赤泥-钢渣粉-水泥固化流态土性能试验研究.pdf

第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月硅 酸 盐 通 报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.42 No.7July,2023赤泥-钢渣粉-水泥固化流态土性能试验研究王聪聪1,刘茂青2,宋红旗2,庚利民1,杜红秀1(1.太原理工大学土木工程学院,太原 030024;2.山西六建集团有限公司,太原 030024)摘要:为节约水泥资源,响应“双碳”目标,本文探究以工业固废赤泥和钢渣粉与水泥复合固化流态土,对不同赤泥和钢渣粉掺量下流态固化土的工作性能、抗压强度、电化学阻抗谱和微观结构进行试验研究。结果表明,改变赤泥-钢渣粉掺量可以调控流态固化土工作性能,坍落度随赤泥掺量的增大呈先增大后减小的趋势,赤泥掺量为 10%(质量分数)时,坍落度达到最大值,为203.0 mm,凝结硬化时间随赤泥掺量的增大逐渐缩短,初凝时间为250 285 min。流态固化土的抗压强度主要由水化反应生成的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石构成,赤泥掺量为 20%(质量分数)时,28 d 龄期的抗压强度达到最大值,为 4.67 MPa,赤泥和钢渣粉存在协同作用,复掺赤泥和钢渣粉使 C-S-H 凝胶的生成量增加,流态固化土的力学性能得到了提升。随着赤泥掺量的增大,容抗弧半径、阻抗模值和相位角峰值、孔溶液电阻 Re和凝胶中双电层电容 Q 均呈先增大后减小的趋势,当赤泥、钢渣粉和水泥的质量比为 2 3 5时均达到最大值,电化学阻抗谱及其等效电路拟合结果与抗压强度变化规律一致,电化学阻抗谱技术用于流态土固化效果的无损测试具有可行性。关键词:流态固化土;赤泥;钢渣粉;工作性能;抗压强度;电化学阻抗谱中图分类号:TU442文献标志码:A文章编号:1001-1625(2023)07-2488-09Experimental Study on Properties of Red Mud,Steel SlagPowder and Cement Solidified Fluidized SoilWANG Congcong1,LIU Maoqing2,SONG Hongqi2,GENG Limin1,DU Hongxiu1(1.College of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi Sixth Construction Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,China)收稿日期:2023-03-15;修订日期:2023-05-11基金项目:横向科研基金资助项目(RH2100004072)作者简介:王聪聪(1996),男,硕士研究生。主要从事混凝土结构材料及其高温性能的研究。E-mail:通信作者:杜红秀,博士,教授。E-mail:Abstract:In order to save cement resources and respond to the goal of“double carbon”,the use of industrial solid wastered mud and steel slag powder combined with cement to solidified fluid soil were explored.The working performance,compressive strength,electrochemical impedance spectroscopy and microstructure of the fluidized solidified soil withdifferent red mud and steel slag powder content were investigated.The results show that the working performance offluidized solidified soil can be regulated by changing the red mud and steel slag powder content.The slump increases firstand then decreases with the increase of red mud content,when the red mud content is 10%(mass fraction),the slumpreaches the maximum value of 203.0 mm.The setting and hardening time decreases with the increase of red mud content,the initial setting time ranges from 250 to 285 min.The compressive strength of fluidized solidified soil is mainly composedof hydrate calcium silicate(C-S-H)gel and ettringite generated by hydration reaction.At the age of 28 d,the compressivestrength reaches the maximum value of 4.67 MPa,when the red mud content is 20%(mass fraction).There is asynergistic effect between red mud and steel slag powder,the addition of red mud and steel slag powder increases theproduction of C-S-H gel,and improves the mechanical properties of fluidized solidified soil.With the increase of red mudcontent,the arc radius of capacitive reactance,impedance modulus and phase angle peak,pore solution resistance Reanddouble electric layer capacitance Q all increase first and then decrease,and they all reach the maximum value when themass ratio of red mud,steel slag powder and cement is 2 3 5.The results of electrochemical impedance spectrum and itsequivalent circuit fitting are consistent with the variation law of compressive strength,electrochemical impedance spectrum第 7 期王聪聪等:赤泥-钢渣粉-水泥固化流态土性能试验研究2489technology is feasible in non-destructive testing of curing effect of fluidized solidified soil.Key words:fluidized solidified soil;red mud;steel slag powder;working performance;compressive strength;electrochemical impedance spectroscopy0 引 言流态固化土是在土中加入与土样特性相适应的固化剂、必要的外加剂,然后和水拌和均匀,形成具有工作性能,且经养护后固化为具有一定强度、水稳定性和耐久性的新型绿色工程材料1。相较于传统的混凝土材料,流态固化土具有低成本、绿色环保、施工工序少和周期较短等特点。因此,流态固化土在填筑工程、道路工程、工业废物处理等方面具有广阔的应用前景2。流态固化土主要以水泥为固化剂对土颗粒进行固化3,并对土界面有良好的活化作用,但单掺水泥会增加施工成本。赤泥和钢渣粉是难以资源化利用的工业固废4-5,其中赤泥的硅铝酸盐含量较高,而钢渣粉和水泥成分较为相似,均以硅酸盐为主,因此赤泥和钢渣粉均属于火山灰质材料,具有一定的胶凝性和水硬性。利用工业固废赤泥和钢渣粉作为辅助胶凝材料代替部分水泥不仅可以降低施工成本,还可以通过碱活化效应、填充效应和火山灰效应改善流态固化土的工作性能、力学性能和耐久性6-8。钢渣粉的活性远低于水泥,而赤泥呈强碱性,可以促进钢渣粉中硅铝质活性成分溶解,从而提高钢渣粉的活性9,赤泥、钢渣粉和水泥复合固化流态土可以做到“优势互补”“梯度水化”和“协调作用”,使流态固化土体系水化效率和水化程度更高,节约水泥资源,充分发挥其效能10-12。因此,开展赤泥和钢渣粉对流态固化土固化效果的研究,将工业固废转变为高附加值的固化剂,不仅可以带来巨大的工程和经济价值,还符合国家“双碳”目标的要求。本文以坍落度、凝结硬化时间和抗压强度为指标表征流态固化土的工作性能和力学性能,通过电化学阻抗谱及电化学参数分析流态固化土的电化学特征,反映流态固化土内部结构和宏观力学性能随赤泥-钢渣粉掺量变化的规律,探究电化学阻抗谱技术运用于流态土固化效果无损测试的可行性,同时对流态固化土进行XRD 和 SEM 测试,揭示赤泥和钢渣粉固化流态土的作用机理。1 实 验1.1 原材料土样采自太原潇河新城施工现场,物理性能指标和主要化学成分分别如表 1、表 2 所示。水泥采用PO 42.5 型普通硅酸盐水泥,满足通用硅酸盐水泥(GB 1752007)规定,主要化学成分如表 2 所示。赤泥取自山西吕梁某铝厂,颜色呈红褐色,颗粒较细,主要化学成分如表 2 所示,XRD 谱如图 1 所示。钢渣粉由钢厂排放的钢渣粉磨而成,主要化学成分和性能指标分别如表2、表3 所示,钢渣粉 XRD 谱如图2 所示。拌和用水采用普通自来水。采用无水硫酸钠作为早强剂,无水硫酸钠为分析纯,符合国家标准化学试剂 无水硫酸钠(GB/T 98532008)。表 1 土样基本物理性能指标Table 1 Basic physical properties of soil sampleLiquid limit/%Plastic limit/%Plasticity indexFluid indexWater content/%Dry density/(gcm-3)29.7017.2012.100.8627.601.75表 2 土样、水泥、赤泥、钢渣粉的化学成分Table 2 Chemical composition of soil sample,cement,red mud and steel slag powerChemical componentMass fraction/%CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOK2OTiO2Na2OMnOOtherSoil sample1.5560.7021.9612.151.100.691.120.110.62Cement56.0124.268.474.013.811.300.490.311.34Red mud15.5826.8024.036.961.220.763.427.150.1113.97Steel slag powder44.9613.153.7623.118.600.060.123.982.262490资源综合利用硅 酸 盐 通 报 第 42 卷图 1 赤泥的 XRD 谱Fig.1 XRD p