● 摘要
软土固化使用的固化剂主要是水泥，所需水泥量达3亿t/年；然而水泥固化土效果并不理想的，常常不能满足工程需求，迫切需要开发高效固化剂。另一方面，我国工业废渣堆存量已达到64亿t，且仍以10亿t/年的速度增长。高附加值资源化利用工业废渣是亟待解决的课题。工业废渣可制备高效固化剂，但至今没有得到产业化生产与规模化应用。探讨制约工业废渣产业化生产固化剂及其大规模应用的关键问题、提出解决方案具有重要的技术、经济和社会意义。固化剂需要包含膨胀性组分，目前能够应用的膨胀组分或生产环境负荷高、价格高，或虽可利用工业废渣但技术性能不好、适用范围小。一些工业废渣中含有一定的含铝成分，利用含铝废渣制备高效固化剂中膨胀组分具有较大的技术、经济和社会意义。内陆河流湖泊疏浚后高含水量淤泥的处理、矿山采空区的回筑、城市废弃地下管道及沟渠的填筑等工程需要高含水量软土的固化技术，掌握高含水量软土的固化原理以及固化剂的配比是高含水量软土固化的基础，而目前无系统、深入的研究。我国正在大面积的进行围海造地工程。采用固化技术处理高含盐量、高含水量的吹填淤泥是重要的技术途径。由于含有大量的盐分，其固化原理和固化剂组成与一般内陆软土固化有很大的不同。研究高含水量、高盐分含量的围海造地吹填淤泥的固化原理和固化剂组成是迫切需要解决的技术。针对上述社会需求，本论文主要进行了如下工作：提出了利用工业废渣产业化制备固化剂以及其规模化应用的技术途径：1）软土固化需要特殊的水化物体系，即需要胶结性水化物、膨胀性水化物和足够的碱度，膨胀性水化物与胶结性水化物的生成过程需要协调性；2）提出了利用工业废渣制备软土固化剂的设计思想，即针对软土固化需要的水化物体系特点，将工业废渣分为胶结性、膨胀性和碱性工业废渣，将三者经过科学设计可组配成高效固化剂；3）以76～100％的工业废渣为原料制备出的软土固化剂，与水泥相比，相同固化剂掺入比下，可提高固化土强度1.5~4.75倍；4）提出：固化剂设计理念应从“固化剂设计”向“固化土设计”转变，应根据具体工程拟加固土的性质指标、工程对固化土功能要求和工业废渣资源个性化设计固化剂；应采用多组分组配式的生产模式以及设计、生产、销售一体化的经营模式；5）对工业废渣制备软土固化剂进行了技术、经济和环境综合评价，分析得出：利用工业废渣制备的固化剂性能P与价格C比P/C是普通硅酸盐水泥的7.66～15.03倍；其性能P、价格C、环境影响I综合性能指标P/eI•C是普通硅酸盐水泥的9.01～74.9倍。以粉煤灰、脱硫石膏和Ca(OH)2为原料，制备出膨胀速率不同的膨胀组分EA3和EA11；XRD分析表明：EA3主要由C12A7和CaO构成， EA11主要由C12A7、CaO、CaSO4、Ca8Si5O8构成；EA11的膨胀速率较快，而EA3得膨胀速率较慢；两种膨胀组分作为混凝土膨胀剂都可以满足规范JC476-2001的技术要求，其中EA3具有更有利的膨胀速率与更高的限制膨胀量； EA11用于制备软土固化剂可以达到目前性能最好的固化剂膨胀组分——用硫铝酸盐水泥构成的膨胀组分的性能水平。对于高含水量软土的固化试验表明，高含水量软土的固化明显表现出与一般软土固化不同的规律，如掺加碱性组分并不能有效提高固化土强度；在低水泥掺量时，掺加膨胀性组分，固化土强度降低，而在高水泥掺量时掺加膨胀性组分，固化土强度增加；调整胶性组分和膨胀性组分的生成速率并不能提高固化土强度等。提出了高含水量淤泥固化土结构形成模型的初步设想，即高含水量淤泥的固化土结构可以通过膨胀性水化物和胶结性水化物交替递次生成而得到，早期形成的膨胀形水化物的针柱状晶体快速形成骨架，并与早期形成的胶结性水化物形成初步结构；其后产生的膨胀性水化物填充初步结构中以及土团粒间的孔隙、胶结性水化物进一步胶结，最终形成密实结构。采用不同反应速率的胶结性组分和膨胀性组分进行了配比试验，试图验证该模型的正确性。采用不同组成配比的固化剂对天津滨海新区的含水量为81.8%的吹填淤泥进行的固化土强度试验，采用X射线衍射、扫描电镜和能谱分析方法对固化土中水化产物以及固化土微观结构的分析研究。得到了一种高效的固化剂，该固化剂成本低于普通硅酸盐水泥，在固化剂掺入比为10％～15％范围内，固化土强度可以达到3.38MPa～6.24MPa，与用水泥加固相比固化土强度提高2倍左右。研究发现：固化土中产生了大量水化氯铝酸钙，氯铝酸钙晶体的体积膨胀填充孔隙是该固化剂高效的原因之一；淤泥固化的强度增强效果由固化剂中含铝量的多少控制；可根据淤泥中的盐分进行固化剂设计。