significantly increased with the increase of the water-to-solid ratio. The permeability rates all met the material performance requirements, and the relationship between permeability rate and flow value was given. The strength first increased and then decreased with the increase of the water-to-solid ratio, and when the water-to-solid ratio was 0.48, the strength was optimal.

1. 引言

随着我国现代化建设的推进，工程弃土堆积问题日益显著。据统计我国每年建筑建设和拆除、地下综合管廊、既有道路改扩建、河道清淤等问题产生的工程弃土大约有30 × 10⁸ t [1]。工程弃土占用土地面积，加剧环境污染。实现弃土的可持续化利用，刻不容缓[2] [3]。当前，流态固化土可以充分利用就地开挖的工程弃土，将堆积的弃土变成高质量的回填材料，解决弃土堆积和扬尘污染等问题[4]-[6]。刘帅等[7]基于流态固化土的性能特点，得出材料具有施工高效便捷、生态环保、经济等突出优势，并为实际工程应用给出了详细的施工方案。王晋等[8]将流态固化土应用于异性基槽结构物当中，显著提升施工效率，有效解决压实不足等施工难题，并详细描述施工工程中的各项施工要点，为解决同类工程问题提供了参考。但流态固化土的基材主要是就地取土，固化剂可由多种材料协同配伍，因此材料来源广泛，这就导致不同组成的流态固化土性能差异较大[9]。王聪聪等[10]采用赤泥、钢渣粉、水泥的质量比为2:3:5制备流态固化土，其初凝时间较短，在250~285 min，28 d抗压强度在4.67 MPa。包益鋆等[11]采用电石渣与脱硫灰渣复掺，不采用水泥，可以得到泌水率小于1%，28 d强度大于0.5 MPa的固化土。该配合比制备的材料具有较好的流动性与较低的泌水率。流态固化土的性能与组成材料直接相关，固化剂的组成成分不同，水泥水化产物生成、组合不同[12]。工业固废有时也会带来不利影响，例如早期强度偏低、泌水率过大、后期强度较差、材料养护严格、收缩量明显等[13]。

综上所述，采用粒化高炉矿渣制备流态固化土，降本增效。通过高炉矿渣与水泥协同配伍固化低液限粉质粘土，需要充分探究固化剂中水泥与高炉矿渣之间的质量比对流态固化土强度的影响，研究固化剂不同配比、不同水固比下的浆液的流动性与泌水性的影响，固化过程中的强度发展规律。

2. 试验材料及方法

2.1. 试验土样

工程弃土取自山东省济南市济阳区国际博览城产业园综合管廊及配套基础设施工程项目现场，属黄泛区低液限粉质黏土。土样外观形貌呈黄褐色流塑态。其天然含水率为26.89%，最大干密度为1.64 g/cm⁻³，液限为31.78%，塑限为22.3%，塑性指数为11.6。现场土体呈块状，多数块体轴长超过5 cm，存在少量的建筑砖石，树根。用于制件时，首先要将土块晒干，与杂物筛分后，采用碎土机破碎。

2.2. 制样方法

依据试验设计方案，称量土体及固化剂材料，并称量所需要的水。称重完后采用水泥砂浆搅拌机搅拌制件。为保证搅拌效果均匀，首先分次加入水与固化剂材料，持续搅拌超过3 min，直至浆液均匀。

2.3. 试验方法

1) 流动度测试方法

采用ASTM D6013中标准方法，采用d = 75 mm，h = 150 mm的圆柱形筒，以浆液在光滑的玻璃板上摊开的饼状物的两垂直方向的平均直径为流动度。应在160~230 mm之间。

2) 泌水率测试方法

泌水率试验方法参考日本土木学会标准《混凝土灌注砂浆的泌水率和膨胀率试验方法》(JSCE-1986),具体的流程为在量筒中置入装有流态固化土浆液的塑料袋，并在塑料袋下方加入水直到与浆液相平，通过量筒读取总体积，减去水的体积后可以得到浆液的体积V₀。静置3 h后，用针管吸取流态固化土浆液表面的水分，通过针管可以得到浆液表面泌水体积V₁。泌水率的计算公式如下：

$B=\frac{V_1}{V_0}$

3) 无侧限抗压强度测试方法

依据DBJ51-T188-2022中提出的流态固化土强度测试方法，试模取70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的模具，成型后，采用刮刀将试件表面刮平。脱模后，应置于标准养护室养护至指定龄期。

3. 高炉矿渣与水泥掺配比分析

3.1. 不同矿渣掺配比下的流动度分析

试验设计时，固定固化剂的质量占土质量的12%，高炉矿渣的质量与水泥质量的比值记为R_g，共5个取值，分别是0、0.20、0.40、0.50、0.60，水固比记为W，分别取值0.44、0.46、0.48、0.50、0.52，共计25个配合比。具体的配合比及流值测试结果如表1所示。

Table 1. Fluidity test results

表1. 流值测试结果

Rg	W	流动度/mm
0	0.44	177
0	0.46	198
0	0.48	200
0	0.50	210
0	0.52	296
0.2	0.44	174
0.2	0.46	185
0.2	0.48	193
0.2	0.50	212
0.2	0.52	223
0.4	0.44	166

续表

0.4	0.46	178
0.4	0.48	186
0.4	0.50	211
0.4	0.52	234
0.5	0.44	170
0.5	0.46	178
0.5	0.48	208
0.5	0.50	232
0.5	0.52	245
0.6	0.44	186
0.6	0.46	194
0.6	0.48	221
0.6	0.50	247
0.6	0.52	291

当R_g相同时，随着水固比的增加，流值逐渐增大。以矿粉掺量R_g = 0.60为例，W = 0.44时，流动度有最小值186 mm；W = 0.52时，流动度有最大值291 mm。水固比逐级增加0.02时，流动度分别时水固比为0.44的1.04、1.19、1.33、1.56倍。图1可以看出，水固比增大，流态固化土流动度有明显的提高，即改变水固比可较好地改善流态固化土的流动性，以满足实际工程的需要。当R_g = 0，即固化剂为纯水泥时，水固比W = 0.46、0.48、0.50、0.52时的流动度分别是W = 0.44的1.12、1.13、1.19、1.67倍，相比于掺入矿粉，纯水泥固化土流动度随水固比的变化表现出不均匀的特点。

Figure 1. The influence of water-solid ratio on fluidity

图1. 水固比对流动度的影响

当W = 0.48时，不同R_g下，流动度均在160~230 mm之间。当R_g = 0.4时，流动度有最小值186 mm；R_g = 0.6时，流动度有最大值221 mm。矿粉掺量R_g = 0.20、0.40、0.50、0.60时的流动度分别是R_g = 0的0.97、0.93、1.04、1.11倍，流动度随矿粉掺量R_g的增加呈现先减小后增大的趋势，流动度最小值点位R_g = 0.40时。如图2所示，在水固比不变时，流动度随R_g的增加都呈现出先减小后增大的趋势，但不同水固比下流动度最小值点的R_g不完全相同。这是由于矿渣的密度较水泥的小，替代掉同质量的水泥后体积增大，用水量增大[14]。当矿渣的用量超过一定比例时，会隔离早期水化产物的搭接，对流值具有一定的提升作用[15]。但矿渣表面较为粗糙，提升作用不够明显[16]。在其他配合比设计参数相同时，仅改变R_g不能较好地调节流态固化土的流动性。

Figure 2. The influence of mineral powder admixture on fluidity

图2. 矿粉掺量对流动度的影响

3.2. 不同矿渣掺配比下无侧限抗压强度实验

由流值试验的测试结果可知，当水固比为0.48时，可以保证不同高炉矿渣掺量下材料均在合理的流值范围内。为探究高炉矿渣的掺量对强度的影响，固定水固比为0.48，共9组配合比，如表2所示。

Table 2. Strength test results

表2. 强度试验结果

Rg	7 d强度/MPa	28 d强度/MPa
0.00	0.31	0.95
0.25	035	1.30
0.35	0.88	2.50
0.40	0.65	2.43
0.45	0.77	2.39
0.50	0.64	2.35
0.55	0.62	2.26
0.60	0.39	2.00
0.65	0.46	2.21

流态固化土的7 d与28 d强度变化趋势相近，以28 d强度曲线为例，R_g = 0时，28 d抗压强度有最小值0.95 MPa；R_g = 0.35时，28 d抗压强度有最大值2.50 MPa。矿粉掺量R_g从0增大至0.35，28 d无侧限抗压强度从0.95 MPa增加至2.50 MPa；R_g从0.35增大至0.60，28 d无侧限抗压强度从2.50 MPa减小至2.00 MPa；R_g从0.60增大至0.65，28d 无侧限抗压强度有增大趋势，从2.00 MPa增大至2.21 MPa。R_g = 0.25、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65，28 d无侧限抗压强度相较R_g = 0，分别增加36%、163%、156%、152%、147%、138%、111%、133%。7 d、28 d无侧限抗压强度随R_g的增大近似呈现出先增大后减小的趋势7 d、28 d均在R_g = 0时强度最小，分别为0.31 MPa、0.95 MPa；均在R_g = 0.35达到最大强度，分别为0.88 MPa、2.50 MPa。图3为矿粉掺量与无侧限抗压强度的关系。可以看出，矿渣微粉可以实现流态固化土强度的提升，可使流态固化土7 d、28 d无侧限抗压强度有显著提升。其中当矿粉掺量R_g = 0.35时，强度提升效果最好，相较于R_g = 0，7 d、28 d强度分别提升148.4%，163.2%。

3.3. 不同矿渣掺配比下的水稳性分析

流态固化土存在一定数量的开孔孔隙与闭口孔隙，且原材料所用土壤中不可避免含有一定的亲水

Figure 3. The relationship between mineral powder admixture and unconfined compressive strength

图3. 矿粉掺量与无侧限抗压强度的关系

Figure 4. The relationship between the stabilization coefficient $\propto$ and mineral powder admixture R_g

图4. 水稳系数$\propto$ 与矿粉掺量R_g关系

相关规范中指出当服役环境位于地下水位以下或水位变动区时，无侧限抗压强度应在一般要求上提高30%。因此对于固化土水稳定性的探究是必要的。采用浸水24 h后试件的无侧限抗压强度与原抗压强度的比值记为水稳系数。图4显示为水稳系数$\propto$ 与矿粉掺量R_g的关系。

R_g = 0、0.25、0.40、0.45、0.50、0.55、0.65时，水稳系数均$\propto$ 小于1，即浸水24 h后28 d无侧限抗压强度减小。R_g = 0.40时$\propto$ = 0.87，即强度减小最多，下降幅度13%。R_g = 0.35、0.60时，水稳系数$\propto$ 均大于1，为1.02、1.04，即强度发生了轻微增长，这说明在对应配合比下，浸水后水化反应继续发生。

4. 最佳矿渣掺配比下的流态固化土工程性能分析

最佳高炉矿渣掺配比为0.35，此时流态固化土的强度最佳。为进一步探究该掺配比下流态固化土的强度，固定固化剂的掺量为12%，水固比设置0.44、0.46、0.48、0.50、0.52，共5组配合比，如表3所示，进一步探究材料的性能。

Table 3. Material mix proportion composition

表3. 材料配合比组成

配合比编号	水固比
1	0.44
2	0.46
3	0.48
4	0.50
5	0.52

4.1. 流态固化土的流动性分析

如图5所示，随着水固比的增大流值逐渐增大，基本上呈线性趋势。用水量增多，土颗粒间水膜增厚，因此流值升高。不同水固比下，流值均处在标准范围内。当水固比为0.44时，流值最小，为174 mm；当水固比为0.52时，流值最大，为228 mm。即水固比增加0.08，流值增加57 mm，明显增大。

Figure 5. Fluidized soil fluidity test results

图5. 流态固化土流动度测试结果

4.2. 泌水率

在胶凝材料体系中，重力会导致拌合物凝结前水向表面的迁移，而颗粒物在底部的沉积[17]，显然由于新拌流态固化土浆体在硬化过程中不能完全保水[18]。泌水率过高会导致新拌流态固化土体积回缩严重、表面出现裂缝，因此需要对泌水率进行一定的控制[19]。目前对于流态回填材料的泌水率没有明确的界限规定，Suraj P.等[17]建议CLSM类材料泌水率 ≤ 5%，魏建军等[20]建议建筑垃圾回填材料的泌水率应控制在8%以内。本试验在进行流态固化土浇筑试模的过程中，发现拌合物表面有泌水现象，且用水量大的试件，泌水现象更明显。如图6所示，泌水率随着水固比的增大而增大。当水固比由0.44增加至0.52时，流态固化土3 h泌水率由4.6%增加至7.9%；泌水率随水固比的增大而增大。水固比在0.46~0.50间时，泌水率的比较稳定，当水固比由0.46增大至0.48时，泌水率增大0.3%；当水固比从0.48增大至 0.50，泌水率增大0.2%。说明当水固比在此区间内泌水现象较稳定。当水固比由0.50增大至0.52，泌水率由6.4%增大到7.9%，增幅为1.5%，明显增大。

Figure 6. Leachate rate test results

图6. 泌水率测试结果

探究3 h泌水率与流动度的关系，如图7所示发现非线性函数DoseResp函数对3 h泌水与初始流动度之间的关系拟合效果极佳，相关系数R² > 0.9941，两者之间的关系如公式1所示。因此在实际工程中或可直接用新拌流态固化土(即凝固时间0 min)的流动度值。

$\text{y}=174.34+\frac{54.04}{1+{10}^{6.18-\text{x}}}$ 式1

4.3. 无侧限抗压强度

如图8所示，固化土的强度随着龄期的增长而增加。当水固比为0.48时，7 d、28 d无侧限抗压强度相较3 d分别增加1.5倍、6倍，28 d无侧限抗压强度为7 d的1.8倍。随着龄期的增加，水化反应逐渐进行，水化物对土颗粒的胶结作用逐渐增强，土体微观结构改善。

如图9所示，水固比W由0.44增大至0.48，7 d的无侧限抗压强度由0.75 MPa增大至0.88 MPa；水固比从0.48增大至0.52，7 d无侧限抗压强度由0.88 MPa减少至0.63 MPa，水固比为0.46、0.48、0.50、0.52时，强度是水固比为0.44的1.15、1.17、1.05、0.84倍。无侧限抗压强度随水固比的增大呈现先增大后减小的趋势。W = 0.48时，7 d的抗压强度有最大值0.88 MPa；W = 0.52时，抗压强度有最小值0.63 MPa。

Figure 7. The relationship between the leachate rate at 3 h and the initial fluidity

图7. 3 h泌水率与初始流动度的关系

Figure 8. The influence of age on the formation of fluidized soil strength

图8. 龄期对流态固化土强度形成的影响

Figure 9. The influence of water-solid ratio on the strength of fluidized soil

图9. 水固比对流态固化土强度的影响

这是因为当水固比在0.44~0.48之间时，随着用水量的增加，矿渣微分反应活性物质浸出增多，有利于固化剂与水发生水化反应生成大量胶凝物质粘结土颗粒，强度上升。但当水固比处于0.48~0.52之间时，此时增加的用水量使得黏土颗粒之间分散，不利于团粒聚集，对强度有害。3 d无侧限抗压强度随水固比的增大同样呈现先增大后减小的趋势，但其强度峰值出现在水固比为0.50处，为0.4 MPa。

5. 流态固化土与反应机理分析

水泥对土的固化作用主要来源于两部分水化物的胶结作用，除去水泥本身的水化产物C-S-H等的胶结作用之外，还包括水化产物Ca(OH)₂与土中活性物质之间的硬凝反应所产生水化物的胶结作用[21] [22]。其次，土中的活性物质与水泥水化产物的硬凝反应影响水泥对土的固化作用。具体表现为水化产物Ca(OH)₂与土中的活性氧化铝、二氧化硅的溶解产物发生离子间的化学反应，生成C-S-H、C-A-H等水化物，使水泥土中后期强度有较大增长。从机理上，在工程常见的条件下，由于物理吸附、离子交换、中和作用等原因使Ca²⁺、OH⁻含量降低，纯水泥固化土中Ca(OH)₂不饱和[23]，水泥水化生成C-S-H不足，同时硬凝反应不能充分进行，使得纯水泥基固化土强度较低。而以矿渣微粉掺入水泥作为流态固化土的固化剂，可为水泥水化反应和水泥与土的硬凝反应提供Ca²⁺，促使C-S-H等水化物的生成[24] [25]；同时水泥水化生成的OH⁻可激发矿渣微粉的潜在活性，提高流态固化土的强度。从经济角度，纯水泥基固化土成本较高，掺入矿渣微粉代替部分水泥可降低成本，为固化土的推广提供经济合理性。从碳排放角度，生产1 t矿渣的碳排放量仅为生产1 t水泥的7.4% [26] [27]。因此，在固化剂中掺入一定比例的矿渣微粉代替水泥有利于提升固化土强度。

6. 结论

流态固化土的流动性、泌水性、强度充分影响其施工质量，探究高炉矿渣与水泥之间的最佳掺配比，并讨论了最优配比下材料的流值、泌水率及强度等性能特点及机理。为实验发现，当水固比为W = 0.48时，此时不同的矿渣水泥占比下，流值均满足固化土施工时期的要求，改变水固比后，流值变化显著。不同矿粉掺量下流态固化土的流值变化较小。R_g = 0.35为矿粉的最优掺量，此时流态固化土7 d、28 d无侧限抗压强度均最大，且水稳定性满足要求。当矿粉的掺量为0.35时，水固比在0.44~0.52之间时，流值与泌水率均在合理范围内。且均随着水固比的增加呈上升趋势。同时，给出了流值与泌水率之间的相互关系，可借助初始流动度获得3 h后的泌水率，具有很高的工程应用价值。当水固比为0.48时，可以获得最佳的无侧限抗压强度，28 d可达到2.51 MPa。在高炉矿渣掺量为0.35，且水固比为0.48时，得到的流态固化土材料性能最佳。

NOTES

^*通讯作者。