无水石膏改性钢渣-水泥土的短龄期力学性能提升机制及工程应用研究

为解决水泥土早期强度不足、水泥用量大及钢渣资源化利用率低等问题，研究人员开展了无水石膏改性钢渣-水泥土（GSCS）的力学性能与微观机制研究。结果表明，0.6%无水石膏可使7天无侧限抗压强度（UCS）提升至1116 kPa，替代3%水泥并减少CO2排放225-338 kg/m3；动态三轴试验显示其累积塑性轴向应变降低55%，阻尼比减少25%。该研究为工业固废资源化及低碳建材开发提供了新思路。

　　

随着城市化进程加速，基础设施建设对水泥土（CS）的需求激增，但其高水泥用量导致的CO₂排放和钢渣堆积问题日益严峻。全球每年钢渣产量达钢产量的15%-20%，而中国利用率仅30%，远低于发达国家90%的水平。钢渣虽含与水泥相似的CaO、SiO₂等成分，但因早期水化活性低，单独使用会延缓强度发展。如何通过改性提升钢渣-水泥土体系的早期性能，成为推动绿色土木工程的关键课题。

浙江某高校的研究团队在《Results in Engineering》发表论文，系统探究了无水石膏（AG）对钢渣-水泥土（GSCS）短龄期性能的改良效果。通过无侧限抗压强度（UCS）测试、动态三轴试验及扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等微观分析，揭示了AG通过促进钙矾石（AFt）生成优化材料性能的机制。

研究采用标准土样与400目钢渣粉，按5%水泥+5%钢渣+0-0.8%AG配比制备试样。通过LDF仪器进行UCS测试（1 mm/min加载速率），DYNTTS系统模拟交通荷载（1 Hz频率，50-200 kPa围压），并结合IPP软件量化孔隙率。

3.1 UCS测试分析
应力-应变曲线显示，0.6%AG使GSCS-0.6的7天UCS达1116 kPa，较基准组（CS）提升44%。SEM显示其裂缝分布均匀，无大面积剥落。XRD证实AG促使SO₄^2-与钢渣中Al₂O₃反应生成针状AFt，孔隙率降至0.17%（较CS降低56%）。

3.2 动态三轴特性
AG显著改善动态性能：7天龄期下，GSCS-0.6累积塑性应变较GSCS-0降低55%，动态弹性模量提升30%。提出的修正模型ε_1p=aN^blnN可精准预测应变演变（误差<5%）。阻尼比降低25%，表明AG减少了能量耗散。

4. 微观机制
XRD显示AG组Ca(OH)₂峰减弱而AFt峰增强，证实其加速了铝酸盐反应。SEM观察到AG组AFt纤维交织成网，填充颗粒间隙，这与动态性能提升直接相关。

该研究证实，0.6%AG可协同钢渣替代3%水泥，实现"固废增值+减排"双赢。其创新点在于：（1）阐明AG通过SO₄^2-激发钢渣活性的化学路径；（2）建立动态应变预测模型；（3）为二级公路路基（要求7天UCS≥1 MPa）提供经济环保方案。未来需验证长期耐久性，但当前成果已为工业副产物在岩土工程中的应用开辟了新途径。