硅酸盐水泥的主要技术性质（S105矿粉替代复合硅酸盐水泥固化盐碱土试验及机理研究）

摘 要：

为解决盐碱土用作道路路基时出现的溶陷、盐胀问题，将粒化高炉矿渣磨细后掺入到复合硅酸盐水泥中对盐碱土进行固化处理，该方法不但能够解决盐碱土的溶陷、盐胀问题，还能够减小水泥的用量。试验中将部分复合硅酸盐水泥采用S105粒化高炉磨细矿粉替代，应用两者的混合物固化盐碱土，得到了不同粒化高炉磨细矿粉替代率对固化盐碱土试样强度及应力-应变关系的影响规律；采用扫描电子显微镜(SEM)及XRD衍射仪得到了不同粒化高炉磨细矿粉替代率时固化盐碱土试样的微观形态结构以及主要水化产物成分。研究结果表明：不同龄期的固化盐碱土试样，在粒化高炉磨细矿粉替代率为50%时，试样的强度达到峰值；90 d龄期时，固化盐碱土试样应力-应变曲线的斜率随着粒化高炉磨细矿粉替代率的增大而增大，在粒化高炉磨细矿粉替代率为50%时斜率达到最大。不同替代率的粒化高炉磨细矿粉掺加到复合硅酸盐水泥中，对混合物水化产物的形成及产物能够产生较大的影响。

关键词：

盐碱土;粒化高炉磨细矿粉;复合硅酸盐水泥;无侧限抗压强度;微观结构;水化产物;

作者简介：

邢国起(1977—),男，副教授，博士，主要从事岩土土体特性以及海上拖曳锚的研究工作研究。

基金：

国家自然科学基金面上项目(52178347);

山东省自然科学基金项目(ZR2020QE258);

山东潍坊高新区科技惠民计划项目(2019KJHM09);

引用：

邢国起，张立君，李香美，等． S105 矿粉替代复合硅酸盐水泥固化盐碱土试验及机理研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022， 53( 7) : 180-190.

XING Guoqi，ZHANG Lijun，LI Xiangmei，et al． Experiment and mechanism for saline soils strengthened with Portland composite cement substituted by S105 ground granulated blast-furnace slag［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2022，53( 7) : 180-190.

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0 引 言

潍坊滨海经济开发区位于环渤海湾区。该地区海拔低，淤泥土层较薄，而海水中所含的盐分在土壤中基质吸力的作用下易上升至地表，从而使得土壤盐碱化，进而造成地面的植被破坏，从而使得更多的盐分上升至地表，形成了盐碱土。毛明春等通过对该地区的实地调研发现：潍坊滨海地区的土质主要是氯盐碱土，含盐量处于2.1%～2.4%之间，属于中度盐碱土。盐碱土中含有的Na2SO4和Na2CO3在温度降低时从盐渍土中析出而温度升高时则溶解于盐碱土中，因此会使得盐碱土发生溶陷、盐胀等现象,极易造成工程建设灾害。我国每年由于盐碱土溶陷、盐胀等造成的经济损失高达上亿元。因此，避免或减少盐碱土对工程建设产生的破坏以及减少由此产生的经济损失成为普遍关注的问题。潍坊滨海经济技术开发区目前拥有“蓝色”和“黄色”两大国家级战略以及胶东半岛高端产业聚集区的政策优势，从而为开发区的发展提供了有利的战略平台和前所未有的发展机遇。因此，为了推动潍坊滨海经济开发区的快速发展，势必要对该地区广泛存在的盐碱土进行处理，以利于工程建设与经济的发展。

1 研究现状

目前国内外针对盐渍土的溶陷、盐胀等基本特性进行了深入的研究，取得了一系列研究成果。例如，李小林等分析了柴达木盆地土壤积盐类型的分布特点以及成因，研究了土壤成盐环境和盐胀溶陷灾害形成演化对工程建设的影响，提出了相应的防护治理措施。针对青海地区盐渍土中硫酸钠含量小于1%时也会产生盐胀现象，而超氯盐渍土却不会产生溶陷的现象，罗友弟进行了较为深入的研究，研究结果表明：地质环境因素对建(构)筑物由于盐胀问题引起的破坏起决定性作用，不符合现行规范规定的硫酸钠含量超过1%才应考虑盐胀性的条文。魏进等研究了不同初始含水量、含盐量及上覆荷载条件下的滨海氯盐渍土的溶陷和盐胀特性，得到了含盐量试样的冻融循环盐胀规律以及无荷和有荷情况下的盐胀规律。为了降低硫酸盐渍土的盐胀与溶陷性，郑子昂等采用粉煤灰、氯化钙和水泥三种固化剂复掺对硫酸盐渍土进行处理，按照正交设计要求通过极差和方差分析，得到了各因素对硫酸盐渍土盐胀性与溶陷性的影响机理。郭小文等运用控制变量法研究了冻融循环次数、含盐率、含水率及荷载对新疆阿拉山口地区盐渍土盐胀和融陷变形量的影响规律。根据硫酸钠的溶解定律，BLASER和SCHERER提出了盐碱土的膨胀机理；在降温的过程中，十水硫酸钠晶体从硫酸钠溶液中析出，而十水硫酸钠晶体的体积要比硫酸钠晶体的体积要大，因此造成盐碱土的膨胀现象。WAN等研究了盐渍土中十水硫酸钠晶体在降温过程中的沉淀规律，同时还建立了含水量变化与降温的关系。针对保温层和土袋作用下的盐碱土，CHEN等及LYU等揭示了硫酸盐盐碱土盐胀、溶陷现象的还原规律等。NIU和GAO针对硫酸盐盐碱土由于降温引起的隆起现象，建立了由于温度降低引起的隆起量的计算方法。

在盐碱土地区施工道路以及房屋建筑时，为了减少盐碱土的盐胀及溶陷现象对道路以及房屋建筑产生的破坏影响，必须对盐碱土进行处理，否则不能用于道路和房屋建筑的施工。目前盐碱土用做道路和房屋建筑的基础前，主要采用抗腐蚀性能较好的复合硅酸盐水泥等处理盐碱土地基,从而能够有效防止盐碱土由于盐胀和溶陷等对道路和房屋建筑产生的破坏。但是水泥的生产过程会消耗大量的石灰石和黏土等不可再生资源以及生产过程中会有大量的CO2、粉尘、烟尘、SO2等排入大气中，会对环境造成较大的污染,因此为保护环境开发替代水泥的材料显得迫在眉睫。

粒化高炉磨细粉是炼铁过程中产生的以硅酸盐和铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后粉磨形成的矿粉。研究发现，粒化高炉磨细矿粉中的大部分成分与水泥的成分很相似,但是矿粉中由于缺少碱激发剂，使得其水化速度非常慢。丁向群等探索了超细矿粉与普通硅酸盐水泥的混合物固化粉质黏土的可行性。研究结果表明：超细矿粉掺入水泥中有助于改善水泥土结构的密实性，从而使得水泥土的无侧限抗压强度增大，也进一步说明了普通硅酸盐水泥中的碱激发剂能够激发超细矿粉的活性。易耀林等探索了不同碱激发剂，例如，NaOH、Na2CO3、Na2SO4等对超细矿粉的碱激发作用，研究结果发现Na2CO3、Na2SO4也可以用作矿粉的碱激发剂来固化软土。盐渍土中含有的Na2CO3、Na2SO4如果用作矿粉的碱激发剂参与混合物的水化反应，能够很好地解决盐渍土中含有的Na2CO3、Na2SO4引起的盐胀和溶陷问题。本文主要探索复合硅酸盐水泥被粒化高炉磨细矿粉(S105)部分替代后，混合物固化盐碱土的可行性；揭示复合硅酸盐水泥水化产物Ca(OH)2以及盐碱土中的Na2CO3、Na2SO4对粒化高炉磨细矿粉(S105)的碱激发作用而形成的水化产物。本文的研究工作不但能够减少复合硅酸盐水泥的使用量，进而减少水泥生产过程中产生的环境污染问题，还能够使炼铁过程中产生的废料——粒化高炉磨细矿粉得到充分利用。

2 试验方案

2.1 试验材料

试验使用的水泥来自潍坊山水水泥有限公司生产的复合硅酸盐水泥(P.C 42.5)。复合硅酸盐水泥由含量为75%的硅酸盐熟料水泥以及含量为25%的粉煤灰和石灰石组成。试验所用的复合硅酸盐水泥的化学成分及物理特性如表1所列。

图1(a)所示为试验使用的盐碱土，该盐碱土试样取自潍坊滨海经济开发区的某施工现场。图1(b)所示为采用扫描电子显微镜(SEM)得到的盐碱土试样的微观结构形态图。图2所示为盐碱土试样的颗粒级配曲线图。由图1(b)及图2可以看出，盐碱土试样的颗粒呈松散状态且颗粒的级配较差，如用作道路基础或建筑物的基础，必须进行处理后才能使用。表2、表3所示为盐碱土试样采用常规试验方法得到的物理特性以及相关离子的含量。

图1 盐碱土试样及微观结构

图2 盐碱土试样颗粒级配曲线

考虑到潍坊滨海经济开发区盐碱土地区高铁路基基床底层改良土的要求，本次试验采用青岛建筑材料公司生产的优质S105级粒化高炉矿渣矿粉，其主要氧化物含量及物理特性如表4所列。粒化高炉磨细矿粉是由矿渣磨细后形成的微粉，具有较强的活性；能够发生水化反应的主要原因是由于水和各种激发剂对玻璃体作用的结果。呈玻璃态的矿渣并不具有单独地硬化能力，而矿渣作为具有潜在水硬性的废渣含有较多的CaO,经水淬后的粒化高炉矿渣大部分为非晶质，而这种玻璃体蕴藏着很高的结晶性能量(约80 cal/g),因此具有良好的水硬性。如果体系的pH≥12,则高炉矿渣中-O-Si-O-Al-O-不规则的锁链结构在强碱作用下被切断，释放出网状结构所包围的各种碱性离子，因此使得其具有与普通水泥相同的水硬性。

由如下公式

式中，C(CaO)、C(MgO)、C(SiO2)及C(Al2O3)表示相应氧化物的质量分数；由表4中各氧化物的质量分数，得到M=0.819<1.0,因此试验所用的粒化高炉磨细矿粉属于酸性矿渣。

2.2 试验仪器设备

本次试验采用量程为10 kN的无侧限抗压强度仪。由于使用的无侧限抗压强度仪无法自动采集试验数据，对其进行改进后使其能够通过应变式传感器、电阻应变仪以及TMR-7200动态应变采集系统进行数据采集；数据采集系统的采集频率设置为20 Hz。此外，无侧限抗压强度仪的加载速率为2.4 mm/min。图3所示为改进后的无侧限抗压强度仪，依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)分别测定7 d、14 d、28 d、56 d及90 d龄期试样的强度，每组测定3个试样，取有效数据的平均值作为试样的强度代表值。

图3 改进的无侧限抗压强度仪

此外，试验采用德国产热场发射扫描电子显微镜(见图4)揭示粒化高炉磨细矿粉替代率对固化盐碱土试样微观形态的影响；采用XRD衍射试验研究粒化高炉磨细矿粉替代率对固化盐碱土试样水化产物的影响；本次XRD衍射试验委托山东省分析测试中心进行测试分析。

图4 热场发射扫描电子显微镜

2.3 试验方法

本次试验将复合硅酸盐水泥以及复合硅酸盐水泥和粒化高炉磨细矿粉的混合物称之为固化剂。依据行业标准《水泥土配合比设计规程》(JTG/T 233—2011),试样中盐碱土与其固化剂的质量比为7∶3,也即固化剂的质量含量为30.0%;为了得到最优的复合硅酸盐水泥与粒化高炉磨细矿粉之比，采用替代率为0、10.0%、20.0%、30.0%、40.0%、50.0%、60.0%、70.0%、80.0%及90.0%的粒化高炉磨细矿粉来替代部分复合硅酸盐水泥，然后采用两者的混合物固化盐碱土；替代率为0表示采用复合硅酸盐水泥作为固化剂。

基于行业标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009),应用击实试验得到不同替代率粒化高炉磨细矿粉、复合硅酸盐水泥以及盐碱土混合物的最优含水率为20.0%,试样的最大干密度为1.98 g/cm3。试验采用压实法制备等最大干密度的试样。为了制备试验试样，首先将盐碱土进行晾干后再粉粹，然后采用2 mm筛筛除杂质，最后将去除杂质后的盐碱土放入100 ℃烘箱中烘干。将复合硅酸盐水泥和粒化高炉磨细矿粉倒入小型搅拌机中搅拌均匀，然后再在搅拌机中倒入烘干后的盐碱土搅拌均匀，最后倒入水再搅拌至均匀。将搅拌均匀后的混合物等分为3层装入直径为39.1 mm高度为80 mm的模具中；为了便于将混合物试样从模具中取出，在模具的内表面涂抹润滑油，再分层振捣直至试样中的气泡排出；为了增大振捣试样中层与层之间的摩擦，每层混合物振捣结束后，在其表面进行划痕，然后再倒入下一层的混合物进行振捣。为了消除试样制作过程产生的较大误差，每组制作3个试样。试样制样结束后将其从模具中取出，然后放置于养护室中进行养护至预定龄期；养护室内温度及相对湿度分别为(20±5) ℃及90%。

在90 d龄期试样实施无侧限抗压强度试验后，采集破坏后的试样将其粉粹；采用2 mm筛筛除过大的碎块后，采用无水乙醇浸泡至少48 h, 从而使得试样脱水进而停止水化反应；然后将其放置在100 ℃的烘箱中进行脱水，直至试样质量不再发生变化为止；最后采用SEM电镜扫描试验和XRD衍射试验进行试样微观结构形态以及水化产物的研究。

3 试验结果及分析

3.1 粒化高炉磨细矿粉替代率对固化盐碱土试样强度的影响

图5所示为不同粒化高炉磨细矿粉替代率时，固化盐碱土试样的无侧限抗压强度随龄期的变化规律。由图5可以发现，相同粒化高炉磨细矿粉替代率时，随着龄期的增长固化盐碱土试样的无侧限抗压强度也都呈逐渐增长趋势；由图5还可以进一步发现，当龄期大于14 d时，固化盐碱土的强度增长明显比龄期7 d和14 d时的增长率要小。此外，由图5还可以看出，粒化高炉磨细矿粉替代率为50%时，固化盐碱土试样的无侧限抗压强度在不同养护龄期时均达到峰值。

图5 龄期及粒化高炉磨细矿粉替代率对试样强度的影响

上述试验现象表明：相同龄期时，随着粒化高炉磨细矿粉替代率的逐渐增大，固化盐碱土试样的无侧限抗压强度呈先增大后减小的趋势。发生上述现象的主要原因是：活性较高的S105粒化高炉磨细矿粉替代部分复合硅酸盐水泥后，在复合硅酸盐水泥水化产物中碱性物质和盐碱土中的碱性激发剂Na2CO3、Na2SO4的共同作用下，粒化高炉磨细矿粉要比等量的复合硅酸盐水泥产生更多的硅酸钙凝胶(C-S-H),而硅酸钙凝胶能够显著增强土体颗粒的强度,因此出现：粒化高炉磨细矿粉替代率小于50%时，固化盐碱土试样的强度随着替代率的增大呈逐渐增大的趋势；当粒化高炉磨细矿粉替代率大于50%时，复合硅酸盐水泥水化产物中的碱性物质和盐碱土中的Na2CO3、Na2SO4不能完全激发被等量替代的粒化高炉磨细矿粉，也即产生的能够显著提高盐碱土颗粒强度的硅酸钙凝胶数量反而减少，因此使得固化盐碱土试样的强度随粒化高炉磨细矿粉替代率增大呈减小的趋势。由本次试验可以得到：盐碱土试样与固化剂质量比为7∶3时，固化剂混合物中S105粒化高炉磨细矿粉与复合硅酸盐水泥的最佳比例为1∶1。

基于图6中的试验数据，应用最小二乘法得到粒化高炉磨细矿粉替代率与固化盐碱土试样无侧限抗压强度关系的拟合曲线(见图6);上述拟合曲线的数学表达式为

式中，Pu表示固化盐碱土试样的无侧限抗压强度(MPa);S表示粒化高炉磨细矿粉替代率，0≤S≤90%;式(2)中Pu与S的相关系数R=0.998 5。由式(2)可以得到试样最优含水率及最大干密度时，且试样中固化剂与盐碱土质量比为3∶7时，粒化高炉磨细矿粉替代率对固化盐碱土试样无侧限抗压强度的影响规律。

图6 90 d龄期时粒化高炉磨细矿粉替代率对试样强度的影响

当粒化高炉磨细矿粉替代率为50%时，图7给出了龄期对固化盐碱土试样无侧限抗压强度的影响。由图7可以看出：最优粒化高炉磨细矿粉替代率时，当龄期小于28 d时，试样的强度随着龄期的增长而快速增长；当龄期大于28 d时，试样的强度随着龄期的增长而增长，但是增长的速率明显小于龄期小于28 d阶段。同样基于图7中的试验数据，应用最小二乘法得到龄期与固化盐碱土试样无侧限抗压强度关系的拟合曲线(见图7);图7中的拟合曲线可采用如下的数学表达式描述两者之间的关系为

式中，Pu表示试样的无侧限抗压强度(MPa);T表示试样的养护龄期(7 d≤T≤90 d)(d);式(3)中Pu与T的相关系数R=0.978 9。由式(3)可以得到试样最优含水率及最大干密度时，且试样中固化剂与盐碱土质量比为3∶7时，龄期对固化盐碱土试样无侧限抗压强度的影响规律。

图7 粒化高炉磨细矿粉50%替代率时龄期对固化盐碱土无侧限抗压强度的影响

3.2 粒化高炉磨细矿粉替代率对固化盐碱土试样应力-应变关系曲线斜率的影响

为了揭示粒化高炉磨细矿粉替代率对固化盐碱土试样应力-应变关系曲线斜率的影响，图8给出了龄期90 d时，固化剂混合物中粒化高炉磨细矿粉替代率分别为0、10%、30%、50%、70%及90%时，固化盐碱土试样的应力-应变关系曲线。

图8 粒化高炉磨细矿粉替代率对试样应力-应变曲线斜率的影响

由图8可以看出，粒化高炉磨细矿粉替代率不超过50%时，随着替代率的增大，固化盐碱土试样强度峰值相应的应变值呈逐渐减小的趋势；当替代率为70%时，试样强度峰值相应的应变值非常接近于单独采用复合硅酸盐水泥固化盐碱土试样强度峰值相应的应变值；当替代率为90%时，固化盐碱土试样强度峰值相应的应变值则大于复合硅酸盐水泥固化盐碱土试样强度峰值相应的应变值。由图8还可以发现，试样应力-应变曲线中强度峰值前基本为直线；当粒化高炉磨细矿粉替代率不超过50%时，应力-应变关系曲线直线段的斜率随着替代率的增大而增大；当替代率超过50%后，应力-应变曲线直线段的斜率则随着替代率的增大呈减小的趋势。由图(8)还可以看出，替代率为70%时，应力-应变曲线直线段的斜率非常接近复合硅酸盐水泥固化盐碱土试样应力-应变曲线直线段的斜率；当替代率为90%时，应力-应变曲线直线段的斜率则小于复合硅酸盐水泥固化盐碱土试样应力-应变曲线直线段的斜率。

3.3 粒化高炉磨细矿粉替代率对混合物水化产物的影响

为了得到粒化高炉磨细矿粉替代率对固化盐碱土试样微观结构形态以及水化产物的影响，采用SEM扫描电镜试验和XRD衍射试验得到了粒化高炉磨细矿粉替代率为0、10%、30%、50%、70%及90%的固化盐碱土试样的微观结构形态和主要水化产物。

试验使用的复合硅酸盐水泥熟料主要含有3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3、4CaO·3Al2O3·SO3等钙化合物。上述钙化合物常温下水化反应生成的主要水化产物有C-S-H凝胶、3CaO·Al2O3·6H2O、Ca(OH)2晶体、3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(钙矾石AFt)、3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O(单硫型水化铝酸钙AFm)等。

图9(a)(b)分别为复合硅酸盐水泥作为固化剂固化盐碱土试样的微观结构形态图及XRD衍射图。由图9(a)所示的水化产物微观结构SEM图可以看出，C-S-H絮状凝胶将盐碱土颗粒联结起来。由图9(b)所示水化产物的XRD衍射图可以看出，主要水化产物除了C-S-H凝胶外，还存在着Ca(OH)2晶体、钙矾石晶体(AFt)、单硫型水化硫铝酸钙(AFM)以及不稳定的水化产物3CaO·Al2O3·6H2O等。

图9 复合硅酸盐水泥固化盐碱土水化产物微观结构形态及XRD衍射图

由表4可以看出，S105粒化高炉磨细矿粉中MgO和Fe2O3的含量很低，矿粉可以表示为CaO-SiO2-Al2O3或者C5S3A。当复合硅酸盐水泥作为固化剂其中一部分被粒化高炉磨细矿粉替代时，粒化高炉磨细矿粉将在复合硅酸盐水泥水化产物Ca(OH)2以及盐碱土中存在的Na2SO4和Na2CO3等碱激发剂作用下形成以下水化产物

由上述水化反应的公式(4)(5)及(6)可以看出，粒化高炉磨细矿粉在三种不同碱性激发剂作用下的共同水化产物为C-S-H凝胶；其他水化产物则随着碱性激发剂的不同而有所不同。

图10(a)(b)所示为10%粒化高炉磨细矿粉替代率时，混合物水化产物的SEM图及XRD衍射图。由图10(a)所示的微观结构形态图可以看出，盐碱土颗粒之间被絮状C-S-H凝胶填充，此外还明显地看到针状钙矾石(AFt)附着在絮状凝胶上。由图10(b)所示的XRD衍射图可以看出，此时水化产物除了C-S-H、Ca(OH)2、AFt、AFm及3CaO·Al2O3·6H2O与复合硅酸盐水泥的水化产物相同外，还产生了Al(OH)3晶体。由此可以判断，复合硅酸盐水泥的水化产物Ca(OH)2以及盐碱土中Na2SO4和Na2CO3等碱激发剂参与了粒化高炉磨细矿粉的水化反应；但在图10(b)的XRD衍射图中未探测到3CaO·Al2O3·CaCO3·12H2O存在，而只有不稳定水化产物3CaO·Al2O3·6H2O存在。

图10 10%粒化高炉磨细矿粉替代率时水化产物微观结构形态及XRD衍射图

当粒化高炉磨细矿粉替代率增至30%时，混合物水化产物的SEM图、XRD图分别如图11所示。由图11(a)所示的SEM图可以看出，此时的盐碱土颗粒之间仍然充填着较多的蜂窝状结构体以及层状结构体等。由图11(b)所示水化产物的XRD衍射图可以发现，此时混合物的水化产物与图10(b)所示的复合硅酸盐水泥和盐碱土混合物水化产物的XRD衍射图显示的主要水化产物非常相似。

图11 30%粒化高炉磨细矿粉替代率时水化产物微观结构形态及XRD衍射图

图12(a)(b)分别为粒化高炉磨细矿粉替代率50%时水化产物的SEM图及XRD图。可以看出，图12(a)所示的盐碱土颗粒之间填充物微观结构形态与图11(a)所示的微观结构形态相似，都是盐碱土颗粒之间被絮状凝胶体充填。然而，粒化高炉磨细矿粉替代率较高时，能够使得混合物水化产物的耐腐蚀性提高,因此适合于盐碱地区土层。由图12(b)所示混合物水化产物的XRD衍射图可以发现，当粒化高炉磨细矿粉替代率为50%时，相较于图11(b)所示混合物水化产物的XRD衍射图，此时Ca(OH)2未检测到，但是却检测到了3CaO·Al2O3·CaCO3·3H2O的存在，由此可以得出以下结论：复合硅酸盐水泥的水化产物Ca(OH)2参与粒化高炉磨细矿粉的水化反应消耗殆尽时，盐碱土以及复合硅酸盐水泥中的Na2CO3参与了矿粉的水化反应，但是并没有VOINOVITCH等认为的3CaO·Al2O3·CaCO3·12H2O出现，而是水化反应产生了3CaO·Al2O3·CaCO3·3H2O,主要原因是由于水化反应所需的水量不足造成。

图12 50%粒化高炉磨细矿粉替代率时水化产物微观结构形态及XRD衍射图

继续增大粒化高炉磨细矿粉替代率至70%时，由图13(a)所示水化产物的SEM图可以看出，盐碱土颗粒之间存在着带有较多微细孔隙的结构体，另外还有大量的针状结构体附着在微细孔隙结构体上。由图13(b)所示水化产物XRD衍射图可以看出：由于粒化高炉磨细矿粉替代率较高，此时在混合物的水化产物中也没有检测到Ca(OH)2;其他生成的水化产物如：C-S-H凝胶、AFt、AFm、3CaO·Al2O3·6H2O以及Al(OH)3与图12(b)所示的水化产物相同。另外，在混合物的水化产物中检测到了CaCO3晶体的存在；产生CaCO3晶体的原因可能为试样中的含水量此时达不到生成3CaO.Al2O3·CaCO3·3H2O所需的含水量，因此生成了CaCO3晶体。

图13 70%粒化高炉磨细矿粉替代率时水化产物微观结构形态及XRD衍射图

图14(a)(b)所示为90%粒化高炉磨细矿粉替代率时，混合物水化产物的SEM图及XRD衍射图。由图14(a)可以看出，此时盐碱土颗粒之间填充着片状结构体、针状结构体以及胶凝状结构体等水化产物。由图14(b)所示水化产物的衍射图可以看出，此时(也即混合物主要以矿粉为主时),混合物的水化产物基本与式(1)(2)及(3)的水化产物相同；同样由于此时混合物水化反应所需的含水量大于试样含水量的原因，此时仅仅生成了3CaO·Al2O3·6H2O以及3CaO·Al2O3·CaCO3·2H2O,同时还水化生成了CaCO3晶体等。

图14 90%粒化高炉磨细矿粉替代率时水化产物微观结构形态及XRD衍射图

4 结 论

采用无侧限抗压强度试验、SEM扫描电镜试验以及XRD衍射试验研究了S105粒化高炉磨细矿粉替代率对固化盐碱土试样无侧限抗压强度的影响以及对混合物水化产物的形成及产物的影响等，得到了如下结论：

(1)掺加30%固化剂的盐碱土试样，最优含水率为20.0%以及试样达到最大干密度1.98 g/cm3时，当固化剂中复合硅酸盐水泥与粒化高炉磨细矿粉质量比为1∶1时，此时固化盐碱土试样的无侧限抗压强度达到峰值。

(2)试样90 d龄期时，随着粒化高炉磨细矿粉替代率的增大，固化盐碱土试样应力-应变曲线直线段的斜率呈逐渐增大的趋势，在替代率为50.0%时斜率达到最大值；继续增大粒化高炉磨细矿粉的替代率，反而使得试样应力-应变曲线直线段的斜率变小。

(3)基于试验数据，应用最小二乘法拟合得到了粒化高炉磨细矿粉替代率介于0～50.0%时对试样无侧限抗压强度的影响规律；拟合得到了粒化高炉磨细矿粉替代率为50%时，试样龄期介于0～90 d对试样无侧限抗压强度的影响规律。

(4)粒化高炉磨细矿粉替代率对混合物水化产物的形成及产物产生一定的影响。

另外，S75及S95矿粉在生产工艺提升后生产成本也较原来下降较大，本次试验采用S105矿粉的结论能够为下一步开展S75及S95矿粉的应用研究提供基础。

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水利水电技术（中英文）

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