0 引言

甘肃红层泥岩是一种在干旱、炎热环境下形成的以陆相沉积为主的碎屑岩系^[1]。极易风化、湿化崩解甚至泥化^[2]，从而引发公路路基病害^[3]。红层地区路基变形多是由于湿度变化而导致路基强度降低、继而在荷载作用下形成破坏，因此，红层路基填料的水稳定性和强度特征是路面安全运营的重要保证。钢渣组分中不仅含有类似石灰和水泥的胶凝活性物质^[4-6]，而且富含f-CaO和f-MgO，这为路基后期强度和水稳定性提供了保证^[7-9]。因此，将典型工业固废钢渣用于红层路基改良对甘肃地区的道路建设具有重要意义。

在以往的研究工作中，宋心斌^[10]通过加州承载比试验评估了钢渣粉、水泥和石灰对土的改良效果，发现钢渣粉在提升土壤CBR值方面表现最为突出，展现出其较高的应用价值。杨国辉等^[11-12]调整矿渣微粉的掺入比例，通过改良黄土抗压强度与湿陷性，验证了其改良可行性。袁明月与柴石玉等^[13-14]学者提出，钢渣粉在改良膨胀土上的效果与石灰相近。随后，吴燕开团队^[15-17]发现，增加钢渣掺量能抑制膨胀土膨胀并显著提升其强度。李雪和等^[18]用矿渣等工业废弃物对粉质土体进行了改良，在10%掺量下，改良粉土7 d抗压强度即达到了4.03 MPa，且浸水及干湿循环后强度损失均被有效控制在了16%以内，展现出了良好的稳定性和耐久性。李丽华等^[19]采用矿渣粉与稻壳灰对膨胀土进行了固化，处理后土体的CBR值比未处理土壤提高了7.9倍，显著提升了路基土的力学性能。另外，Alexander等^[20]的研究显示，用15%的全粒级钢渣粉替代土壤，能使抗压强度和弹性模量分别提升91%和75%，其固化效果甚至超过了水泥，再次证明了钢渣粉对土壤的显著改良效果。尽管已有上述研究成果，但目前关于钢渣粉改良泥岩填料微观结构的研究仍然有限，且多数研究仅聚焦于土体的强度和变形特性^[21-22]。因此，有必要开展更为全面的研究，以深入探究钢渣粉改良红层填料的宏观力学性能及其微观作用机理。

因此，本研究旨在通过重型击实、无侧限、直剪和侧限压缩试验，分析不同掺量钢渣粉改良红层填料的强度和变形特性的变化规律。同时，采用X衍射、核磁共振、激光粒度和扫描电镜等试验方法，对改良红层填料从组分变化、键合作用、孔隙和颗粒团聚性等多角度分析其作用机理。

1 试验材料 1.1 试验取土

土样取自兰州市缪家湾某工点，天然红层含水量较低，具有显著的湿化崩解特性。由表 1~3可知，红层填料为低液限黏土，属于碱性中硫酸盐渍土。

1.2 钢渣粉

试验采用过1 mm筛的转炉钢渣粉(Steel Slag powder, SS)，由甘肃省某集团生产并经过闷渣、水淬等预处理，活性指数符合技术要求二级，沸煮法测得安定性合格。对钢渣粉进行XRD衍射试验，其成分如表 4所示。其主要成分为氢氧化钙Ca (OH)₂、碳酸钙CaCO₃、铁铝酸四钙C₄AF、硅酸二钙C₂S和二氧化硅SiO₂。

2 试验方案

钢渣粉质量外掺量分别为0，5%，10%，15%，20%，25%和30%，并依次定义为SS-0，SS-5，SS-10，SS-15，SS-20，SS-25和SS-30组试样，控制改良填料的干密度为1.9 g/cm³，含水率为13.8%，将静压法制好的试样用塑料膜包裹，放入养护室中养护7 d。按照《公路土工试验规程》(JTG3430—2020)对试样进行无侧限、直剪试验和侧限压缩试验。

核磁共振测试流程如图 1所示，将上述试样经过真空冷冻干燥处理后，采用99.7%无水乙醇饱和并放入纽迈MR12-150H型核磁共振仪中，进而对改良填料的孔径分布曲线进行分析。

同样，扫描电镜测试流程如图 2所示，将标准养护后的试样冷冻干燥后，选取切样截面进行扫描电镜试验。采用蔡司GeminiSEM 500扫描电镜，对土体微观结构及水化产物形态进行分析。

3 试验结果分析 3.1 重型击实试验结果

根据《公路土工试验规程》(JTG3430—2020)，进行Ⅱ-2型重型击实试验。如图 3所示，在钢渣粉作用下，击实曲线顶部明显变得更宽、更为平缓，说明钢渣粉的掺入能抑制红层填料的水分敏感性，利于现场碾压；随着钢渣粉外掺量的增加，其最优含水率逐渐减小，最大干密度逐渐增大。

3.2 无侧限试验

图 4显示了改良填料的无侧限抗压强度及强度损失率的变化曲线。随钢渣粉外掺量增大，改良填料无侧限抗压强度与浸水强度均逐渐增大，未浸水无侧限抗压强度由0.6 MPa逐渐增大至1.5 MPa；浸水情况下，强度损失率由100%逐渐减小至46.7%。证明钢渣粉的掺入扼制了红层填料的湿化崩解特性，提升了抗压强度和水稳定性。

3.3 直剪试验

图 5显示了改良填料的内摩擦角、黏聚力的变化曲线。从图中可以观察到，随着钢渣粉外掺量的增加，土体的抗剪强度指标均逐渐增大。红层填料的黏聚力仅为118 kPa，在钢渣粉外掺量为15%和30%时，改良土的黏聚力分别提高至271 kPa和347 kPa，内摩擦角由28.94°逐渐增大至46.61°。

3.4 侧限压缩试验

钢渣粉外掺量对红层填料压缩特性的影响如图 6所示，不同钢渣粉外掺量下的压缩系数均介于0.1~0.4 MPa^―1之间，压缩模量介于4~10 MPa之间，属于中等压缩性土，但随着钢渣粉外掺量的增加，其压缩系数(模量)逐渐减小(增大)，压缩性显著降低，呈现低压缩性变化的趋势。当钢渣粉外掺量＞15%后，压缩系数(模量)的减(增)幅逐渐减小，曲线趋于平缓。

3.5 X衍射分析

图 7为钢渣粉改良填料的X衍射谱图。主要反应过程如下：水化初期，改良土液相在氢氧化钙作用下呈强碱性，SiO₄四面体解聚生成SiO₃^2-，液相中的Ca (OH)₂逐渐减少，并随着钢渣粉中C₂S的快速水化形成硅酸体微粒，从而在反应初期生成大量无定型水化物。同时，由于红层填料中石膏和SO₄^2-含量较高，利于钢渣粉在水化过程中生成Aft晶体和AFm。随着反应持续进行，液相中SO₄^2-的浓度下降，石膏逐渐被反应所消耗。

通过全峰图拟合(WPF)与Rietveld精细化可对XRD衍射结果进行定量化处理。表 5中物质组分不仅与上述分析物质变化相吻合，而且同其力学强度变化要基本一致。

(1)

硅氧四面体解聚生成SiO₃^2-离子，并与Ca²⁺反应生成硅酸钙凝胶

(2)

C₂S的快速水化过程

(3)

消耗石膏生成AFT钙矾石晶体(高硫型水化硫铝酸钙晶体)

(4)

消耗石膏生成AFM单硫型硫酸铝钙晶体(低硫型水化硫铝酸钙晶体)。

3.6 红外光谱分析

图 8为改良填料的红外光谱图。图中3 420 cm^―1和1 640 cm^―1处对应结晶水键，Si—O键在730 cm^―1处，改良填料中结晶水键和Si—OH键明显增强，反映水化硅酸钙增多。同时，在3 625 cm^―1处Al³⁺配位峰明显增强，表明存在高价Al³⁺替代低价Na⁺，K⁺的离子交换作用。

3.7 核磁共振分析及激光粒度分析结果

核磁共振图谱清晰揭示了钢渣粉对土体孔隙分布的显著影响，如图 9所示。存在部分大孔隙转化为小孔隙的现象，表明整体孔径分布有向小孔隙发展的趋势。同时，通过Mastersizer 3000型激光粒度仪的精确测量，我们获得了土体粒度级配的详细曲线。可以看到颗粒粒径在2~50 μm区间内有所减少，在100~400 μm范围内增多。这一变化明确指示了颗粒间团聚作用的增强趋势，即微小颗粒在相互作用下逐渐聚集成较大的团聚体。

3.8 扫描电镜分析 3.8.1 微观结构定性分析

图 10为改良填料的扫描电镜图，放大倍数为20 k。红层泥岩中的土体颗粒以点接触为主，胶结作用弱，存在较多架空结构孔隙。

图 10(c)~ (d) 显示了钢渣粉外掺量为15%时的SEM图，可以明显看出改良土的内部生成了大量的片状氢氧化钙晶体、短棒状水化硅酸钙凝胶等物质，呈现出异向性生长。

然而，当钢渣粉外掺量增加至25%和30%时，如图 10 (e)~ (f)所示，土体间的裂隙逐渐增大，其原因在于钢渣粉中的非活性成分阻碍了土颗粒间的接触，破坏了土颗粒骨架。同时更多的f-CaO、f-MgO发生水化反应，导致改良填料内部出现明显的交错裂隙，这与闵治安^[23]得出的结论一致。

进一步对图 11所示的水化产物状态进行分析，当钢渣粉外掺量较低时，改良土中生成薄片状的氢氧化钙和针状钙矾石。随着氢氧化钙含量增多，呈现多层块状晶体，同时由于硫酸根浓度下降，生成了部分低硫型水化硫铝酸钙晶体，这与X衍射分析其水化过程相互印证。

3.8.2 微观结构量化分析

利用PCAS软件对扫描电镜图像进行量化分析，计算分形维数，评估红层颗粒形态变化。图 12展示了改良填料的矢量化图及分形维数拟合结果。

从表 6可以看出，随着钢渣粉掺量的增加，改良土体的复杂程度增加，骨架结构性增强。其分形维数表现为逐渐增大。

将分形维数与其对应的黏聚力和内摩擦角绘制在图 13中可知，内摩擦角、黏聚力与分形维数呈现出线性关系，相关系数分别为0.99和0.92，从而反映出分形维数可以较好地体现钢渣粉改良土抗剪强度指标的变化规律。分形维数越大，改良填料内部颗粒粗糙程度越明显，土体结构的复杂程度也就越高，从而力学强度指标也越大，进而说明其微观结构颗粒形态的改善一定程度上反映了宏观力学性能的提升。

4 结论

本研究深入分析钢渣粉外掺量对红层填料力学性能的影响，结合微观测试，揭示了钢渣粉改良红层填料的机理，并得出主要结论。

(1) 力学性能显著提升：钢渣粉掺量增加，改良填料的抗压强度从0.6 MPa增至1.5 MPa，黏聚力从116 kPa升至495 kPa，内摩擦角从28.09°增至48.66°。钢渣粉显著提高了红层填料的力学性能，并改善了其湿化崩解特性。

(2) 微观结构改善：微观试验揭示了钢渣粉改良填料的作用机理。钢渣粉在强阳离子交换作用下，促进了黏土矿物的絮凝和团聚。引入了C₂S，C₄AF等活性物质，钢渣粉水化形成如水化硅酸钙(C—S—H)等胶凝物质，发挥了填充与胶结的作用，形成了空间网络结构。钢渣粉棱角分明，颗粒不规则，使得土颗粒间的胶结咬合作用增大。

(3) 界面作用增强：钢渣粉颗粒与红层填料颗粒之间的界面作用也得到了加强。钢渣粉中的某些成分可能促进了填料颗粒表面的水化反应，形成了更为牢固的界面结合层，这有助于提升填料整体的力学性能和耐久性。

(4) 通过对分形维数与其对应抗剪强度线性拟合，反映出分形维数可以较好地体现钢渣粉改良土抗剪强度指标的变化规律。分形维数越大，改良填料内部颗粒粗糙程度越明显，土体结构的复杂程度也就越高，从而力学强度指标也越大。