ITIBMI
膨脹性黏土作為一種特殊的高塑性土，其含有大量裂隙和親水性礦物（伊利石、綠泥石和蒙脫石），遇水后裂隙易發(fā)育并擴散，導(dǎo)致黏土顆粒吸水膨脹，失水收縮干裂。膨脹性黏土的變形具有復(fù)雜性、多發(fā)性、反復(fù)性和長期潛在性，為了克服其膨脹收縮性和軟化崩解性，眾多科研人員采用石灰、水泥、粉煤灰、氯化鈣等添加劑對膨脹性土進行化學(xué)改良。這些改良劑通過與顆粒間的膠結(jié)作用、離子交換、硬凝和碳化作用，有效抑制了土體的脹縮性和裂隙發(fā)展。然而，傳統(tǒng)改良劑的生產(chǎn)成本和二氧化碳排放量較高，為了適應(yīng)“碳達峰-碳中和”的綠色、經(jīng)濟、環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，磷石膏、聚丙烯、堿礦渣和鋼渣粉（steel slag powder，SSP）等替代改性劑逐漸被應(yīng)用，其中鋼渣粉已廣泛應(yīng)用于膨脹性黏土改良、農(nóng)業(yè)肥料、道路建設(shè)等領(lǐng)域。鋼渣粉是粗鋼生產(chǎn)過程中的一種工業(yè)廢棄物。中國粗鋼總產(chǎn)量約占世界總量的1/2，其中鋼渣年產(chǎn)量高達1.1億噸。相比于日本、歐洲和澳大利亞等工業(yè)發(fā)達國家，中國的鋼渣綜合利用率僅為29.5%。其主要用于土木工程（10.1%）、水泥生產(chǎn)（9.3%）、土壤改良和道路建設(shè)（7.5%）以及其它用途（2.6%）。我國SSP綜合利用率較低的主要原因包括生產(chǎn)制造工藝的滯后、科研水平的不足、法律政策的限制以及缺乏行之有效的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。如果我國不加快提高鋼渣的回收利用率，將會導(dǎo)致大量環(huán)境污染和土壤資源的浪費。由于鋼渣粉中含有特殊的礦物和化學(xué)成分（如氧化鐵和氧化鈣等）它可以與土體中的水分和黏土顆粒發(fā)生離子交換及膠結(jié)反應(yīng)，從而形成穩(wěn)定的凝膠物質(zhì)，填充裂隙并有效地黏結(jié)土顆粒。這一過程能夠提高土體結(jié)構(gòu)的密實性和整體性，顯著改善膨脹土的塑性、自由膨脹率、未固化強度和排水性能等。利用鋼渣粉改良問題土的工程性質(zhì)，不僅符合低碳和環(huán)保發(fā)展理念，還可以提高固廢資源的高附加值利用，并降低工程處理成本。本文從宏觀及微觀角度分析總結(jié)了鋼渣粉的性質(zhì)和組成、改良土的機理、工程效果以及應(yīng)用前景，旨在全面闡述鋼渣粉改良土的研究優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，對SSP改良土存在的不足及未來的發(fā)展方向提出幾點建議，以期為問題土的改良提供新的思路和途徑。
1鋼渣粉的特性
1.1鋼渣粉的理化特性
鋼渣粉是在高溫環(huán)境下，通過轉(zhuǎn)爐、電爐或平爐生產(chǎn)分離出的工業(yè)副產(chǎn)品，主要由礦石、石灰石（CaCO3）、焦炭和氧等原料組成。根據(jù)鋼渣粉的生產(chǎn)工藝及堿度值R=ω(CaO)/ω(SiO2+P2O5)（ω為質(zhì)量）的不同，可將其分為高爐渣（blast furnace slag，BFS）、電弧爐渣（electric arc furnace，EAF）、鋼包爐渣（ladle furnace slag，LFS）或堿性氧爐渣（basic oxygen furnace，BOF）。其中，當(dāng)鋼渣粉R＜1.8時，稱為低堿度鋼渣；R=1.8～2.5時，稱為中堿度鋼渣；R＞2.5稱為高堿度鋼渣，此時易形成C2S和C3S等礦物。Oluwasola等認為轉(zhuǎn)爐鋼渣具有良好的壓實性好、吸水率低、良好的內(nèi)摩擦力及排水自由等優(yōu)點。由于煉鋼廠生產(chǎn)工藝（如：廢金屬和鐵水中存在的雜質(zhì)、溫度、氣體環(huán)境、鐵礦石成分以及鐵礦石與燒結(jié)礦的比例、冷卻速度、助熔劑摻量等）的差異性，容易導(dǎo)致鋼渣粉的礦物成分、電導(dǎo)率、表面積、化學(xué)組成、孔隙率和PH值等理化性質(zhì)的變化。綜上所述，SSP具有良好的吸水性、高密度、較大的比表面積、豐富的棱角、較高的硬度等一系列特定的性質(zhì)，適當(dāng)提高SSP堿度可增加其水化活性。但由于SSP體積安定性較差及生產(chǎn)工藝的影響，很大程度上限制其工程應(yīng)用領(lǐng)域。鋼渣粉主要的礦物成分包括橄欖石、FeAlO3(CaO)2、Ca2Fe2O5、C4AF、C2F、β-C2S或α-C2S、Ca2SiO4、鎂硅鈣石、FeO、MgO、C3S、惰性礦物（簡稱為“RO相”）和CaO-FeO-MnO-MgO等組成。大量研究表明SSP屬于含鈣量較高的固體廢物，其中，C2S、C3S、C2F和C4AF構(gòu)成的SSP與硅酸鹽水泥礦物成分相似。雖SSP的衍射峰較為復(fù)雜，礦物晶體形狀不規(guī)則，但SSP中的固體可溶性成分含量較高，有利于水化溶解，形成膠凝狀物質(zhì)，進而改良土壤的膠結(jié)性能。另外，SSP的冷卻速度、化學(xué)組成、熔劑類型、顆粒形狀、顆粒大小分布及性質(zhì)對土壤改良效果會產(chǎn)生重要影響。因此，對不同工藝條件下的SSP化學(xué)成分和含量進行詳細分析對于土壤改良具有重要意義（表1）。
表1國內(nèi)外鋼渣粉主要的化學(xué)成分與質(zhì)量分數(shù)
綜上分析，SSP化學(xué)組成主要包括氧化鐵（FeO/Fe2O3）、氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化鎂（MgO）和氧化鋁（Al2O3），質(zhì)量分數(shù)分別為8%～30%、35%～65%、10%～20%、3%～10%和1%～6%，其中還含少量的Na2O、MnO、SO3和五氧化二磷等。生產(chǎn)工藝主要是EAF和BOF，其中EAF生產(chǎn)的礦物成分有絲光石和克氏石礦等，這些惰性物質(zhì)在常溫下不發(fā)生水化反應(yīng)，結(jié)合能較差。而BOF生產(chǎn)的礦物成分主要為硅酸二鈣、鐵酸二鈣、硅酸三鈣、氫氧化鈣、氧化鈣等，其水硬活性主要來源于C3S和C2S含量，含量越高水化活性越高。然而，在不同生產(chǎn)工藝下，SSP的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)特性、礦物組成、粒度、含量及性能顯著變化。特別是SSP中高含量的游離氧化鈣和氧化鎂，會與孔隙中的水分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致SSP體積迅速膨脹，從而降低其體積穩(wěn)定性。因此，不同的生產(chǎn)工藝會直接影響SSP的化學(xué)活性及穩(wěn)定性，進而對土體改良效果產(chǎn)生重要影響。
1.2鋼渣粉的膠凝活性
鋼渣粉的膠凝活性對其改良土體的效果具有重要影響。水化活性越高產(chǎn)生的水化產(chǎn)物，如C-AG和C-S-H凝膠、鈣礬石（AFt）和Ca(OH)2等就越多，與黏土礦物顆粒接觸面積就越大，包裹填充裂隙就越緊密，顆粒間黏結(jié)力和整體穩(wěn)定性就越好。當(dāng)SSP中ω(Al)/ω(Ca)比例高于ω(Ca)/ω(Si)時，改良土的膠凝特性和力學(xué)強度表現(xiàn)較好。然而，由于SSP中的硅鋁酸鹽礦物是在高溫下形成的玻璃體結(jié)構(gòu)，晶粒較大、結(jié)構(gòu)密度較高，并且含有Si-O和Al-O化學(xué)鍵，導(dǎo)致部分C3S和C2S晶體在常溫下水化活性低。Wang等認為提高SSP顆粒細度、養(yǎng)護溫度或溶液堿度可加速其早期水化速率，其中堿激發(fā)劑的作用效果更加顯著。目前，常用的堿激發(fā)劑包括氫氧化鈉（NaOH）、石灰（CaO）、水泥（CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3）、水玻璃（Na2SiO3）、硫酸鈉（Na2SO4）、鋁酸鈉（NaAlO2）、硅灰（CaSiO3）、硫酸鋁（Al?(SO?)?）和石膏（CaSO4·2H2O）等。王強證明了在適宜的堿性環(huán)境下SSP中的四面體會發(fā)生解聚，導(dǎo)致Si-O和Al-O化學(xué)鍵斷裂，從而提高SSP的水化反應(yīng)速率。此外，王琴、邵雁等考察K2CO3、Na2CO3、NaOH、Na2SiO3、Na2SO4、NaAlO2等6種不同化學(xué)激發(fā)劑對SSP活性的影響，結(jié)果顯示3%～7%的Na2SO4是效果及穩(wěn)定性最好的化學(xué)激發(fā)劑。綜上研究表明，堿激發(fā)劑可以提高反應(yīng)體系的堿度，促進SSP中的陽離子交換，進而破壞SSP中的玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，促使水化產(chǎn)物（C-SH）的轉(zhuǎn)化和鈣礬石（AFt）晶體的生成，形成更加穩(wěn)定的水化產(chǎn)物和結(jié)構(gòu)，從而提高SSP礦物組分的溶解和反應(yīng)。
Sun等認為堿活化SSP水化產(chǎn)物Ca(OH)2的含量較低，結(jié)晶性較差，單一激發(fā)劑很難提高鋼渣粉膠凝材料活性，而復(fù)合堿激發(fā)劑的改良效果更好。鑒于單一激發(fā)劑對SSP催化效果并不明顯，實踐中通常采用2種或以上的激發(fā)劑復(fù)合使用，以獲得更優(yōu)異的SSP性能。朱伶俐等指出氫氧化鈉、生石灰、水玻璃、石膏、明礬、高嶺土、水泥熟料、硫酸鈉、三乙醇胺、硫酸鋁鉀和硫酸鋁等作為復(fù)合激發(fā)劑可顯著提高SSP的水化活性，加快其水化膠凝速度。樊傳剛等發(fā)現(xiàn)采用5%石膏和堿激發(fā)劑作為復(fù)合激發(fā)劑可以有效催化SSP的活性，提高膠凝材料的抗壓強度。而范立瑛等的研究則發(fā)現(xiàn)高嶺土對SSP活性沒有催化作用，同時認為復(fù)配激發(fā)劑（3%硫酸鋁+2%水泥熟料+0.2%水玻璃+0.8%三乙醇）具有良好的激發(fā)效果。程從密等認為1%CaSO4·1/2H2O和0.4%NaOH復(fù)合改良SSP-水泥早強效果最佳。溫建[49]的研究表明Na2SiO3、Na2SO4和氯化鈣對鋼渣粉-水泥膠凝強度具有增強作用，當(dāng)氯化鈣摻量為4%時，激活效果最好。此外，魏瑞麗等指出鋁酸鈉、硅灰都能提高SSP的活性，但硫酸鈉對SSP的激發(fā)效果較差。而You等研究表明硅灰、NaOH2種激發(fā)劑的激發(fā)效果最為突出。邵俐等的研究結(jié)果顯示加入石膏和硫酸鈉能加快礦渣水化反應(yīng)，降低凍融循環(huán)對固化土的影響，并表示硫酸鈉的抵抗性更強。梅楊認為激發(fā)劑類型對膠凝材料強度影響最為顯著，其中雙摻Ca(OH)2和Na2SiO3最佳比例為5:1，摻量為4%時對礦粉活性激發(fā)效果最好。綜上分析，復(fù)合激發(fā)劑對鋼渣粉膠凝活性和強度增強效果更加顯著，改良土體的力學(xué)特性也更加優(yōu)異。由于激發(fā)劑種類多樣性、摻量差異性，以及激發(fā)劑對SSP以及激發(fā)劑與激發(fā)劑之間的反應(yīng)機理尚未深入分析，導(dǎo)致復(fù)合改良效果也不盡相同。因此，盡管復(fù)合激發(fā)劑對SSP具有較好的激發(fā)效果，但仍需進一步確定復(fù)合堿激發(fā)劑的最佳摻量、組合方式及應(yīng)用條件。
2膨脹性黏土破壞機制
膨脹性黏土具有失水收縮與吸水膨脹的特性，容易導(dǎo)致土體內(nèi)部和表面產(chǎn)生大量微裂隙，致使雨水滲入并降低土體的強度，從而引起土體的整體性破壞。這個過程主要包括物化作用、吸水膨脹和楔裂壓力等共同作用。2001年，譚羅榮提出膨脹性黏性土都會經(jīng)歷吸水-失水-泥化-崩解-破壞，并指出土體崩解破壞的前提是結(jié)構(gòu)擾動破壞、失水產(chǎn)生收縮拉裂及吸水產(chǎn)生膨脹應(yīng)力破壞3個過程。膨脹性黏土崩解破壞機制包含黏土礦物遇水產(chǎn)生的膨脹力、孔隙中氣泡溢出產(chǎn)生的推力、水膜楔入力及浮重力等作用，這些作用打破了土體內(nèi)部聯(lián)結(jié)力與崩解力之間的平衡，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞。由于膨脹土含有蒙脫石和伊利石，水敏性較強，這是導(dǎo)致土體內(nèi)部膠結(jié)膨脹、結(jié)構(gòu)破壞、結(jié)構(gòu)衰變和強度衰減的主要原因。遇水后，膨脹土內(nèi)部會發(fā)生差異膨脹和變形，水壓力作用下，孔隙、裂隙擴展引起膨脹崩解破壞。馬婧等指出在化-水-力協(xié)同作用下，顆粒間發(fā)生離子交換、化學(xué)反應(yīng)和水合斥力會影響蒙脫石層間膨脹、擴散雙電層膨脹以及層疊體裂解，見圖1（a）。張凌凱等提出膨脹土在干濕-凍融循環(huán)作用下的破壞機制，即干濕循環(huán)會增加膨脹土裂隙，凍融循環(huán)過程會導(dǎo)致黏土顆粒間的微裂隙被崩解破壞的細顆粒填充，從而減弱顆粒間的黏結(jié)力，見圖1（b）（c）。總之，吸水-失水-凍融作用會導(dǎo)致部分膠結(jié)物被稀釋、軟化或溶解，裂隙貫通形成非均勻的孔隙水壓力，使土體局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。與此同時，顆粒間的黏聚力、內(nèi)摩擦力以及顆粒間咬合力也會減弱，土顆粒間基質(zhì)吸力小于膨脹力，進而導(dǎo)致巖土顆粒碎裂、剝落和崩解。
?。╝）不同壓實度下膨脹變形與層疊體間離子交換
?。╞）壓縮變形破壞示意圖
?。╟）干濕-凍融循環(huán)變形破壞示意圖
黏土礦物的脹縮性易受溫度和水分影響，環(huán)境溫度的升高或降低均可導(dǎo)致土壤中礦物顆粒邊界的熱膨脹或冷縮，進而引發(fā)黏土顆粒內(nèi)部產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，從而使土體出現(xiàn)不均勻膨脹收縮應(yīng)力。在此過程中，團聚體內(nèi)產(chǎn)生微裂紋并不斷擴展，當(dāng)溫度升降速率較快時，此現(xiàn)象更為顯著。這是因為溫度升降速率越大，土壤中礦物顆粒之間或顆粒內(nèi)部的不協(xié)調(diào)變形將更加顯著，從而使土壤中的微裂紋擴展更為嚴(yán)重且數(shù)量更多。同時，土壤表面的水分蒸發(fā)速度較快，而內(nèi)部蒸發(fā)速度較慢，使得含水率分布不均勻形成水力梯度，產(chǎn)生內(nèi)外應(yīng)力差，導(dǎo)致裂紋形成。吳道祥等從黏性土的化學(xué)成分與細觀結(jié)構(gòu)特征入手，發(fā)現(xiàn)黏土礦物中的蒙脫石結(jié)構(gòu)單元層間以O(shè)-O鍵相聯(lián)結(jié)，鍵力極弱，遇水后具有氧鍵的強極化水分子很容易楔入其中，使其分開。同時極化水分子變?yōu)樗栯x子H3O+進入結(jié)構(gòu)單元層間和水化膜之中，使層間間距及水化膜厚度增大，進而造成顆粒體積膨脹。由于內(nèi)部體積膨脹的不均勻性，導(dǎo)致土體內(nèi)部出現(xiàn)不均勻應(yīng)力而使土顆粒碎裂破壞。綜上所述，化學(xué)-水-力的相互作用均會導(dǎo)致土體吸水膨脹，并在其內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力以及溶解掉部分的膠結(jié)物。隨著膠結(jié)物稀釋、軟化、溶解和流失，導(dǎo)致顆粒間發(fā)生膨脹、收縮，甚至失去膠結(jié)力而崩解。同時，由于膨脹性黏土礦物的親水性和孔隙的連通性，使得孔隙的導(dǎo)水性和容水的能力增強，這會擴大水和巖體的接觸面。當(dāng)化學(xué)溶液和水侵入孔隙、裂隙中時，多相界面的離子水化膜增厚，導(dǎo)致巖土體發(fā)生膨脹破壞。其中，影響土壤膨脹破壞的因素主要包括雨水侵蝕、土壤有機質(zhì)含量、土壤擾動情況、黏粒含量、礦物成分、成土過程、土壤脹縮性、pH以及土壤所受到的外部應(yīng)力等。
3鋼渣粉改良土的微觀機理
3.1物理改良
鋼渣粉所含礦物主要是氧化鈣、氧化鐵和氧化硅，礦物質(zhì)量分數(shù)高達80%。同時，由于SSP的孔隙率大、自身體積小、較為堅硬、比表面積高，且具有很強的膠凝特性。石榮劍等發(fā)現(xiàn)鋼纖維能有效抑制水分入侵和冰透鏡體的生長，從而減小土體的膨脹率。因此以SSP作為改良劑填充土壤顆粒之間的孔隙，可以提高土壤的密實度和水穩(wěn)定性，在這個過程中，土顆粒與SSP發(fā)生排列和組合。SSP作為一種新型的土壤改良材料，可以與土體發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)相互作用。但針對SSP改良問題土方面的研究也相對較少，其微觀改良機理也尚未被系統(tǒng)論述。因此，本文擬從物理和化學(xué)2個方面分析其改良機制，探索SSP改良固化土壤的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化，進而完善SSP改良土的相關(guān)研究理論。根據(jù)鋼渣粉粒徑的不同，其作用機制也會有一定差異。當(dāng)鋼渣粒徑較大時，主要起到骨料支撐土顆粒的作用，可以使土顆粒包裹在鋼渣孔隙之間，從而有效提高土體的整體穩(wěn)定性和強度。隨著鋼渣細度的增加，物體表面的晶體結(jié)構(gòu)會遭到破壞，晶格及鍵能減小，比表面積增大，與黏土顆粒表面的接觸面積增大，因此可以有效填充土壤裂隙或孔隙，增加土壤的密實度。
綜上所述，物理改良機理主要包括細顆粒填充作用、摩擦作用及粗顆粒的骨架支撐作用。
1）鋼渣粉顆粒具有一定的粒徑和形狀，當(dāng)SSP與膨脹性黏土混合時，鋼渣粉細顆?？梢蕴畛渫寥李w粒之間的孔隙，增加土壤的密實度和穩(wěn)定性。
2）鋼渣粉細顆粒間具有一定的摩擦作用，提高團粒間的摩擦力，進而增加膨脹土的內(nèi)聚力和抗剪強度。
3）大顆粒的鋼渣粉具有較高的強度和剛度，可以增加土壤的整體強度和剛度，提高土壤的承載能力和抗沉降性能，從而改善膨脹土的工程性質(zhì)。
3.2化學(xué)改良
指出激發(fā)劑作用下SSP改良土發(fā)生了陽離子交換，即氧化鈣中電離出的Ca2+和土壤表面的Na+、K+發(fā)生吸附交換，從而減少了擴散層厚度，縮小了黏土顆粒間距，提高顆粒間的黏結(jié)性能，使得黏土顆粒發(fā)生團聚。同時，氧化鈣還會與土壤中的水和二氧化碳反應(yīng)生成鈣碳酸鹽，形成密實骨架結(jié)構(gòu)，從而提高土壤的抗壓強度和抗?jié)B性能。吳子龍等探討了SSP、偏高嶺土摻入水泥改良土的微觀機制，他們發(fā)現(xiàn)由于SSP與水泥的組分含量存在差異，當(dāng)鋼渣粉中Al2O3含量較少時，礦物水化活性低，不利于形成C-A(S)-H膠凝物質(zhì)，因此不利于提高土體早期強度。另外，SSP中的玻璃體硅酸鈣早期水化程度低且緩慢，無法快速反應(yīng)形成膠體和鈣礬石填充土體孔隙。同時，由于SSP具有廣泛的礦物化學(xué)成分，碳化過程中會改變SSP的物理、化學(xué)、礦物學(xué)和力學(xué)性能。Yu等也驗證了這一觀點，他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過碳化處理的SSP可顯著提高土體的抗剪強度。但改良過程中生成的方解石易附著在黏土顆粒表面，由于方解石對高嶺石、蒙脫石的膠結(jié)作用弱于石英，導(dǎo)致片狀的高嶺石和蜂窩狀的蒙脫石在干濕循環(huán)后容易流失。綜上研究，SSP改良土的過程中，發(fā)生了離子交換、水化反應(yīng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化等化學(xué)反應(yīng)。從微觀角度分析，SSP易發(fā)生水化反應(yīng)生成無定形水化硅酸鈣（C-S-H）和水化鋁酸鈣（C-AH）、水化硅鋁酸鹽（C-A-F-H）和少量的鈣礬石（AFt）等凝膠物質(zhì)填充在孔隙中，并包裹顆粒表面形成穩(wěn)定的團聚體。同時形成的板狀Ca(OH)2以結(jié)晶形式分布在顆粒表面，增強顆粒間的黏聚力。
鑒于鋼渣粉表面分布大量的陽離子（如Al3+、Ca2+和Mg2+等），能與黏土礦物可以發(fā)生離子交換和化學(xué)反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，進而提高土體的密實性和膠結(jié)力。劉翼飛等指出，堿性環(huán)境下的Ca2+可以與Na+進行離子交換反應(yīng)，導(dǎo)致孔隙中游離的Ca2+吸附在黏土顆粒表面，從而生成填充和黏結(jié)作用的膠結(jié)物質(zhì)，增強土體結(jié)構(gòu)的密實性。Tian等則利用脫硫碳化鋼渣粉（DS）改良土壤，并發(fā)現(xiàn)DS可以提供高濃度的Ca2+形成團聚體，從而有效抑制干裂縫的發(fā)育和擴展，降低裂縫面積密度和平均裂縫寬度。綜上所述，SSP中含有一定的活性礦物成分，與水接觸時會發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物C-S-H、C-A-H和微量鈣礬石等。同時，SSP中的某些成分可以與黏土顆粒中的礦物質(zhì)發(fā)生離子交換及吸附反應(yīng)，形成凝膠和新的物質(zhì)。這些產(chǎn)物可以填充土壤顆粒之間的孔隙，增加土壤的密實度和穩(wěn)定性（圖2）。此外，為了提高鋼渣粉的物理、化學(xué)活性和早期強度，可以采用細度更高的鋼渣粉，增加其表面接觸面積。同時也可以添加化學(xué)激發(fā)劑（如水泥、石灰、水玻璃、粉煤灰、碳酸鈉、礦堿和NaOH等），在堿性環(huán)境中激發(fā)SSP的水化活性，提高其水化凝膠產(chǎn)物的形成速度，增加土體早期強度。
?。╝）未改良土粒間孔隙
（b）水化膠結(jié)填充
?。╟）粒間離子吸附交換
（d）團聚體間改良過程
3.3復(fù)合改良
凝物質(zhì)，增加土壤的密實度和穩(wěn)定性。吳子龍等、于佳麗發(fā)現(xiàn)在堿性（NaOH）環(huán)境中可以激鋼渣粉中的硅鋁酸鹽礦物是在高溫下形成的玻璃體結(jié)構(gòu)，主要以硅氧/鋁氧四面體的形式存在，晶格較大，結(jié)構(gòu)密度較高，化學(xué)活性和吸附性較弱，導(dǎo)致SSP中的C3S和C2S晶體在常溫下的水化速率和膠凝活性較低。因此，需要添加一定的激發(fā)劑提高其化學(xué)活性，促進SSP水化反應(yīng)生成膠發(fā)SSP的水化活性，提高其水化產(chǎn)物的形成速度，增加土體固化強度。然而，由于固化過程中發(fā)生大量Na+交換，變?yōu)橐姿拟c型黏土，使其吸水膨脹能力增強。Gu等進一步研究發(fā)現(xiàn)NaOH、NaCl和Na2SO4可以提高SSP反應(yīng)物的活性，當(dāng)NaCl和Na2SO4摻量為5%時，無側(cè)限抗壓強度（unconfined compression strength，UCS）分別提高8.02 MPa和10.88 MPa，說明催化劑可以有效提高改良土早期強度。同時，發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)劑的加入可以促進改良劑發(fā)生水化反應(yīng)，生成更加穩(wěn)定的凝膠物質(zhì)，充分填充土體微裂隙，絮凝狀膠結(jié)物包裹顆粒形成密實結(jié)構(gòu)，減小水分入侵，增強土體黏結(jié)性和強度。因此干濕循環(huán)后土體顆粒排列仍保持密實，只是部分膠結(jié)物被溶解，使得裂隙有所提高。Zhang、王小龍等發(fā)現(xiàn)加入適量的堿激發(fā)劑可以提高微粉的活性，提高其早期固化強度（圖3）。并指出可以利用水玻璃加氫氧化鈉溶液作為激發(fā)劑，同時加入工業(yè)廢渣和偏高嶺土以調(diào)節(jié)土中的鐵、硅、鋁等氧化物比例，提高土體整體性、抗崩解性和強度。這是由于SSP中存在硅酸鈣類的水硬性膠凝材料，激發(fā)劑作用下會促進SSP與黏土顆粒發(fā)生離子交換、膠結(jié)、固化和碳化等反應(yīng)。綜上所述，SSP水化活性較低，加入氯化鈣、氫氧化鈉等可提高其反應(yīng)活性。同時NaOH、CaCl2作為轉(zhuǎn)爐爐渣的活性催化劑，可以顯著改善其物理、化學(xué)性質(zhì)，提高SSP的水化反應(yīng)速率。堿激發(fā)SSP主要機理是：堿激發(fā)劑促進了玻璃體結(jié)構(gòu)的解離并重新縮聚成新的C-S-H、C-A-H和Ca(OH)2凝膠物質(zhì)，將土顆粒膠結(jié)在一起形成密實網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制裂隙擴展。同時還生成鈣礬石（AFt）填充在團聚體中起到支撐的框架作用，與凝膠物質(zhì)共同形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包裹填充土顆粒，提高土體的整體性和強度。
圖3堿激發(fā)劑催化礦粉作用機理
鋼渣粉本身具有較低的化學(xué)活性和膠結(jié)性。然而，通過添加堿激發(fā)劑（如石灰、水泥、粉煤灰和氫氧化鈉等）或調(diào)整其化學(xué)組分，可以提高其反應(yīng)速率，并激發(fā)其化學(xué)反應(yīng)活性，從而增強其膠結(jié)力和黏結(jié)強度（圖4）。項國圣等研究石灰-SSP改良土微觀機理，發(fā)現(xiàn)SSP中含有凝膠礦物，能夠與土體中低價離子發(fā)生交換生成絮凝物質(zhì)填充在孔隙間，同時石灰可以提供堿性環(huán)境，促進并激發(fā)鋼渣粉水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠物質(zhì)，填充在顆粒間，增強顆粒間的接觸面積和連接性。Wu等利用X射線衍射、掃描電鏡和壓汞孔隙度測定等方法，分析了SSP改良膨脹土的微觀機理，發(fā)現(xiàn)活性激發(fā)劑（NaOH）作用下，SiO32-、Al3+和Ca2+可以快速反應(yīng)生成硅酸鈣（C-S-H）、鋁酸鈣（C-A-H）和Ca(OH)2等水化產(chǎn)物填充、包裹土顆粒，固化前期，黏土礦物與水化產(chǎn)物發(fā)生吸附、離子交換、膠結(jié)等化學(xué)反應(yīng)，提高顆粒間的密實度和膠結(jié)力，使土顆粒團聚在一起形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。吳燕開等通過室內(nèi)試驗研究干濕循環(huán)作用下SSP-水泥改良膨脹土，發(fā)現(xiàn)在缺乏催化劑的情況下，SSP自身水化反應(yīng)慢，需要60d才能完全反應(yīng)。而摻入少量的NaOH可以提高其水化活性，使其在短時間內(nèi)可以完全水化生成鈣礬石（AFt)填充孔隙，AFt是一種不溶于水的結(jié)晶物質(zhì)，可以提高土體的整體性，從而使土體強度迅速增長。韓天、柴石玉等人研究了堿激發(fā)SSP協(xié)同改良土微觀機制，發(fā)現(xiàn)NaOH加入提高SSP反應(yīng)活性，生成了針棒狀的水化硅酸鈣、碳酸鈣晶須和不定形狀的硅鋁酸鹽凝膠物質(zhì)填充裂隙，使孔隙率減小。此外，隨著時間的推移，凝膠物質(zhì)會逐漸增多，顆粒間黏結(jié)程度增強，逐漸形成團聚體，增加土顆粒間的接觸面積。綜上所述，SSP改良劑與土體中離子發(fā)生交換生成硅酸二鈣（C2S)和硅酸三鈣（C3S)，降低土顆粒的雙電層厚度，同時石灰（CaO)與鋼渣粉中的活性氧化硅（SiO2)、氧化鋁（Al2O3)發(fā)生反應(yīng)，在石灰的催化下形成C-S-H、C-A-H和Ca(OH)2等物質(zhì)填充在裂隙中，增強顆粒間的接觸面積和吸力，從而有效提高土體的黏聚力、整體性和強度。需要注意的是，SSP改良膨脹土的物理機制和化學(xué)機制是相互作用的，物理機制主要通過填充和摩擦作用改善土壤的工程性質(zhì)，而化學(xué)機制則通過離子交換反應(yīng)、水化反應(yīng)、礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化等方式改善土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。這些機制共同作用，使得鋼渣粉能夠有效地改良膨脹土。
圖4堿液處理反應(yīng)機理
4鋼渣粉改良土的力學(xué)特性
4.1單獨改良土力學(xué)特性
目前，許多學(xué)者進行了室內(nèi)試驗，包括比重試驗、粒度分析試驗、自由膨脹率試驗、Atterberg極限試驗、壓實試驗、三軸壓縮試驗、加州承載比（California bearing ratio，CBR）、UCS和液塑限試驗等。并從SSP粒徑及摻量、初始含水率、壓實度、干濕-凍融循環(huán)等方面探索改良土的膨脹性能、滲透性能、抗凍性能、水分特性和力學(xué)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，SSP的摻入顯著改善了土體的脹縮性，并提高了土體的抗剪強度。左德元等首次提出將SSP作為路基材料固化劑，通過顆粒級配、比重、壓縮、滲透等試驗發(fā)現(xiàn)，SSP填料具有較高的強度，壓縮性低，滲水性好。Akinwumi發(fā)現(xiàn)SSP的摻入增加了土體的干密度，改變了土體的壓實特性，提高了土體的比重、滲透性、CBR值和無側(cè)限抗壓強度。此外，隨著SSP摻量的增加，當(dāng)摻量為8%時能夠降低黏土的塑性和膨脹性，提高土體早期未固化的強度。袁明月等通過室內(nèi)試驗研究鋼渣微粉改良膨脹土的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)鋼渣微粉改良膨脹土的塑限增加，液限降低；當(dāng)其摻量為5%時，試樣在干濕循環(huán)作用下的膨脹率降低，抗剪強度增加。吳燕開等研究指出，當(dāng)SSP摻量為10%時土體抗膨脹性最優(yōu)。鑒于SSP粒徑和摻量對土體強度影響較大，因此建議SP粒徑小于0.5 nm，此時SSP可以和土體充分接觸并有效填充顆粒間隙。綜上所述，適當(dāng)?shù)腟SP摻量和合適的粒徑可以抑制土壤的自由膨脹率，降低土壤的液塑限，并提高土壤的抗剪強度和早期固化特性，有效抑制干濕循環(huán)下土壤強度的衰減速率。如圖5所示，不同SSP摻量下土壤的自由膨脹率和抗剪強度呈現(xiàn)不同的變化。鋼渣粉不僅可以改良膨脹土的塑性和膨脹性，還可以提高土體最優(yōu)含水率、干密度和抗剪強度。但不同SSP摻量比例下土體的膨脹率和強度改善效果各有不同。Aldeeky等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SSP摻量為20%時，土壤的自由膨脹率和塑性指數(shù)降低了58.3%和26.3%；同時最大干密度、抗壓強度和CBR值分別提高了6.9%、100%和154%。而Wang等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率為50%時，土體黏聚力隨SSP摻量的增加也隨之增加；而當(dāng)含水率介于70%～90%之間時，粘黏聚力隨SSP摻量增加而減小。這表明試樣含水率分別為50%和70%時土體抗剪強度達到最優(yōu)。此外，Yu等通過干濕循環(huán)、無側(cè)限抗壓強度、X-射線衍射、熱重和掃描電鏡等試驗研究了碳化鋼渣粉改良土的強度性能及微觀結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過碳化處理的鋼渣粉可顯著提高土體的抗剪強度。金明亮等利用鋼渣粉穩(wěn)定路基土，研究表明鋼渣粉粒徑為0～3 mm、最小摻量為15%時，穩(wěn)定土的強度隨摻量的增加而增強，浸水膨脹率減小，加州承載比（CBR）遠超規(guī)范要求。然而，程光前提出，對于鋼渣粉改良膨脹土性能，較高力學(xué)特性的最佳摻量為15%，超出該值將會使土壤的強度和脹縮性減弱。Worku等分析鋼渣粉改良膨脹土物理、力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SSP摻量為25%時，膨脹土液限、塑限、塑性指數(shù)和自由膨脹率分別降低25.6%、17.8%、7.8%和46.4%，而無側(cè)限抗壓強度從94.3 kPa提高到260.6 kPa。綜上所述，15%～25%摻量下，鋼渣粉可以顯著改善土體的脹縮性和力學(xué)強度。然而，目前鋼渣粉的最佳摻量仍存在爭議。這一爭議可能是由于鋼渣粉的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)地不同，導(dǎo)致其力學(xué)性能和礦物化學(xué)性質(zhì)存在差異，進而影響土壤的改良效果。因此，鋼渣粉在摻量上可能需要針對不同情況進行調(diào)整，以達到更好的改良效果。
?。╝）SSP改良土自由膨脹率隨時間的變化規(guī)律
?。╞）SSP改良土抗壓強度與應(yīng)變之間的關(guān)系
4.2與其它材料復(fù)合改良土力學(xué)特性
通過學(xué)者們持續(xù)的探索和研究，發(fā)現(xiàn)通過物理研磨法將材料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷啵蛘卟捎没瘜W(xué)激發(fā)劑與其他材料進行復(fù)合使用，可顯著提高改良土的力學(xué)性能。
在相關(guān)研究中，蔡曉飛等對石灰-SSP改良路基土力學(xué)特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石灰摻量為8%～12%，SSP摻量為25%時，土體強度顯著提高。崔偉研究了石灰-SSP改良土性能，從SSP摻量、養(yǎng)護期齡、配比等方面分析土體強度，結(jié)果表明SSP改良土的強度較高，水穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性也較好。另外，Gu等研究了不同摻量下的SSP-石灰復(fù)合改良路基土的無側(cè)限抗壓強度，當(dāng)SSP、石灰摻量分別為50%、5%，養(yǎng)護28 d時，無側(cè)限抗壓強度由0.73 MPa增加到4.09 MPa，此時改良土的綜合性能最佳。袁明月等研究石灰、SSP改良膨脹土力學(xué)特性，通過無側(cè)限抗壓強度、干濕循環(huán)和自由膨脹率試驗發(fā)現(xiàn)SSP可以延緩?fù)馏w裂隙發(fā)展，減小土體膨脹性，其土體強度優(yōu)于石灰。而厚榮斌通過三軸試驗、CBR研究SSP/石灰/稻殼灰改良膨脹土性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SSP摻量為20%時，土體塑性降低66.2%、強度增加96%、CBR增加97.5%。Wang等研究SSP-堿渣共同改良軟黏土工程性能，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉加入顯著改善土體的無側(cè)限抗壓強度。項國圣等研究石灰-SSP共同改良膨脹土的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)隨摻量增加土體膨脹率、最優(yōu)含水率和界限含水量降低，最大干密度增加。Alemshet等利用粉煤灰-SSP作為膨脹土穩(wěn)定劑，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉、粉煤灰摻量分別為20%和10%時，改良土抗剪強度和CBR值分別提高97.47%和84.82%。
上述研究側(cè)重于探討石灰對SSP改良膨脹土的力學(xué)特性影響的方面。盡管研究表明石灰、粉煤灰等可以有效提高SSP改良土體的整體性和力學(xué)強度，然而，尚未對在不同材料復(fù)配下、不同養(yǎng)護溫度下、不同壓實度及干濕循環(huán)作用等因素對SSP改良土宏觀力學(xué)特性的影響進行系統(tǒng)分析。物理及化學(xué)改良劑相互作用可有效改善黏性土的綜合性能，提高SSP的反應(yīng)速率。Wang等研究鋼渣粉-廢輪橡膠顆粒改良土強度特性，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉摻入可以有效提高土體的抗剪強度和動彈性模量，剪切模量隨鋼渣粉摻量、圍壓增大而增大，隨含水率增加而減??；主要是橡膠顆?？梢越档屯馏w的密度，提高其內(nèi)摩擦角。而Shahbazi等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼渣粉摻量為14%時，其無側(cè)限抗壓強度、膨脹率和膨脹壓力分別提高111%、89%和84%。隨后宋心斌研究鋼渣粉-水泥-石灰穩(wěn)定路基土性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合改良土強度較高、穩(wěn)定性較好。吳燕開等通過室內(nèi)試驗研究干濕循環(huán)作用下SSP-水泥改良膨脹土的體積變化率和膨脹率，發(fā)現(xiàn)改良土膨脹率減小95%以上，而體積變化率減小85%。而吳子龍等通過抗壓強度、劈裂抗拉強度和擊實試驗，他們發(fā)現(xiàn)在SSP與水泥改良土中，最優(yōu)含水率顯著提高，而最大干密度和強度增幅較小；但當(dāng)SSP超過最佳摻量時，土體的強度逐漸減小。
與此同時，黃祥、Wu等發(fā)現(xiàn)礦渣、石灰、偏高嶺土和Na2SO4摻量分別為28.6%、57.1%、9.5%、4.8%時，改良土養(yǎng)護28 d后的UCS為10.9 MPa。之后韓天、唐博等利用堿激發(fā)劑催化SSP-水泥復(fù)合改良膨脹土，發(fā)現(xiàn)其改良土體膨脹率最小，三軸抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度明顯提高，但是后期強度增長緩慢。主要原因是前期堿激發(fā)劑加快SSP水化反應(yīng)，強度已增長較大，因此后期表現(xiàn)較為緩慢，說明堿激發(fā)劑不能提高其后期強度。
綜上所述，SSP中摻入水泥、石灰、激發(fā)劑及其它改良劑可有效提高土體的綜合性能，顯著增強SSP的水化活性，提高其化學(xué)反應(yīng)程度。然而，對于不同復(fù)合改良材料的適用性和效果尚未得到全面的了解，需要更多關(guān)于不同摻量與不同類型的復(fù)配材料改良土的力學(xué)性能。其次，目前對于SSP改良土體的長期穩(wěn)定性和環(huán)境影響的研究相對較少，尤其是在實際工程應(yīng)用中的長期性能表現(xiàn)和環(huán)境影響方面的研究還有待加強。此外，SSP改良材料的配比設(shè)計、施工工藝以及與土體的相互作用等方面也需要進一步深入研究，以確保改良效果的可靠性和實用性。
5結(jié)論與展望
鋼渣粉作為一種新型土壤固化改良劑，在改良膨脹性黏土的脹縮性、抗壓強度、剪切強度和抗變形等方面具有突出優(yōu)勢。能夠與黏土顆粒發(fā)生陽離子交換吸附在表面，反應(yīng)形成C-S-H凝膠和微量鈣釩石（AFt）填充并膠結(jié)團粒，進而改變黏土顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)，提高其工程性能。利用鋼渣粉改良膨脹性黏土的工程性質(zhì)，既符合低碳、綠色、環(huán)保發(fā)展理念，又可提高固廢資源的高附加值利用、降低工程處理成本。然而，當(dāng)前存在一些問題需要進一步研究和解決：
?。?）鋼渣粉生產(chǎn)工藝的差異導(dǎo)致其化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)性質(zhì)、礦物組成、粒度、表面積、孔隙率及性能發(fā)生顯著變化，進而影響其化學(xué)活性和改良效果。今后需進一步完善和規(guī)范相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)，提高SSP的轉(zhuǎn)化效率和膠凝活性。因此，提高SSP活性及性能是未來研究的重點。
?。?）鋼渣粉中含有大量游離的氧化鈣（f-CaO）和氧化鎂（f-MgO），會與空氣中水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使SSP體積迅速膨脹，造成SSP穩(wěn)定性極差。雖可以考慮采用碳酸化工藝克服其安定性不良的因素，但SSP碳酸化應(yīng)用于土體改良整體性能的研究尚缺不足。
?。?）鋼渣粉改良膨脹性黏土的微觀機理及復(fù)合激發(fā)劑之間的反應(yīng)機制研究還相對不足，需要進一步探索堿激發(fā)劑、SSP與黏土之間的相互作用機制，并通過實驗和數(shù)值模擬等手段建立宏微觀力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，為SSP改良膨脹性黏土提供更加科學(xué)的理論基礎(chǔ)。
?。?）土體改良的效果受到改良劑類型、添加量、混合方式和使用環(huán)境等多種因素的影響和控制，未來應(yīng)考慮不同因素耦合下的化學(xué)-礦物成分及土體微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，從宏微觀角度建立土體在水-化-力作用下的力學(xué)特性及耐久性評價體系。進而從更廣泛的實際應(yīng)用和環(huán)境影響出發(fā)，深入研究SSP改良土體的適用性、長期性能和環(huán)境影響等方面的問題。
來源：孫銀磊，余川（云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院）
編輯：冶金渣與尾礦
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