堿渣及粉煤灰對水泥固化底泥強度影響研究

武 亞 軍, 陳 宸, 崔 春 義, 陸 逸 天, 袁 耿 豪

( 1.上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 土木工程系, 上海 200444;2.大連海事大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院 土木工程系, 遼寧 大連 116026;3.溫州市渣土利用開發(fā)股份有限公司, 浙江 溫州 325000 )

0 引 言

隨著我國城市建設(shè)的快速進行,城市規(guī)模逐漸擴張,需要對河道等水系進行治理以滿足大量開發(fā)土地的需求．治理河道的難點在于底泥的處理,傳統(tǒng)的底泥處理方式為將底泥運往他處堆放[1],但此種方式會消耗大量土地資源,且底泥中含有的污染物可能會滲入地下,污染地下水．原位固化法因其無害處理和二次利用等特點成為一種優(yōu)異的處理方式[2]．與此同時,隨著工業(yè)的發(fā)展,2020年我國純堿(Na2CO3)產(chǎn)量高達2 812.37×104t[3]．純堿在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生堿渣等工業(yè)廢棄物,采用氨堿法每生產(chǎn)1 t純堿要向外排放0.3 t的堿渣[4],由此計算可知,我國2020年堿渣產(chǎn)量達到了840×104t．堿渣的主要成分為碳酸鈣(CaCO3)、硫酸鈣(CaSO4)、氯化鈣(CaCl2)等鈣鹽[5]．堿渣目前常見的處理方式為堆放處理,由于具有腐蝕性,這種方式不可避免地會對周邊環(huán)境及地下水資源造成污染,危害堆積處周邊人群健康．因此,將堿渣用于固化底泥既可以消耗一部分堿渣,又可以原位固化底泥,節(jié)約大量土地資源,是一種一舉多得的處理方式．

以水泥為主的固化劑是處理底泥常用的選擇[6],但是水泥造價高,且生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量固液廢棄物．Bian等[7]通過使用高分子添加劑,使淤泥中的水分被快速吸收,從而提高固化淤泥強度．Wang等[8]通過研究堿渣在水泥生產(chǎn)中的作用,發(fā)現(xiàn)添加堿渣可使水泥初凝和終凝時間大幅縮短且增加水泥需水量．Zhao等[9]通過氫氧化鈉(NaOH)催化堿渣和粉煤灰合成堿激發(fā)水泥,證明了堿渣和粉煤灰可以作為水泥添加劑提高水泥強度．Jongpradist等[10]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰可適當(dāng)提高水泥固化強度且可部分代替水泥．

普通淤泥長期處于水下,結(jié)構(gòu)松散、孔隙比大、含水率高、天然結(jié)構(gòu)強度低,常處于流塑或流動狀態(tài)[11]．實際施工過程中,在將河道等水系抽干后,需要將表層淤泥清除,將遺留下的淤泥和河底下土壤攪拌后添加固化劑[12]．底泥相對于普通淤泥,含水率相對較低,粉粒含量增加,黏粒含量減少,塑性指數(shù)降低,因此研究底泥的固化更符合工程實際．

本次試驗以水泥為主固化劑,堿渣和粉煤灰作為添加劑,通過改變添加劑的添加量探尋堿渣和粉煤灰對水泥固化底泥的影響．

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗采用水泥、堿渣、粉煤灰為底泥固化劑,通過改變底泥固化劑添加量進行對比試驗．

底泥來自上海市浦東新區(qū)張家宅地區(qū),為粉質(zhì)黏土,其主要物理性質(zhì)見表1．

表1 底泥主要物理性質(zhì)

試驗材料化學(xué)成分分析見表2．試驗用水泥為42.5#普通硅酸鹽水泥,來自江蘇省太倉市海螺水泥有限責(zé)任公司,主要成分為氧化鈣(CaO)和二氧化硅(SiO2),同時含有少量氧化鋁(Al2O3)和氧化鐵(Fe2O3)．

表2 試驗材料化學(xué)成分分析

堿渣來自江蘇省連云港市堿業(yè)有限公司．先將濕堿渣烘干,研磨后過120目篩得到干堿渣,篩孔尺寸為0.125 mm．試驗使用粒徑小于0.125 mm的堿渣,其主要成分為CaCO3、CaSO4和CaCl2．

粉煤灰來自河南省鞏義市恒諾濾料有限公司．將粉煤灰烘干后過120目篩,篩孔尺寸為0.125 mm．試驗使用過篩后的粉煤灰,其粒徑小于0.125 mm．粉煤灰主要成分為SiO2、Al2O3和CaCO3．底泥主要由SiO2、Al2O3和Fe2O3組成．

1.2 試驗方案

試驗方案設(shè)計見表3．固化劑添加量為固化劑質(zhì)量與底泥質(zhì)量的比值．方案中共設(shè)計了添加3種不同類型固化劑的無側(cè)限抗壓強度試驗．方案一為在底泥中分別單獨添加5%、7%和10%的水泥;方案二為在添加5%和7%水泥的基礎(chǔ)上,再分別添加1%、2%、3%、5%、7%和10%的堿渣;方案三為在添加水泥+堿渣的基礎(chǔ)上,再摻入粉煤灰,水泥+堿渣添加量分別為5%+5%、5%+7%和7%+7%,粉煤灰的添加量分別為1%、3%、5%、7%和10%．所有試樣均在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護,經(jīng)過3、7、14、28 d齡期后進行無側(cè)限抗壓強度試驗．

表3 試驗方案設(shè)計

1.3 試驗步驟

在實際工程中,原位固化底泥時往往先通過強力攪拌機將底泥原位攪拌均勻后,再加入固化劑繼續(xù)攪拌使底泥和固化劑充分混合[12]．為使室內(nèi)試驗結(jié)果更加貼近工程實際,將底泥在儲存桶內(nèi)攪拌均勻,取出試驗所需的底泥,加入攪拌鍋中,把用天平稱好質(zhì)量的各類固化劑干粉加入燒杯中,用玻璃棒攪拌均勻．將攪拌鍋放置于攪拌機上,開始攪拌底泥,并在攪拌過程中分次加入固化劑．待最后一部分固化劑融入底泥后攪拌至固化劑溶解,繼續(xù)攪拌1 min使固化劑與底泥充分接觸．將攪拌均勻的固化底泥裝入內(nèi)部抹有一薄層凡士林的內(nèi)徑為39.1 mm、高度為80 mm的塑料圓筒中,上下端抹平,進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護．將試樣放入箱中,放置于實驗室陰涼處,調(diào)整實驗室空調(diào)參數(shù)使得實驗室環(huán)境恒溫恒濕．待試樣養(yǎng)護至相應(yīng)齡期,取出試樣并脫模,按試驗標(biāo)準(zhǔn)進行無側(cè)限抗壓強度試驗,得到所需數(shù)據(jù)[13]．為減小試樣制作過程帶來的偏差,保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,每個數(shù)據(jù)點制作4個平行試樣并測量其無側(cè)限抗壓強度,取2個最大強度的平均值作為結(jié)果．

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥對固化底泥強度的影響

試驗分別添加5%、7%和10%的水泥,養(yǎng)護3、7、14、28 d后得出對應(yīng)無側(cè)限抗壓強度,如圖1所示．隨著水泥添加量和齡期的增加,水泥固化底泥的強度也隨之上升．其中,水泥添加量為5%、7%和10%時,其28 d無側(cè)限抗壓強度分別達到236.26、479.07和797.43 kPa．

圖1 水泥對固化底泥強度的影響

2.2 堿渣對水泥固化底泥強度的影響

試驗以先添加5%和7%的水泥為標(biāo)準(zhǔn),再分別添加1%、2%、3%、5%、7%、10%的堿渣,養(yǎng)護3、7、14、28 d后得到對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度．

在添加1%堿渣,水泥添加量為5%時,如圖2所示,相較于未添加堿渣的固化底泥,試樣的3 d無側(cè)限抗壓強度提高約43.1%,其28 d無側(cè)限抗壓強度提高約35.7%．無側(cè)限抗壓強度隨堿渣添加量的增加而增大,當(dāng)堿渣添加量為7%時,28 d無側(cè)限抗壓強度達到最大值503.37 kPa,大于只添加7%水泥時的無側(cè)限抗壓強度．當(dāng)堿渣添加量大于7%后,水泥固化底泥強度隨堿渣增多而降低．

圖2 堿渣對5%水泥固化底泥強度的影響

水泥添加量為7%時,如圖3所示,與5%水泥添加量類似,無側(cè)限抗壓強度隨堿渣添加量的增加而增大．堿渣添加量為10%的水泥固化底泥無側(cè)限抗壓強度高于堿渣添加量為7%時的結(jié)果,堿渣最佳添加量為10%．當(dāng)水泥和堿渣添加

圖3 堿渣對7%水泥固化底泥強度的影響

量分別為7%和10%時,固化底泥28 d無側(cè)限抗壓強度達到782.77 kPa,和只添加10%水泥的28 d無側(cè)限抗壓強度相當(dāng)．

由上可知,無論水泥固化底泥強度的早期強度還是最終強度,堿渣都對其有顯著的提升作用,且堿渣添加量存在最佳值,該值隨水泥添加量的增加而增大．但達到一定值后,堿渣添加量對水泥固化底泥強度提升效果不明顯．堿渣過量反而會導(dǎo)致水泥固化底泥強度降低．當(dāng)水泥和堿渣添加量達到一定比例時,其強度可與高添加量水泥固化底泥強度相當(dāng)．此時堿渣可以代替部分水泥．

2.3 粉煤灰對水泥-堿渣固化底泥強度的影響

在水泥-堿渣固化劑基礎(chǔ)上添加粉煤灰,其添加量見表3,以此研究粉煤灰對水泥-堿渣固化底泥的影響,即在水泥+堿渣添加量分別為5%+5%、5%+7%和7%+7%的基礎(chǔ)上添加粉煤灰進行試驗．

水泥和堿渣添加量均為5%,如圖4所示,當(dāng)粉煤灰添加量小于5%時,試樣無側(cè)限抗壓強度隨粉煤灰添加量的增加而增大,當(dāng)粉煤灰添加量達到5%時,無側(cè)限抗壓強度達到峰值．粉煤灰添加量超過5%后,無側(cè)限抗壓強度隨粉煤灰添加量的增加而減?。砑?%粉煤灰的28 d無側(cè)限抗壓強度相較于未添加粉煤灰的水泥-堿渣固化底泥強度提升了28.7%．

圖4 粉煤灰對5%水泥+5%堿渣固化底泥強度的影響

當(dāng)水泥和堿渣添加量分別為5%和7%時,如圖5所示,有類似現(xiàn)象出現(xiàn),粉煤灰添加量小于5%時,固化底泥強度與粉煤灰添加量正相關(guān),當(dāng)粉煤灰添加量達到5%時,無側(cè)限抗壓強度達到峰值,粉煤灰添加量超過5%后,固化底泥強度與粉煤灰添加量負相關(guān)．但添加5%粉煤灰的28 d無側(cè)限抗壓強度相較于未添加粉煤灰的水泥-堿渣固化底泥強度僅提升9.8%,說明水泥相對堿渣過量時,粉煤灰對水泥-堿渣固化底泥強度的提升作用更為明顯．堿渣添加量的提高對粉煤灰最佳添加量的影響不大．當(dāng)水泥、堿渣和粉煤灰添加量分別為5%、5%和3%時,28 d固化底泥無側(cè)限抗壓強度達到517.47 kPa,超過水泥和堿渣添加量分別為5%和7%的28 d無側(cè)限抗壓強度．說明粉煤灰可代替部分堿渣使固化底泥達到相同強度．

圖5 粉煤灰對5%水泥+7%堿渣固化底泥強度的影響

當(dāng)水泥添加量為7%時,由圖6可知,粉煤灰添加量與水泥-堿渣固化底泥強度關(guān)系相似,但粉煤灰最佳添加量超過5%,說明相較于堿渣,粉煤灰對水泥-堿渣固化底泥最佳添加量隨水泥添加量的增加而增加,且相較于堿渣,水泥添加量對其影響較大．

圖6 粉煤灰對7%水泥+7%堿渣固化底泥強度的影響

2.4 加固機理分析

在只添加水泥的情況下,固化底泥的強度主要來源于水泥水化物包裹膠結(jié)土顆粒作用和填充顆粒間孔隙作用[14]．硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)和鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)作為水泥中主要的氧化物[15],它們加入底泥后會發(fā)生水化反應(yīng),生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)．此外,底泥中的硅和鋁也同時參與反應(yīng),這使得整個反應(yīng)過程變得復(fù)雜．水泥中的Ca(OH)2和底泥中的硅發(fā)生火山灰反應(yīng)生成更多的C-S-H．Ca(OH)2和鋁反應(yīng)生成具有黏性的C-A-H[16]．與土壤不同的是,底泥土顆粒之間可提供的黏聚力和摩擦力有限,固化底泥強度主要來源于凝膠所形成的骨架作用．

粉煤灰主要成分為SiO2和Al2O3．粉煤灰-堿渣-水泥混合料砂漿與水拌和后,水泥熟料、堿渣材料共同作用迅速水化,其早期水化產(chǎn)物C-S-H在顆粒間的黏結(jié)是早期抗壓強度的來源,但粉煤灰尚未水化．隨著時間推移,早期水化產(chǎn)物中Ca(OH)2逐漸與粉煤灰中活性SiO2和Al2O3反應(yīng),二次水化生成更多的C-S-H[17],使后期強度提高．當(dāng)粉煤灰過量時,也與堿渣過量情況類似,粉煤灰填充于水泥-堿渣固化底泥的孔隙中,阻礙了相關(guān)凝膠化合物生成．雖然粉煤灰的填充作用使得土顆粒之間產(chǎn)生較大的摩擦力和黏聚力,增加了固化底泥強度,但由于凝膠對固化底泥強度影響更大,所以過量粉煤灰使得固化底泥強度降低．

3 微觀加固機理

分別對只添加5%水泥、5%水泥+5%堿渣、5%水泥+10%堿渣、5%水泥+5%堿渣+5%粉煤灰、5%水泥+5%堿渣+10%粉煤灰的28 d齡期試樣進行SEM試驗,所用設(shè)備為JSM-7500F場發(fā)射掃描電子顯微鏡．由圖7(a)可知,只有水泥與底泥反應(yīng)時,試樣養(yǎng)護28 d后,掃描電子顯微鏡下放大5 000倍時,可以觀察到反應(yīng)生成C-S-H和C-A-H．當(dāng)摻入最佳添加量的堿渣后,如圖7(b)所示,C-S-H減少,更多的C-A-S-H生成,試樣強度增大．當(dāng)堿渣過量時,對比堿渣最佳添加量的28 d齡期試樣,在場發(fā)射掃描電子顯微鏡放大10 000倍的情況下,如圖7(c)、(d)所示,可以觀察到堿渣過量時,顆粒更加密實,連接顆粒之間的C-S-H等凝膠物質(zhì)含量降低,說明堿渣過量時試樣強度反而會降低．當(dāng)添加適量的粉煤灰,如圖7(e)所示,粉煤灰顆粒填充在底泥土顆粒孔隙之間,生成C-S-H等凝膠化合物,增加了試樣強度．對比圖7(e)、(f)可知,與堿渣過量情況相似,粉煤灰添加量增加,但是C-S-H等凝膠含量降低,使得試樣強度降低．

(a) 5%水泥5 000倍形貌

(b) 5%水泥+5%堿渣5 000倍形貌

(c) 5%水泥+5%堿渣10 000倍形貌

4 結(jié) 論

(1)相較于單純以水泥為固化劑的固化底泥,添加適量堿渣有助于固化底泥強度的提升,且堿渣添加量存在最佳值,該值隨水泥添加量的增加而增大．當(dāng)堿渣添加量低于最佳值時,固化底泥強度隨堿渣添加量的增加而增大;當(dāng)堿渣添加量超過最佳值時,固化底泥強度隨堿渣添加量的增加而減?。?/p>

(2)粉煤灰對水泥-堿渣固化底泥的作用與堿渣對水泥固化底泥的作用類似,適量粉煤灰有助于提高水泥-堿渣固化底泥強度,粉煤灰添加量存在最佳值,且該值隨水泥添加量的增加而增大．當(dāng)粉煤灰添加量低于最佳值時,固化底泥強度與粉煤灰添加量正相關(guān);當(dāng)粉煤灰添加量超過最佳值時,固化底泥強度與粉煤灰添加量負相關(guān)．

(3)堿渣可代替部分水泥,粉煤灰可代替部分堿渣,使固化底泥強度保持在一定水平．在不同地區(qū)可根據(jù)實際情況選擇不同添加劑代替水泥,如部分地區(qū)因各種限制,堿渣產(chǎn)量不高但粉煤灰產(chǎn)量較多時,可以使用粉煤灰代替部分堿渣保證固化底泥強度不降低,以此降低固化底泥成本,達到節(jié)約資源、保護環(huán)境的目的．

(4)相較于粉煤灰對水泥-堿渣固化底泥,堿渣對水泥固化底泥強度提升作用更大,因此在實際施工中,在其他條件相同時可以優(yōu)先考慮添加堿渣,當(dāng)仍需提高固化底泥強度時,可以適當(dāng)加入粉煤灰．