碳化条件下MgO-矿渣掺合料固化富有机质土的机理与作用效应研究

The solidification of highly-organic soil and the resource utilization of industrial slag are the hot and difficult topics at home and abroad. Previous studies of the applicant have shown that reactive MgO carbonation reinforcement of soft soil has the remarkable advantages of fast reinforcement speed, high strength and low carbon emissions. Based on existing studies, the project plans to explore the improvement mechanism and long-term durability of MgO-slag admixture solidified organic soil under carbonization through laboratory experiments and microscopic analyses. The key issues to be solved are listed as follows: 1) study the evolution of physical-mechanical properties of CO2 carbonated organic soil through physical and mechanical tests; 2) analyze the variation characteristics of the chemical composition, microstructure and pore distribution of CO2 carbonated organic soil and reveal the interaction mechanism of typical hydration products and carbonation products with organic matter and soil particles through microscopic tests; and 3) investigate the long-term durability of CO2 carbonated organic soil by drying-wetting cycles, freezing-thawing cycles and typical chemical solution erosion tests. It is expected that the research results will provide important scientific basis and theoretical support for improving the solidification effect of highly organic soil, expanding the application of CO2 carbonization technology and strengthening the resource utilization of industrial slag.

富有机质土的固化改良和工业矿渣的资源化利用是当前国内外研究的热点和难点课题。申请人已有研究表明，活性氧化镁（MgO）碳化加固软土具有加固速度快、强度高和低碳环保的显著优点。本项目在已有基础上，围绕富有机质土的固化效果和长期耐久性问题，拟采用室内试验和微观分析相结合的方法，研究碳化作用下MgO-矿渣掺合料固化富有机质土的改良机理与长期耐久性，着重解决以下关键问题：1）通过物理力学试验，研究碳化固化富有机质土的物理-力学性质的演化规律；2）通过微观试验，分析碳化固化富有机质土的化学成分、微观结构和孔隙分布的变化特征，揭示典型水化产物和碳化产物与有机质和土颗粒间的相互作用机理；3）通过干湿循环、冻融循环和典型化学溶液侵蚀试验，研究碳化固化富有机质土的长期耐久性。预期研究成果将为改善富有机质土的加固效果、拓展CO2碳化技术的应用范围和提高矿渣的资源化利用提供重要的科学依据和理论支撑。

工业矿渣和CO2再利用是我国实行低碳经济和可持续发展的重要内容，利用矿渣和CO2处理富有机质土是当前环境岩土领域的焦点课题。本项目利用MgO-CO2碳化土强度增长快、矿渣利于软土砂粒化、MgO激发矿渣利于强度提高等特点，以矿渣和MgO/CaO为固化剂，采用CO2碳化和碱激发矿渣相结合技术处理富有机质土。. 采用室内试验和微观测试两种手段，研究了碳化作用下MgO-矿渣固化富有机质土的物理-力学性状与作用机理，重点研究了下列内容：1）CaO-GGBS固化富有机质土的机理；2）MgO/CaO激发GGBS固化富有机质土的效果与工程性状；3）MgO-GGBS碳化固化富有机质土工程特性的变化规律；4）MgO-CO2整体碳化加固浅层软土地基；5）MgO-GGBS碳化固化富有机质土的作用机理。主要成果包括：. 1）在碱激发固化剂体系中，当生石灰或氧化镁占体系质量0.15倍时，净浆体水化速度较快，能在几天内达到最高；水化产物或火山灰反应产物CSH/Aft/Fs和Afm是强度变化的主要原因。. 2）石灰的碱性高于MgO，在激发处理高含水海泥时因其吸水、膨胀和快速水解而呈现显著优势；建立了基于养护龄期和水胶比的强度预测方程，为高含水淤泥的稳定化处理提供指导。. 3）MgO碳化有机质土的强度随有机质含量增加呈近似线性降低；随着MgO-GGBS中MgO含量的提高，碳化土强度增高；当有机质含量大于3%时，固化土的强度在较低水平内变化；碳化土强度受有机质类型影响较大。. 4）通过浅层软土地基的现场整体碳化试验，研发了现场施工工艺和施工设备，明确了相关处理参数。. 5）分析了碳化固化富有机质土的化学成分、微观结构和孔隙分布的变化特征，揭示典型水化产物和碳化产物与有机质和土颗粒间的相互作用机理。. 项目完成了预计研究内容，取得了系列研究成果，研究成果将为改善富有机土的加固效果、拓展CO2碳化技术的应用范围和提高矿渣的资源化利用提供重要的科学依据和理论支撑，对岩土工程行业的节能减排和可持续发展具有重要的科学意义和应用前景。