ITIBMI

　　膨胀性黏土作为一种特殊的高塑性土，其含有大量裂隙和亲水性矿物（伊利石、绿泥石和蒙脱石），遇水后裂隙易发育并扩散，导致黏土颗粒吸水膨胀，失水收缩干裂。膨胀性黏土的变形具有复杂性、多发性、反复性和长期潜在性，为了克服其膨胀收缩性和软化崩解性，众多科研人员采用石灰、水泥、粉煤灰、氯化钙等添加剂对膨胀性土进行化学改良。这些改良剂通过与颗粒间的胶结作用、离子交换、硬凝和碳化作用，有效抑制了土体的胀缩性和裂隙发展。然而，传统改良剂的生产成本和二氧化碳排放量较高，为了适应“碳达峰-碳中和”的绿色、经济、环保可持续发展的战略需求，磷石膏、聚丙烯、碱矿渣和钢渣粉（steel slag powder，SSP）等替代改性剂逐渐被应用，其中钢渣粉已广泛应用于膨胀性黏土改良、农业肥料、道路建设等领域。钢渣粉是粗钢生产过程中的一种工业废弃物。中国粗钢总产量约占世界总量的1/2，其中钢渣年产量高达1.1亿吨。相比于日本、欧洲和澳大利亚等工业发达国家，中国的钢渣综合利用率仅为29.5%。其主要用于土木工程（10.1%）、水泥生产（9.3%）、土壤改良和道路建设（7.5%）以及其它用途（2.6%）。我国SSP综合利用率较低的主要原因包括生产制造工艺的滞后、科研水平的不足、法律政策的限制以及缺乏行之有效的应用标准。如果我国不加快提高钢渣的回收利用率，将会导致大量环境污染和土壤资源的浪费。由于钢渣粉中含有特殊的矿物和化学成分（如氧化铁和氧化钙等）它可以与土体中的水分和黏土颗粒发生离子交换及胶结反应，从而形成稳定的凝胶物质，填充裂隙并有效地黏结土颗粒。这一过程能够提高土体结构的密实性和整体性，显著改善膨胀土的塑性、自由膨胀率、未固化强度和排水性能等。利用钢渣粉改良问题土的工程性质，不仅符合低碳和环保发展理念，还可以提高固废资源的高附加值利用，并降低工程处理成本。本文从宏观及微观角度分析总结了钢渣粉的性质和组成、改良土的机理、工程效果以及应用前景，旨在全面阐述钢渣粉改良土的研究优势。在此基础上，对SSP改良土存在的不足及未来的发展方向提出几点建议，以期为问题土的改良提供新的思路和途径。

　　1钢渣粉的特性

　　1.1钢渣粉的理化特性

　　钢渣粉是在高温环境下，通过转炉、电炉或平炉生产分离出的工业副产品，主要由矿石、石灰石（CaCO3）、焦炭和氧等原料组成。根据钢渣粉的生产工艺及碱度值R=ω(CaO)/ω(SiO2+P2O5)（ω为质量）的不同，可将其分为高炉渣（blast furnace slag，BFS）、电弧炉渣（electric arc furnace，EAF）、钢包炉渣（ladle furnace slag，LFS）或碱性氧炉渣（basic oxygen furnace，BOF）。其中，当钢渣粉R＜1.8时，称为低碱度钢渣；R=1.8～2.5时，称为中碱度钢渣；R＞2.5称为高碱度钢渣，此时易形成C2S和C3S等矿物。Oluwasola等认为转炉钢渣具有良好的压实性好、吸水率低、良好的内摩擦力及排水自由等优点。由于炼钢厂生产工艺（如：废金属和铁水中存在的杂质、温度、气体环境、铁矿石成分以及铁矿石与烧结矿的比例、冷却速度、助熔剂掺量等）的差异性，容易导致钢渣粉的矿物成分、电导率、表面积、化学组成、孔隙率和PH值等理化性质的变化。综上所述，SSP具有良好的吸水性、高密度、较大的比表面积、丰富的棱角、较高的硬度等一系列特定的性质，适当提高SSP碱度可增加其水化活性。但由于SSP体积安定性较差及生产工艺的影响，很大程度上限制其工程应用领域。钢渣粉主要的矿物成分包括橄榄石、FeAlO3(CaO)2、Ca2Fe2O5、C4AF、C2F、β-C2S或α-C2S、Ca2SiO4、镁硅钙石、FeO、MgO、C3S、惰性矿物（简称为“RO相”）和CaO-FeO-MnO-MgO等组成。大量研究表明SSP属于含钙量较高的固体废物，其中，C2S、C3S、C2F和C4AF构成的SSP与硅酸盐水泥矿物成分相似。虽SSP的衍射峰较为复杂，矿物晶体形状不规则，但SSP中的固体可溶性成分含量较高，有利于水化溶解，形成胶凝状物质，进而改良土壤的胶结性能。另外，SSP的冷却速度、化学组成、熔剂类型、颗粒形状、颗粒大小分布及性质对土壤改良效果会产生重要影响。因此，对不同工艺条件下的SSP化学成分和含量进行详细分析对于土壤改良具有重要意义（表1）。

　　表1国内外钢渣粉主要的化学成分与质量分数

　　综上分析，SSP化学组成主要包括氧化铁（FeO/Fe2O3）、氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化镁（MgO）和氧化铝（Al2O3），质量分数分别为8%～30%、35%～65%、10%～20%、3%～10%和1%～6%，其中还含少量的Na2O、MnO、SO3和五氧化二磷等。生产工艺主要是EAF和BOF，其中EAF生产的矿物成分有丝光石和克氏石矿等，这些惰性物质在常温下不发生水化反应，结合能较差。而BOF生产的矿物成分主要为硅酸二钙、铁酸二钙、硅酸三钙、氢氧化钙、氧化钙等，其水硬活性主要来源于C3S和C2S含量，含量越高水化活性越高。然而，在不同生产工艺下，SSP的化学成分、结构特性、矿物组成、粒度、含量及性能显著变化。特别是SSP中高含量的游离氧化钙和氧化镁，会与孔隙中的水分产生化学反应，导致SSP体积迅速膨胀，从而降低其体积稳定性。因此，不同的生产工艺会直接影响SSP的化学活性及稳定性，进而对土体改良效果产生重要影响。

　　1.2钢渣粉的胶凝活性

　　钢渣粉的胶凝活性对其改良土体的效果具有重要影响。水化活性越高产生的水化产物，如C-AG和C-S-H凝胶、钙矾石（AFt）和Ca(OH)2等就越多，与黏土矿物颗粒接触面积就越大，包裹填充裂隙就越紧密，颗粒间黏结力和整体稳定性就越好。当SSP中ω(Al)/ω(Ca)比例高于ω(Ca)/ω(Si)时，改良土的胶凝特性和力学强度表现较好。然而，由于SSP中的硅铝酸盐矿物是在高温下形成的玻璃体结构，晶粒较大、结构密度较高，并且含有Si-O和Al-O化学键，导致部分C3S和C2S晶体在常温下水化活性低。Wang等认为提高SSP颗粒细度、养护温度或溶液碱度可加速其早期水化速率，其中碱激发剂的作用效果更加显著。目前，常用的碱激发剂包括氢氧化钠（NaOH）、石灰（CaO）、水泥（CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3）、水玻璃（Na2SiO3）、硫酸钠（Na2SO4）、铝酸钠（NaAlO2）、硅灰（CaSiO3）、硫酸铝（Al₂(SO₄)₃）和石膏（CaSO4·2H2O）等。王强证明了在适宜的碱性环境下SSP中的四面体会发生解聚，导致Si-O和Al-O化学键断裂，从而提高SSP的水化反应速率。此外，王琴、邵雁等考察K2CO3、Na2CO3、NaOH、Na2SiO3、Na2SO4、NaAlO2等6种不同化学激发剂对SSP活性的影响，结果显示3%～7%的Na2SO4是效果及稳定性最好的化学激发剂。综上研究表明，碱激发剂可以提高反应体系的碱度，促进SSP中的阳离子交换，进而破坏SSP中的玻璃网状结构，促使水化产物（C-SH）的转化和钙矾石（AFt）晶体的生成，形成更加稳定的水化产物和结构，从而提高SSP矿物组分的溶解和反应。

　　Sun等认为碱活化SSP水化产物Ca(OH)2的含量较低，结晶性较差，单一激发剂很难提高钢渣粉胶凝材料活性，而复合碱激发剂的改良效果更好。鉴于单一激发剂对SSP催化效果并不明显，实践中通常采用2种或以上的激发剂复合使用，以获得更优异的SSP性能。朱伶俐等指出氢氧化钠、生石灰、水玻璃、石膏、明矾、高岭土、水泥熟料、硫酸钠、三乙醇胺、硫酸铝钾和硫酸铝等作为复合激发剂可显著提高SSP的水化活性，加快其水化胶凝速度。樊传刚等发现采用5%石膏和碱激发剂作为复合激发剂可以有效催化SSP的活性，提高胶凝材料的抗压强度。而范立瑛等的研究则发现高岭土对SSP活性没有催化作用，同时认为复配激发剂（3%硫酸铝+2%水泥熟料+0.2%水玻璃+0.8%三乙醇）具有良好的激发效果。程从密等认为1%CaSO4·1/2H2O和0.4%NaOH复合改良SSP-水泥早强效果最佳。温建[49]的研究表明Na2SiO3、Na2SO4和氯化钙对钢渣粉-水泥胶凝强度具有增强作用，当氯化钙掺量为4%时，激活效果最好。此外，魏瑞丽等指出铝酸钠、硅灰都能提高SSP的活性，但硫酸钠对SSP的激发效果较差。而You等研究表明硅灰、NaOH2种激发剂的激发效果最为突出。邵俐等的研究结果显示加入石膏和硫酸钠能加快矿渣水化反应，降低冻融循环对固化土的影响，并表示硫酸钠的抵抗性更强。梅杨认为激发剂类型对胶凝材料强度影响最为显著，其中双掺Ca(OH)2和Na2SiO3最佳比例为5:1，掺量为4%时对矿粉活性激发效果最好。综上分析，复合激发剂对钢渣粉胶凝活性和强度增强效果更加显著，改良土体的力学特性也更加优异。由于激发剂种类多样性、掺量差异性，以及激发剂对SSP以及激发剂与激发剂之间的反应机理尚未深入分析，导致复合改良效果也不尽相同。因此，尽管复合激发剂对SSP具有较好的激发效果，但仍需进一步确定复合碱激发剂的最佳掺量、组合方式及应用条件。

　　2膨胀性黏土破坏机制

　　膨胀性黏土具有失水收缩与吸水膨胀的特性，容易导致土体内部和表面产生大量微裂隙，致使雨水渗入并降低土体的强度，从而引起土体的整体性破坏。这个过程主要包括物化作用、吸水膨胀和楔裂压力等共同作用。2001年，谭罗荣提出膨胀性黏性土都会经历吸水-失水-泥化-崩解-破坏，并指出土体崩解破坏的前提是结构扰动破坏、失水产生收缩拉裂及吸水产生膨胀应力破坏3个过程。膨胀性黏土崩解破坏机制包含黏土矿物遇水产生的膨胀力、孔隙中气泡溢出产生的推力、水膜楔入力及浮重力等作用，这些作用打破了土体内部联结力与崩解力之间的平衡，导致土体结构破坏。由于膨胀土含有蒙脱石和伊利石，水敏性较强，这是导致土体内部胶结膨胀、结构破坏、结构衰变和强度衰减的主要原因。遇水后，膨胀土内部会发生差异膨胀和变形，水压力作用下，孔隙、裂隙扩展引起膨胀崩解破坏。马婧等指出在化-水-力协同作用下，颗粒间发生离子交换、化学反应和水合斥力会影响蒙脱石层间膨胀、扩散双电层膨胀以及层叠体裂解，见图1（a）。张凌凯等提出膨胀土在干湿-冻融循环作用下的破坏机制，即干湿循环会增加膨胀土裂隙，冻融循环过程会导致黏土颗粒间的微裂隙被崩解破坏的细颗粒填充，从而减弱颗粒间的黏结力，见图1（b）（c）。总之，吸水-失水-冻融作用会导致部分胶结物被稀释、软化或溶解，裂隙贯通形成非均匀的孔隙水压力，使土体局部产生应力集中。与此同时，颗粒间的黏聚力、内摩擦力以及颗粒间咬合力也会减弱，土颗粒间基质吸力小于膨胀力，进而导致岩土颗粒碎裂、剥落和崩解。

　　（a）不同压实度下膨胀变形与层叠体间离子交换

　　（b）压缩变形破坏示意图

　　（c）干湿-冻融循环变形破坏示意图

　　黏土矿物的胀缩性易受温度和水分影响，环境温度的升高或降低均可导致土壤中矿物颗粒边界的热膨胀或冷缩，进而引发黏土颗粒内部产生拉压应力，从而使土体出现不均匀膨胀收缩应力。在此过程中，团聚体内产生微裂纹并不断扩展，当温度升降速率较快时，此现象更为显著。这是因为温度升降速率越大，土壤中矿物颗粒之间或颗粒内部的不协调变形将更加显著，从而使土壤中的微裂纹扩展更为严重且数量更多。同时，土壤表面的水分蒸发速度较快，而内部蒸发速度较慢，使得含水率分布不均匀形成水力梯度，产生内外应力差，导致裂纹形成。吴道祥等从黏性土的化学成分与细观结构特征入手，发现黏土矿物中的蒙脱石结构单元层间以O-O键相联结，键力极弱，遇水后具有氧键的强极化水分子很容易楔入其中，使其分开。同时极化水分子变为水化阳离子H3O+进入结构单元层间和水化膜之中，使层间间距及水化膜厚度增大，进而造成颗粒体积膨胀。由于内部体积膨胀的不均匀性，导致土体内部出现不均匀应力而使土颗粒碎裂破坏。综上所述，化学-水-力的相互作用均会导致土体吸水膨胀，并在其内部产生不均匀应力以及溶解掉部分的胶结物。随着胶结物稀释、软化、溶解和流失，导致颗粒间发生膨胀、收缩，甚至失去胶结力而崩解。同时，由于膨胀性黏土矿物的亲水性和孔隙的连通性，使得孔隙的导水性和容水的能力增强，这会扩大水和岩体的接触面。当化学溶液和水侵入孔隙、裂隙中时，多相界面的离子水化膜增厚，导致岩土体发生膨胀破坏。其中，影响土壤膨胀破坏的因素主要包括雨水侵蚀、土壤有机质含量、土壤扰动情况、黏粒含量、矿物成分、成土过程、土壤胀缩性、pH以及土壤所受到的外部应力等。

　　3钢渣粉改良土的微观机理

　　3.1物理改良

　　钢渣粉所含矿物主要是氧化钙、氧化铁和氧化硅，矿物质量分数高达80%。同时，由于SSP的孔隙率大、自身体积小、较为坚硬、比表面积高，且具有很强的胶凝特性。石荣剑等发现钢纤维能有效抑制水分入侵和冰透镜体的生长，从而减小土体的膨胀率。因此以SSP作为改良剂填充土壤颗粒之间的孔隙，可以提高土壤的密实度和水稳定性，在这个过程中，土颗粒与SSP发生排列和组合。SSP作为一种新型的土壤改良材料，可以与土体发生复杂的物理、化学相互作用。但针对SSP改良问题土方面的研究也相对较少，其微观改良机理也尚未被系统论述。因此，本文拟从物理和化学2个方面分析其改良机制，探索SSP改良固化土壤的内部微观结构变化，进而完善SSP改良土的相关研究理论。根据钢渣粉粒径的不同，其作用机制也会有一定差异。当钢渣粒径较大时，主要起到骨料支撑土颗粒的作用，可以使土颗粒包裹在钢渣孔隙之间，从而有效提高土体的整体稳定性和强度。随着钢渣细度的增加，物体表面的晶体结构会遭到破坏，晶格及键能减小，比表面积增大，与黏土颗粒表面的接触面积增大，因此可以有效填充土壤裂隙或孔隙，增加土壤的密实度。

　　综上所述，物理改良机理主要包括细颗粒填充作用、摩擦作用及粗颗粒的骨架支撑作用。

　　1）钢渣粉颗粒具有一定的粒径和形状，当SSP与膨胀性黏土混合时，钢渣粉细颗粒可以填充土壤颗粒之间的孔隙，增加土壤的密实度和稳定性。

　　2）钢渣粉细颗粒间具有一定的摩擦作用，提高团粒间的摩擦力，进而增加膨胀土的内聚力和抗剪强度。

　　3）大颗粒的钢渣粉具有较高的强度和刚度，可以增加土壤的整体强度和刚度，提高土壤的承载能力和抗沉降性能，从而改善膨胀土的工程性质。

　　3.2化学改良

　　指出激发剂作用下SSP改良土发生了阳离子交换，即氧化钙中电离出的Ca2+和土壤表面的Na+、K+发生吸附交换，从而减少了扩散层厚度，缩小了黏土颗粒间距，提高颗粒间的黏结性能，使得黏土颗粒发生团聚。同时，氧化钙还会与土壤中的水和二氧化碳反应生成钙碳酸盐，形成密实骨架结构，从而提高土壤的抗压强度和抗渗性能。吴子龙等探讨了SSP、偏高岭土掺入水泥改良土的微观机制，他们发现由于SSP与水泥的组分含量存在差异，当钢渣粉中Al2O3含量较少时，矿物水化活性低，不利于形成C-A(S)-H胶凝物质，因此不利于提高土体早期强度。另外，SSP中的玻璃体硅酸钙早期水化程度低且缓慢，无法快速反应形成胶体和钙矾石填充土体孔隙。同时，由于SSP具有广泛的矿物化学成分，碳化过程中会改变SSP的物理、化学、矿物学和力学性能。Yu等也验证了这一观点，他们发现经过碳化处理的SSP可显著提高土体的抗剪强度。但改良过程中生成的方解石易附着在黏土颗粒表面，由于方解石对高岭石、蒙脱石的胶结作用弱于石英，导致片状的高岭石和蜂窝状的蒙脱石在干湿循环后容易流失。综上研究，SSP改良土的过程中，发生了离子交换、水化反应和物质转化等化学反应。从微观角度分析，SSP易发生水化反应生成无定形水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-AH）、水化硅铝酸盐（C-A-F-H）和少量的钙矾石（AFt）等凝胶物质填充在孔隙中，并包裹颗粒表面形成稳定的团聚体。同时形成的板状Ca(OH)2以结晶形式分布在颗粒表面，增强颗粒间的黏聚力。

　　鉴于钢渣粉表面分布大量的阳离子（如Al3+、Ca2+和Mg2+等），能与黏土矿物可以发生离子交换和化学反应，生成水化产物C-S-H凝胶，进而提高土体的密实性和胶结力。刘翼飞等指出，碱性环境下的Ca2+可以与Na+进行离子交换反应，导致孔隙中游离的Ca2+吸附在黏土颗粒表面，从而生成填充和黏结作用的胶结物质，增强土体结构的密实性。Tian等则利用脱硫碳化钢渣粉（DS）改良土壤，并发现DS可以提供高浓度的Ca2+形成团聚体，从而有效抑制干裂缝的发育和扩展，降低裂缝面积密度和平均裂缝宽度。综上所述，SSP中含有一定的活性矿物成分，与水接触时会发生水化反应，生成水化产物C-S-H、C-A-H和微量钙矾石等。同时，SSP中的某些成分可以与黏土颗粒中的矿物质发生离子交换及吸附反应，形成凝胶和新的物质。这些产物可以填充土壤颗粒之间的孔隙，增加土壤的密实度和稳定性（图2）。此外，为了提高钢渣粉的物理、化学活性和早期强度，可以采用细度更高的钢渣粉，增加其表面接触面积。同时也可以添加化学激发剂（如水泥、石灰、水玻璃、粉煤灰、碳酸钠、矿碱和NaOH等），在碱性环境中激发SSP的水化活性，提高其水化凝胶产物的形成速度，增加土体早期强度。

　　（a）未改良土粒间孔隙

　　（b）水化胶结填充

　　（c）粒间离子吸附交换

　　（d）团聚体间改良过程

　　3.3复合改良

　　凝物质，增加土壤的密实度和稳定性。吴子龙等、于佳丽发现在碱性（NaOH）环境中可以激钢渣粉中的硅铝酸盐矿物是在高温下形成的玻璃体结构，主要以硅氧/铝氧四面体的形式存在，晶格较大，结构密度较高，化学活性和吸附性较弱，导致SSP中的C3S和C2S晶体在常温下的水化速率和胶凝活性较低。因此，需要添加一定的激发剂提高其化学活性，促进SSP水化反应生成胶发SSP的水化活性，提高其水化产物的形成速度，增加土体固化强度。然而，由于固化过程中发生大量Na+交换，变为易水化的钠型黏土，使其吸水膨胀能力增强。Gu等进一步研究发现NaOH、NaCl和Na2SO4可以提高SSP反应物的活性，当NaCl和Na2SO4掺量为5%时，无侧限抗压强度（unconfined compression strength，UCS）分别提高8.02 MPa和10.88 MPa，说明催化剂可以有效提高改良土早期强度。同时，发现碱激发剂的加入可以促进改良剂发生水化反应，生成更加稳定的凝胶物质，充分填充土体微裂隙，絮凝状胶结物包裹颗粒形成密实结构，减小水分入侵，增强土体黏结性和强度。因此干湿循环后土体颗粒排列仍保持密实，只是部分胶结物被溶解，使得裂隙有所提高。Zhang、王小龙等发现加入适量的碱激发剂可以提高微粉的活性，提高其早期固化强度（图3）。并指出可以利用水玻璃加氢氧化钠溶液作为激发剂，同时加入工业废渣和偏高岭土以调节土中的铁、硅、铝等氧化物比例，提高土体整体性、抗崩解性和强度。这是由于SSP中存在硅酸钙类的水硬性胶凝材料，激发剂作用下会促进SSP与黏土颗粒发生离子交换、胶结、固化和碳化等反应。综上所述，SSP水化活性较低，加入氯化钙、氢氧化钠等可提高其反应活性。同时NaOH、CaCl2作为转炉炉渣的活性催化剂，可以显著改善其物理、化学性质，提高SSP的水化反应速率。碱激发SSP主要机理是：碱激发剂促进了玻璃体结构的解离并重新缩聚成新的C-S-H、C-A-H和Ca(OH)2凝胶物质，将土颗粒胶结在一起形成密实网络结构，抑制裂隙扩展。同时还生成钙矾石（AFt）填充在团聚体中起到支撑的框架作用，与凝胶物质共同形成空间网状结构包裹填充土颗粒，提高土体的整体性和强度。

　　图3碱激发剂催化矿粉作用机理

　　钢渣粉本身具有较低的化学活性和胶结性。然而，通过添加碱激发剂（如石灰、水泥、粉煤灰和氢氧化钠等）或调整其化学组分，可以提高其反应速率，并激发其化学反应活性，从而增强其胶结力和黏结强度（图4）。项国圣等研究石灰-SSP改良土微观机理，发现SSP中含有凝胶矿物，能够与土体中低价离子发生交换生成絮凝物质填充在孔隙间，同时石灰可以提供碱性环境，促进并激发钢渣粉水化反应生成C-S-H凝胶物质，填充在颗粒间，增强颗粒间的接触面积和连接性。Wu等利用X射线衍射、扫描电镜和压汞孔隙度测定等方法，分析了SSP改良膨胀土的微观机理，发现活性激发剂（NaOH）作用下，SiO32-、Al3+和Ca2+可以快速反应生成硅酸钙（C-S-H）、铝酸钙（C-A-H）和Ca(OH)2等水化产物填充、包裹土颗粒，固化前期，黏土矿物与水化产物发生吸附、离子交换、胶结等化学反应，提高颗粒间的密实度和胶结力，使土颗粒团聚在一起形成稳定结构。吴燕开等通过室内试验研究干湿循环作用下SSP-水泥改良膨胀土，发现在缺乏催化剂的情况下，SSP自身水化反应慢，需要60d才能完全反应。而掺入少量的NaOH可以提高其水化活性，使其在短时间内可以完全水化生成钙矾石（AFt)填充孔隙，AFt是一种不溶于水的结晶物质，可以提高土体的整体性，从而使土体强度迅速增长。韩天、柴石玉等人研究了碱激发SSP协同改良土微观机制，发现NaOH加入提高SSP反应活性，生成了针棒状的水化硅酸钙、碳酸钙晶须和不定形状的硅铝酸盐凝胶物质填充裂隙，使孔隙率减小。此外，随着时间的推移，凝胶物质会逐渐增多，颗粒间黏结程度增强，逐渐形成团聚体，增加土颗粒间的接触面积。综上所述，SSP改良剂与土体中离子发生交换生成硅酸二钙（C2S)和硅酸三钙（C3S)，降低土颗粒的双电层厚度，同时石灰（CaO)与钢渣粉中的活性氧化硅（SiO2)、氧化铝（Al2O3)发生反应，在石灰的催化下形成C-S-H、C-A-H和Ca(OH)2等物质填充在裂隙中，增强颗粒间的接触面积和吸力，从而有效提高土体的黏聚力、整体性和强度。需要注意的是，SSP改良膨胀土的物理机制和化学机制是相互作用的，物理机制主要通过填充和摩擦作用改善土壤的工程性质，而化学机制则通过离子交换反应、水化反应、矿物质转化等方式改善土壤的结构和性质。这些机制共同作用，使得钢渣粉能够有效地改良膨胀土。

　　图4碱液处理反应机理

　　4钢渣粉改良土的力学特性

　　4.1单独改良土力学特性

　　目前，许多学者进行了室内试验，包括比重试验、粒度分析试验、自由膨胀率试验、Atterberg极限试验、压实试验、三轴压缩试验、加州承载比（California bearing ratio，CBR）、UCS和液塑限试验等。并从SSP粒径及掺量、初始含水率、压实度、干湿-冻融循环等方面探索改良土的膨胀性能、渗透性能、抗冻性能、水分特性和力学变化规律。研究结果表明，SSP的掺入显著改善了土体的胀缩性，并提高了土体的抗剪强度。左德元等首次提出将SSP作为路基材料固化剂，通过颗粒级配、比重、压缩、渗透等试验发现，SSP填料具有较高的强度，压缩性低，渗水性好。Akinwumi发现SSP的掺入增加了土体的干密度，改变了土体的压实特性，提高了土体的比重、渗透性、CBR值和无侧限抗压强度。此外，随着SSP掺量的增加，当掺量为8%时能够降低黏土的塑性和膨胀性，提高土体早期未固化的强度。袁明月等通过室内试验研究钢渣微粉改良膨胀土的力学特性，发现钢渣微粉改良膨胀土的塑限增加，液限降低；当其掺量为5%时，试样在干湿循环作用下的膨胀率降低，抗剪强度增加。吴燕开等研究指出，当SSP掺量为10%时土体抗膨胀性最优。鉴于SSP粒径和掺量对土体强度影响较大，因此建议SP粒径小于0.5 nm，此时SSP可以和土体充分接触并有效填充颗粒间隙。综上所述，适当的SSP掺量和合适的粒径可以抑制土壤的自由膨胀率，降低土壤的液塑限，并提高土壤的抗剪强度和早期固化特性，有效抑制干湿循环下土壤强度的衰减速率。如图5所示，不同SSP掺量下土壤的自由膨胀率和抗剪强度呈现不同的变化。钢渣粉不仅可以改良膨胀土的塑性和膨胀性，还可以提高土体最优含水率、干密度和抗剪强度。但不同SSP掺量比例下土体的膨胀率和强度改善效果各有不同。Aldeeky等研究发现，当SSP掺量为20%时，土壤的自由膨胀率和塑性指数降低了58.3%和26.3%；同时最大干密度、抗压强度和CBR值分别提高了6.9%、100%和154%。而Wang等发现，当含水率为50%时，土体黏聚力随SSP掺量的增加也随之增加；而当含水率介于70%～90%之间时，粘黏聚力随SSP掺量增加而减小。这表明试样含水率分别为50%和70%时土体抗剪强度达到最优。此外，Yu等通过干湿循环、无侧限抗压强度、X-射线衍射、热重和扫描电镜等试验研究了碳化钢渣粉改良土的强度性能及微观结构变化，发现经过碳化处理的钢渣粉可显著提高土体的抗剪强度。金明亮等利用钢渣粉稳定路基土，研究表明钢渣粉粒径为0～3 mm、最小掺量为15%时，稳定土的强度随掺量的增加而增强，浸水膨胀率减小，加州承载比（CBR）远超规范要求。然而，程光前提出，对于钢渣粉改良膨胀土性能，较高力学特性的最佳掺量为15%，超出该值将会使土壤的强度和胀缩性减弱。Worku等分析钢渣粉改良膨胀土物理、力学特性，发现当SSP掺量为25%时，膨胀土液限、塑限、塑性指数和自由膨胀率分别降低25.6%、17.8%、7.8%和46.4%，而无侧限抗压强度从94.3 kPa提高到260.6 kPa。综上所述，15%～25%掺量下，钢渣粉可以显著改善土体的胀缩性和力学强度。然而，目前钢渣粉的最佳掺量仍存在争议。这一争议可能是由于钢渣粉的生产工艺和产地不同，导致其力学性能和矿物化学性质存在差异，进而影响土壤的改良效果。因此，钢渣粉在掺量上可能需要针对不同情况进行调整，以达到更好的改良效果。

　　（a）SSP改良土自由膨胀率随时间的变化规律

　　（b）SSP改良土抗压强度与应变之间的关系

　　4.2与其它材料复合改良土力学特性

　　通过学者们持续的探索和研究，发现通过物理研磨法将材料结构转变为非晶相，或者采用化学激发剂与其他材料进行复合使用，可显著提高改良土的力学性能。

　　在相关研究中，蔡晓飞等对石灰-SSP改良路基土力学特性进行了研究，发现当石灰掺量为8%～12%，SSP掺量为25%时，土体强度显著提高。崔伟研究了石灰-SSP改良土性能，从SSP掺量、养护期龄、配比等方面分析土体强度，结果表明SSP改良土的强度较高，水稳定性和温度稳定性也较好。另外，Gu等研究了不同掺量下的SSP-石灰复合改良路基土的无侧限抗压强度，当SSP、石灰掺量分别为50%、5%，养护28 d时，无侧限抗压强度由0.73 MPa增加到4.09 MPa，此时改良土的综合性能最佳。袁明月等研究石灰、SSP改良膨胀土力学特性，通过无侧限抗压强度、干湿循环和自由膨胀率试验发现SSP可以延缓土体裂隙发展，减小土体膨胀性，其土体强度优于石灰。而厚荣斌通过三轴试验、CBR研究SSP/石灰/稻壳灰改良膨胀土性能，发现当SSP掺量为20%时，土体塑性降低66.2%、强度增加96%、CBR增加97.5%。Wang等研究SSP-碱渣共同改良软黏土工程性能，发现钢渣粉加入显著改善土体的无侧限抗压强度。项国圣等研究石灰-SSP共同改良膨胀土的力学特性，发现随掺量增加土体膨胀率、最优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作为膨胀土稳定剂，发现钢渣粉、粉煤灰掺量分别为20%和10%时，改良土抗剪强度和CBR值分别提高97.47%和84.82%。

　　上述研究侧重于探讨石灰对SSP改良膨胀土的力学特性影响的方面。尽管研究表明石灰、粉煤灰等可以有效提高SSP改良土体的整体性和力学强度，然而，尚未对在不同材料复配下、不同养护温度下、不同压实度及干湿循环作用等因素对SSP改良土宏观力学特性的影响进行系统分析。物理及化学改良剂相互作用可有效改善黏性土的综合性能，提高SSP的反应速率。Wang等研究钢渣粉-废轮橡胶颗粒改良土强度特性，发现钢渣粉掺入可以有效提高土体的抗剪强度和动弹性模量，剪切模量随钢渣粉掺量、围压增大而增大，随含水率增加而减小；主要是橡胶颗粒可以降低土体的密度，提高其内摩擦角。而Shahbazi等发现，当钢渣粉掺量为14%时，其无侧限抗压强度、膨胀率和膨胀压力分别提高111%、89%和84%。随后宋心斌研究钢渣粉-水泥-石灰稳定路基土性能，发现复合改良土强度较高、稳定性较好。吴燕开等通过室内试验研究干湿循环作用下SSP-水泥改良膨胀土的体积变化率和膨胀率，发现改良土膨胀率减小95%以上，而体积变化率减小85%。而吴子龙等通过抗压强度、劈裂抗拉强度和击实试验，他们发现在SSP与水泥改良土中，最优含水率显著提高，而最大干密度和强度增幅较小；但当SSP超过最佳掺量时，土体的强度逐渐减小。

　　与此同时，黄祥、Wu等发现矿渣、石灰、偏高岭土和Na2SO4掺量分别为28.6%、57.1%、9.5%、4.8%时，改良土养护28 d后的UCS为10.9 MPa。之后韩天、唐博等利用碱激发剂催化SSP-水泥复合改良膨胀土，发现其改良土体膨胀率最小，三轴抗剪强度和无侧限抗压强度明显提高，但是后期强度增长缓慢。主要原因是前期碱激发剂加快SSP水化反应，强度已增长较大，因此后期表现较为缓慢，说明碱激发剂不能提高其后期强度。

　　综上所述，SSP中掺入水泥、石灰、激发剂及其它改良剂可有效提高土体的综合性能，显著增强SSP的水化活性，提高其化学反应程度。然而，对于不同复合改良材料的适用性和效果尚未得到全面的了解，需要更多关于不同掺量与不同类型的复配材料改良土的力学性能。其次，目前对于SSP改良土体的长期稳定性和环境影响的研究相对较少，尤其是在实际工程应用中的长期性能表现和环境影响方面的研究还有待加强。此外，SSP改良材料的配比设计、施工工艺以及与土体的相互作用等方面也需要进一步深入研究，以确保改良效果的可靠性和实用性。

　　5结论与展望

　　钢渣粉作为一种新型土壤固化改良剂，在改良膨胀性黏土的胀缩性、抗压强度、剪切强度和抗变形等方面具有突出优势。能够与黏土颗粒发生阳离子交换吸附在表面，反应形成C-S-H凝胶和微量钙钒石（AFt）填充并胶结团粒，进而改变黏土颗粒的物理化学性质和微观结构，提高其工程性能。利用钢渣粉改良膨胀性黏土的工程性质，既符合低碳、绿色、环保发展理念，又可提高固废资源的高附加值利用、降低工程处理成本。然而，当前存在一些问题需要进一步研究和解决：

　　（1）钢渣粉生产工艺的差异导致其化学成分、结构性质、矿物组成、粒度、表面积、孔隙率及性能发生显著变化，进而影响其化学活性和改良效果。今后需进一步完善和规范相关工艺标准，提高SSP的转化效率和胶凝活性。因此，提高SSP活性及性能是未来研究的重点。

　　（2）钢渣粉中含有大量游离的氧化钙（f-CaO）和氧化镁（f-MgO），会与空气中水分发生化学反应，使SSP体积迅速膨胀，造成SSP稳定性极差。虽可以考虑采用碳酸化工艺克服其安定性不良的因素，但SSP碳酸化应用于土体改良整体性能的研究尚缺不足。

　　（3）钢渣粉改良膨胀性黏土的微观机理及复合激发剂之间的反应机制研究还相对不足，需要进一步探索碱激发剂、SSP与黏土之间的相互作用机制，并通过实验和数值模拟等手段建立宏微观力学响应规律，为SSP改良膨胀性黏土提供更加科学的理论基础。

　　（4）土体改良的效果受到改良剂类型、添加量、混合方式和使用环境等多种因素的影响和控制，未来应考虑不同因素耦合下的化学-矿物成分及土体微观结构演变规律，从宏微观角度建立土体在水-化-力作用下的力学特性及耐久性评价体系。进而从更广泛的实际应用和环境影响出发，深入研究SSP改良土体的适用性、长期性能和环境影响等方面的问题。

　　来源：孙银磊，余川（云南大学建筑与规划学院）

　　编辑：冶金渣与尾矿

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