發(fā)泡劑對淤泥固化性能的影響研究

鄧琪豐，劉衛(wèi)東，韓云婷

（1.上海理工大學，上海 200093；2.上海市建筑科學研究院有限公司，上海 201108）

0 引言

河湖疏浚清淤在提高航道通航、防汛防洪能力和解決水體污染、水域底堤抬升的同時帶來了大量的堆積清淤底泥。由于淤泥具有高含水率、高孔隙率、富含有機質(zhì)、低滲透性、壓縮性大等特點，在工程中無法被直接應用，淤泥的處理處置問題亟待解決[1-2]。淤泥固化是當前較為有效且應用廣泛的資源化利用手段之一，但是目前的研究大多都集中在固化劑的開發(fā)和優(yōu)化之中[3-7]，而對于淤泥固化的生態(tài)研究較少[8-10]。回填的淤泥固化土硬化后的孔隙率較低，不利于植物的生長和修復生態(tài)環(huán)境；而發(fā)泡劑常被用作制備泡沫混凝土，它可以使物質(zhì)形成細孔，可以有效提高孔隙率。

為了改善生態(tài)效果，提高淤泥固化土的吸附、交換和蓄水等植生性能，本文探索適合淤泥固化的發(fā)泡劑，將發(fā)泡劑摻入淤泥固化土中制成多孔淤泥固化土，研究分析對比干密度、孔隙率和7、28 d抗壓強度等力學性能，為開發(fā)有良好植生性能的生態(tài)護坡提供試驗依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

（1）河湖疏浚底泥

本試驗所用淤泥取自上海市崇明島某河道疏浚淤泥，在試驗前將取來的淤泥土樣放入烘箱105℃烘干，然后將烘干后的土樣經(jīng)過破碎機破碎與球磨機研磨后過0.5 mm篩，將篩余的干土放于塑料桶密封備用。根據(jù)GB/T50123—2019《土工試驗方法標準》測試烘干淤泥的主要物理性能，結(jié)果如表1所示，淤泥的顆粒級配如表2所示。

表1 烘干淤泥的基本物理性能

表2 烘干淤泥的顆粒級配

按GB/T 176—1996《水泥化學分析方法》對疏浚淤泥進行X射線熒光光譜分析，淤泥的化學成分如表3所示。

表3 河湖疏浚淤泥的主要化學成分 %

（2）固化劑

水泥常用于淤泥固化，反應硬化可以提高固化強度；脫硫灰中的Al2O3與SiO2、Ca（OH）2反應可以使淤泥固化土的強度進一步提高；水泥水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣會與脫硫石膏中的CaSO4發(fā)生反應生成鈣礬石。以水泥為主固化劑，加入脫硫石膏、脫硫灰等為輔助固化劑。m（水泥）∶m（脫硫灰）∶m（脫硫石膏）≈6∶3∶1。

水泥：采用平湖南方P·O42.5水泥，其主要化學成分如表4所示；脫硫灰：采用寶鋼集團的燒結(jié)干法脫硫灰，其主要化學成分如表4所示；脫硫石膏：采用石洞口濕法脫硫石膏，其主要化學成分如表4所示。

表4 固化劑的主要化學成分 %

（3）發(fā)泡劑

鋁粉：漣水普森金屬制品有限公司；碳酸氫鈉：上海凌峰化學試劑有限公司；雙氧水：質(zhì)量濃度30%，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；蛋白型發(fā)泡劑：HTQ-1型動物蛋白型發(fā)泡劑，河南華泰建材有限公司。

（4）穩(wěn)泡劑：硫酸鈉、硫酸鋁，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 試驗方法

依據(jù)DG/TJ 08-2331—2020《原位利用疏浚泥建設生態(tài)護岸技術標準》，試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。在淤泥中分別摻入0.3%、0.6%、0.9%的雙氧水或0.1%、0.2%、0.3%的蛋白型發(fā)泡劑，測試固化土的干密度、孔隙率和抗壓強度。試驗中發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的摻量均按占烘干淤泥和固化劑總質(zhì)量的百分比計。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 發(fā)泡試驗

由于發(fā)泡劑在淤泥土和傳統(tǒng)的泡沫混凝土中所處的環(huán)境不盡相同，其適用性也有差別。試驗主要通過孔洞分布均勻度、孔徑大小、是否塌孔與塌孔是否可改進等方面選擇適宜的發(fā)泡劑以及對應的發(fā)泡方式。

2.1.1 鋁粉發(fā)泡試驗

在加氣混凝土的生產(chǎn)過程中，鋁粉與水反應生成氫氣溶解于液相中，在其達到飽和溶解度時會在料漿中形成氣泡從而得到加氣混凝土[11-12]，其反應式如式（1）所示。在固化土中摻入0.06%的鋁粉進行發(fā)泡試驗，發(fā)泡固化土的形態(tài)見圖1。

由圖1可以看出，摻入0.06%的鋁粉后淤泥固化土仍為凝實狀態(tài)，破碎后觀察土塊內(nèi)部并無孔洞生成，可知不宜使用鋁粉對淤泥固化土進行發(fā)泡。因為土體中堿性環(huán)境不足，無法推動其化學反應往產(chǎn)生氣泡方向進行。

2.1.2 碳酸氫鈉發(fā)泡試驗

碳酸氫鈉是一種化學發(fā)泡劑，在水環(huán)境下，碳酸氫鈉與硫酸鋁在一定條件下進行雙水解反應生成二氧化碳，達到發(fā)泡的效果，其反應式如式（2）所示。在泡沫混凝土中，由于水泥的水化放熱并迅速形成堿性環(huán)境，可以為碳酸氫鈉和硫酸鋁的雙水解反應提供促使快速而充分發(fā)泡的環(huán)境[13-14]。在固化土中摻入0.06%的碳酸氫鈉和0.01%硫酸鋁進行發(fā)泡試驗，發(fā)泡固化土的形態(tài)見圖2。

由圖2可以看出，摻入0.06%碳酸氫鈉和0.01%硫酸鋁的淤泥固化土沒有氣泡冒出，表面完整無孔隙；將試件破碎后觀察，試塊中有零星孔洞，孔徑較小，未達到預期發(fā)泡效果。因為淤泥固化土中不能給碳酸氫鈉與硫酸鋁的雙水解反應提供強堿性環(huán)境，且沒有明顯放熱，無法生成二氧化碳，可知不宜使用碳酸氫鈉和硫酸鋁對淤泥固化土進行發(fā)泡。

2.1.3 雙氧水發(fā)泡試驗

雙氧水屬于化學發(fā)泡劑，可以自身發(fā)生化學反應生成氧氣[見式（3）]，從而在料漿中產(chǎn)生微小氣泡，達到發(fā)泡的效果。但雙氧水發(fā)泡的特點是增加雙氧水用量會在發(fā)泡過程中使泡沫混凝土產(chǎn)生較大的孔洞，后期容易造成塌孔現(xiàn)象與抗壓強度降低[15-16]。在淤泥固化土中摻入0.06%的雙氧水進行發(fā)泡試驗，淤泥固化土的形態(tài)見圖3。

由圖3可以看出，雙氧水在淤泥固化土中反應劇烈，短時間內(nèi)即可發(fā)泡，但靜置一段時間后，試塊塌孔塌模現(xiàn)象嚴重。觀察試塊中的孔洞發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡不均勻，上層土較為松散，下層土較為緊實。破碎后觀察，試塊中存在較大的孔徑孔洞。因為雙氧水發(fā)泡速度太快，氣孔孔徑與發(fā)泡量較難控制，導致試塊整體發(fā)泡不均勻，所以需要對于發(fā)泡方式和雙氧水摻量進行進一步研究。

2.1.4 蛋白型發(fā)泡劑發(fā)泡試驗

蛋白型發(fā)泡劑由于泡沫穩(wěn)定性優(yōu)良，發(fā)泡速度容易控制，成為近年來應用較為廣泛的一種發(fā)泡劑。在固化土中摻入0.01%的蛋白型發(fā)泡劑進行發(fā)泡試驗，淤泥固化土的形態(tài)見圖4。

由圖4可以看出，蛋白型發(fā)泡劑發(fā)泡形成的泡沫可以存留在淤泥固化土中形成孔洞，且泡沫細膩綿密，孔徑分布較均勻，但在試塊成型中存在較長縫隙，需要進一步對其摻量及發(fā)泡方式進行研究。一般蛋白型發(fā)泡劑在發(fā)泡時需要采用發(fā)泡機，本試驗選擇高速旋轉(zhuǎn)攪拌機來進行發(fā)泡試驗[17]。

2.2 雙氧水對淤泥固化土性能的影響

雙氧水的起泡速度較快，起泡量大，但是泡沫穩(wěn)定性較差，短時間內(nèi)又會全部消泡，成型的試塊會呈現(xiàn)塌孔嚴重、內(nèi)部疏松、孔洞孔徑均偏大、且強度偏低，所以需要在其中加入穩(wěn)泡劑。經(jīng)過查閱文獻[18-21]，選擇硫酸鈉作為穩(wěn)泡劑，并設計2種不同摻量（與雙氧水的質(zhì)量比分別為1∶1和1.5∶1）。

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由于本試驗是研究淤泥的原位利用技術，使清淤淤泥原位固化發(fā)泡后，回填作生態(tài)護坡，縮短運輸距離，減少人力物力成本，實現(xiàn)資源化利用。經(jīng)過調(diào)研，高含水率淤泥的天然含水率大多在80%左右，而且含水率80%以上的淤泥有可泵送性，方便施工器具的作業(yè)，適合原位鋪設作為生態(tài)護坡，故預設淤泥初始含水率為80%，雙氧水摻量分別為0、0.3%、0.6%、0.9%，試驗配合比見表5。

表5 不同雙氧水摻量試驗配合比

2.2.1 雙氧水摻量對淤泥固化土物理性能的影響（見表6）

表6 雙氧水摻量對淤泥固化土性能的影響

由表6可見：

（1）隨著雙氧水摻量的增加，發(fā)泡淤泥固化土的干密度減小，孔隙率增大；當雙氧水摻量從0增加到0.3%時，因為漿體中的泡沫大幅增加、試塊內(nèi)部孔隙率增大了23.93個百分點，干密度明顯減小，降幅為13.51%；而當雙氧水摻量再繼續(xù)增加時，干密度的下降趨勢變緩，在摻量從0.3%增加到0.9%時，干密度僅下降了8.77%，孔隙率僅增大了6.86個百分點。由于雙氧水發(fā)泡的泡沫是急劇而大量的，在成型裝模期間由于土體內(nèi)部應力不均勻和自然逸散會消耗絕大部分泡沫，最后試塊硬化后留存的泡沫減少，因此孔隙率增量與雙氧水摻量增加并非成等比例。

（2）雙氧水摻量的增加，會降低發(fā)泡淤泥固化土的抗壓強度，但當硫酸鈉與雙氧水的質(zhì)量比為1∶1，雙氧水摻量從0.3%增加至0.6%時，抗壓強度反而有所提高，這是因為雙氧水摻量0.3%的試塊內(nèi)部孔隙不均勻，導致在試驗時結(jié)構受力不均勻而降低其抗壓強度，而摻量為0.6%的試塊內(nèi)部孔洞分布均勻，孔徑尺寸適中，故相比于摻量0.3%的發(fā)泡淤泥固化土試塊抗壓強度反而提高。

當雙氧水摻量較低時，硫酸鈉與雙氧水比例的增大，可以提高多孔淤泥固化土的抗壓強度，當雙氧水摻量為0.3%時，兩者比例從1∶1增大到1.5∶1，7 d抗壓強度從0.699 MPa提高到0.835 MPa，提高了19.46%；但當雙氧水摻量增加到0.9%時，兩者比例從1∶1增大到1.5∶1，7 d抗壓強度反而降低了1.15%。這是由于硫酸鈉的穩(wěn)泡能力會使試塊內(nèi)部的孔隙增多，在泡沫總量較少時，它能穩(wěn)住的泡沫變多，這樣可以使泡沫更均勻地分布在試塊里面，就可以有效地提高多孔淤泥固化土的抗壓強度；而雙氧水摻量增加、生成的泡沫量變多，雖然硫酸鈉的增加對泡沫的穩(wěn)定能起到的作用會降低，但是本來留存的泡沫就比摻量少時多，增加硫酸鈉用量會讓孔隙比沒有增加之前多，所以孔結(jié)構進一步發(fā)展后，使得7 d抗壓強度降低。

2.2.2 微觀性能分析

對不同雙氧水摻量（硫酸鈉與雙氧水的質(zhì)量比為1∶1）的發(fā)泡淤泥固化土進行SEM分析，以觀察發(fā)泡淤泥固化土微觀結(jié)構的變化，包括其中的孔徑大小和孔洞分布的均勻度，對其進行微觀機理研究，結(jié)果如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，雙氧水摻量為0.3%的發(fā)泡淤泥固化土試塊內(nèi)部孔隙分布不均勻，有一部分仍是密實狀態(tài)，有些部分出現(xiàn)較大孔洞，孔徑能達到接近40μm，這會使試塊內(nèi)部結(jié)構受力不均勻?qū)е驴箟簭姸冉档?；而觀察圖5（b），雙氧水摻量為0.6%的試塊內(nèi)部孔隙分布較均勻，孔徑尺寸大都在20μm左右，比較有利于內(nèi)部結(jié)構的均勻受力，所以相比0.3%的試塊抗壓強度有所提高；圖5（c）中，雙氧水摻量為0.9%的試塊內(nèi)部孔徑尺寸相差較大，由于發(fā)泡期間泡沫大量出現(xiàn)會發(fā)生融合現(xiàn)象從而形成大孔洞，其中出現(xiàn)了有接近60 μm的孔洞，大的孔洞會破壞試塊的結(jié)構導致抗壓強度明顯下降。

綜上所述，雙氧水用于制備發(fā)泡淤泥固化土的最佳摻量為0.6%，當硫酸鈉與雙氧水的質(zhì)量比為1∶1時，固化土內(nèi)部的孔隙尺寸大小適中，7 d抗壓強度為0.821 MPa，孔隙率為47.91%。

2.3 蛋白型發(fā)泡劑對淤泥固化土性能的影響

根據(jù)工程經(jīng)驗與市場常用蛋白型發(fā)泡劑調(diào)研結(jié)果，在使用蛋白型發(fā)泡劑制備泡沫混凝土時一般采用發(fā)泡機，需要高速旋轉(zhuǎn)攪拌才能進行發(fā)泡且比較均勻，在室內(nèi)試驗中采用GFJ-0.75A型高速分散來模擬發(fā)泡機。設計蛋白型發(fā)泡劑摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%。因為該蛋白型發(fā)泡劑中已含有穩(wěn)泡成分，故在試驗中不另外摻加穩(wěn)泡劑，試驗配合比見表7。發(fā)泡方式為：把稱量好的稀釋50倍后的蛋白型發(fā)泡劑放入塑料杯中，先放在高速分散機下以4000 r/min攪拌2 min，觀察發(fā)泡劑的泡沫已經(jīng)被打出，再把杯子中的所有發(fā)泡劑倒入攪拌鍋中；然后把稱量好的水加入攪拌鍋中，最后把混合均勻的干土與固化劑一起加入其中。而后先低速把混合料攪拌均勻，然后再高速攪拌30 s后取出攪拌鍋，最后把土裝入模具中顛平。

表7 不同摻量蛋白型發(fā)泡劑固化土試驗配合比

2.3.1 蛋白型發(fā)泡劑摻量對淤泥固化土性能的影響（見表8）

表8 蛋白型發(fā)泡劑摻量對淤泥固化土性能的影響

由表8可見：

（1）對于干密度和孔隙率，隨著蛋白型發(fā)泡劑摻量的增加，多孔淤泥固化土的干密度減小，孔隙率逐漸增大。當摻量從0增加至0.3%時，干密度下降了28.16%，孔隙率提高了133.78%。說明蛋白型發(fā)泡劑對提高發(fā)泡淤泥固化土孔隙率效果顯著。

（2）對于抗壓強度，隨著蛋白型發(fā)泡劑摻量的增加，發(fā)泡淤泥固化土的抗壓強度降低。當摻量從0.1%增加至0.2%時，多孔淤泥固化土的7 d抗壓強度明顯下降，從0.895 MPa降低至0.239 MPa，下降了73.30%，孔隙率增大了13.88%。說明孔洞孔隙的增加已經(jīng)一定程度破壞了內(nèi)部結(jié)構，使得結(jié)構變得松散，內(nèi)部一些小孔融合變成了大孔，使抗壓強度明顯下降。

2.3.2 微觀性能分析

對分別摻0.1%蛋白型發(fā)泡劑、0.6%雙氧水和未摻發(fā)泡劑的淤泥固化土進行XRD分析，以分析淤泥固化土水化反應后的組成，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，摻0.1%蛋白型發(fā)泡劑和摻0.6%雙氧水發(fā)泡淤泥固化土，與未摻發(fā)泡劑的淤泥固化土的XRD圖譜基本一致，波峰波谷位置一一對應，高度大致相同，說明摻入蛋白型發(fā)泡劑和雙氧水未使淤泥固化土內(nèi)部反應生成的物質(zhì)出現(xiàn)本質(zhì)改變。

對摻0.1%蛋白型發(fā)泡劑的發(fā)泡淤泥固化土進行SEM分析，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，蛋白型發(fā)泡劑生成的泡沫分布均勻，大孔數(shù)量較少，孔徑大小差異不大，大部分孔徑為10μm左右，這對發(fā)泡淤泥固化土的結(jié)構更為有利。說明與雙氧水相比，蛋白型發(fā)泡劑生成的細膩綿密泡沫可以很好留存在淤泥固化土的土體中，達到提高孔隙率的效果。

綜上所述，HTQ-1型動物蛋白型發(fā)泡劑的最佳摻量為0.1%，所制發(fā)泡淤泥固化土的7 d抗壓強度為0.895 MPa，孔隙率為51.13%，泡沫細膩綿密，且孔徑大小均勻。

3 結(jié)論

（1）雙氧水與蛋白型發(fā)泡劑適宜用作淤泥固化土的發(fā)泡劑，且未改變水化反應生成的物質(zhì)成分。而鋁粉與碳酸氫鈉不適宜用作淤泥固化土的發(fā)泡劑。

（2）隨著雙氧水的摻量增加，多孔淤泥固化土的干密度減小，孔隙率增大，但當摻量從0.3%增加到0.9%時，孔隙率增幅較?。豢箟簭姸瓤傮w趨勢隨著雙氧水的摻量增加而下降，但雙氧水摻量從0.3%增加到0.6%時，由于孔洞分布與孔徑大小尺寸更為均勻，抗壓強度反而有所提高。所以雙氧水的適宜用量為0.6%。

（3）隨著蛋白型發(fā)泡劑的摻量增加，多孔淤泥固化土的干密度減小，孔隙率增大，抗壓強度減小。當摻量從0.1%增加到0.2%時，抗壓強度顯著下降，降幅達73.30%，所以蛋白型發(fā)泡劑的適宜用量為0.1%。

（4）與雙氧水相比，蛋白型發(fā)泡劑提升孔隙率的效果更佳，摻0.1%蛋白型發(fā)泡劑制成的發(fā)泡淤泥固化土比摻0.6%雙氧水制成的試件抗壓強度高；綜合考慮力學性能和經(jīng)濟成本，摻0.1%的蛋白型發(fā)泡劑優(yōu)于摻0.6%的雙氧水。