堿激發(fā)礦渣加固淤泥的物理力學(xué)性能與機理

陳林, 李彬,*, 陳勝邦, 徐仰龍, 陶送林, 熊海蓉

(1.青海省有色第一地質(zhì)勘查院, 西寧 810007; 2.青海省青藏高原北部地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點實驗室, 西寧 810000; 3.青海省有色第三地質(zhì)勘查院, 西寧 810000; 4.青海中煤地質(zhì)工程有限責(zé)任公司, 西寧 810000)

城市發(fā)展過程中大量堆存的工程渣土造成了較大的土地浪費與環(huán)境污染,合理處置淤泥質(zhì)工程渣土并進行工程再利用是解決固廢圍城問題的關(guān)鍵[1]。

淤泥質(zhì)渣土在工程利用中,存在壓實難、水穩(wěn)差、承載力弱等不利工程問題,目前已有多種技術(shù)來改善淤泥質(zhì)工程渣土的力學(xué)性能,包括壓實和置換(機械方法)和固化(化學(xué)方法)[2]?；瘜W(xué)固化劑包括但不限于水泥[3-4]、聚合物[5-6]。處理方法通常包括將土體與固化劑混合或用含有活性顆粒(如水泥、樹脂或石灰)的溶液對土體進行注漿。實際應(yīng)用中,一般選用化學(xué)固化方式作為地基、路基等回填材料資源化就地利用[2]。楊和平等[11]采用生石灰固化瀏醴高速公路路床高液限土,承載比大幅提升;莫秋旭等[12]針對液限47.2%、塑限20.6%的紅色高液限土采用水泥改良,摻入水泥比例為7%時,強度大幅提高。然而,傳統(tǒng)固化劑在固化渣土過程中存在水穩(wěn)性差、耐久性不足的缺陷[13-16],此外渣土中的腐殖酸等有機質(zhì)會阻礙水泥基材料的水化反應(yīng)進程并降低后期強度;另一方面石灰、水泥的生產(chǎn)消耗大量不可再生資源,并且其高能耗高碳排放的環(huán)境劣勢嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。因此,采用固廢替代水泥基材料成了土壤固化劑的發(fā)展趨勢。磨細(xì)的高爐礦渣(ground granulated blast-furnace slag, GGBS)是煉鐵產(chǎn)生的一種常見的工業(yè)固廢,其化學(xué)成分與普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分相似,但環(huán)境成本和經(jīng)濟成本更低,并且在堿激發(fā)作用下具有非常高的活性,代替水泥與石灰使用固化工程渣土具有耐干濕交替、抗凍融循環(huán)等優(yōu)點。喬京生等[17]采用不同摻量的GGBS對淤泥質(zhì)土進行固化處理,固化土的動靜力學(xué)性能均獲得較好的效果;何俊[18]等利用堿渣和GGBS作為固化劑對淤泥進行固化處理,深入揭示了該反應(yīng)系統(tǒng)的固化機理。然而高液限淤泥質(zhì)工程渣土固化路用性能的綜合評價與機理研究鮮見報道。

綜上所述,采用堿激發(fā)GGBS改良淤泥質(zhì)工程渣土的物理力學(xué)性質(zhì),符合目前尋找新一代環(huán)保材料的需求,以替代或限制巖土工程應(yīng)用中水泥的應(yīng)用和生產(chǎn)。因此,現(xiàn)探究不同固化劑摻量對固化土的綜合性能影響規(guī)律,采用X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)、掃描電鏡(scanning electron microscopy,SEM)、核磁共振( nuclear magnetic resonance,NMR) 對固化效果進行微觀表征,用分形理論闡述微觀孔隙特征揭示堿激發(fā)GGBS固化淤泥質(zhì)渣土機理。為淤泥質(zhì)工程渣土的安全消納提供參考,具有較好的應(yīng)用前景。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥質(zhì)工程渣土取自武漢東湖開挖工程,依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[19]測定工程渣土物理性質(zhì)指標(biāo),如表1所示。該渣土呈黑褐色,黏粒含量高,液限大,塑性指數(shù)范圍寬,水敏性較強,根據(jù)水電部《土工試驗規(guī)程》(SD128-84)土的分類法,該工程渣土定名為高液限淤泥質(zhì)黏土。試驗所用固化劑為河南某鋼鐵廠S95級商用GGBS,堿激發(fā)劑為國藥分析純氫氧化鈣[Ca(OH)2≥AR95%]。

表1 渣土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of muck

取回的淤泥質(zhì)工程渣土經(jīng)自然風(fēng)干,碾碎,除雜,過2 mm篩,篩下物備用,采用激光粒度分析儀測試的粒徑分布如圖1所示。其中,渣土不均系數(shù)Cu=3.48,曲率系數(shù)Cc=0.91,粒徑分布窄,顆粒細(xì),為級配不良的均勻土。

圖1 渣土和GGBS粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of muck and GGBS

渣土和GGBS的礦物成分分析如圖2所示。渣土中主要礦物為石英,次要礦物為片狀結(jié)構(gòu)的白云母,這是導(dǎo)致渣土遇水易崩解的原因之一。GGBS在20°～40°存在較多非晶相玻璃態(tài)物質(zhì),具有較高活性,并還有少量的鈣黃長石和鎂硅鈣石。

圖2 渣土與礦粉的礦物組成Fig.2 Mineral composition of muck and GGBS

渣土和GGBS的元素組成如表2所示。組成渣土的主要元素是Si、Al,而GGBS的主要元素組成是Si、Ca。

表2 渣土與GGBS的化學(xué)組成Table 3 Chemical composition of bottom ash

1.2 試驗方法

取回的工程渣土經(jīng)風(fēng)干,碾碎,除雜,過2 mm篩,篩下物備用。堿激發(fā)劑Ca(OH)2摻量依據(jù)前期預(yù)試驗結(jié)果確定,占GGBS的10%時,具有較高的強度。因此,固定堿激發(fā)劑比例,通過外摻不同比例的固化劑開展試驗研究,試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案Table 3 Experiment material ratio and number

試樣制備步驟如下:采用水膜遷移法制備所需含水率工程渣土,燜料24 h,直至水膜遷移均勻后開展相關(guān)試驗。獲取最優(yōu)含水率和最大干密度后,通過靜壓一次成型,無側(cè)限抗壓強度和柔性壁滲透試驗為φ50 mm×50 mm圓柱體試樣,分別養(yǎng)護7、14、28 d。達所需齡期后取樣開展試驗,試驗方法如下。

擊實試驗利用哈佛輕型擊實儀開展試驗,參照美國實驗標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4609-08規(guī)程,探討工程渣土添加固化劑后最大干密度與最優(yōu)含水率的變化規(guī)律。采用濟南中正試驗機制造有限公司生產(chǎn)的WDW-100E型萬能試驗機,根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》JTG E51—2009[20]開展無側(cè)限抗壓強度(unconfined compressive strength, UCS)試驗,加載速度為0.5 mm/min。柔性壁滲透試驗根據(jù)美國實驗標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5084 and ASTM D 7100執(zhí)行,其中圍壓為80 kPa,滲透壓力60 kPa。依據(jù)《土壤固化外加劑》(C/T486—2015)[21]對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護6 d的試樣浸水24 h[水溫為(20±2) ℃]開展水穩(wěn)性試驗。強度試驗結(jié)束后,收取破壞試樣殘渣,無水乙醇浸泡中止水化反應(yīng),真空干燥代表性試樣,開展XRD和SEM試驗分析微觀形貌。利用IPP6.0軟件提取微孔隙數(shù)據(jù),使用低場核磁共振儀定量分析微觀結(jié)構(gòu)。需要說明的是,XRD、SEM和核磁共振樣品均為28 d齡期下代表性樣品。

2 結(jié)果分析

2.1 固化土的基本物理性質(zhì)

土體稠度狀態(tài)所對應(yīng)的液塑限反映了土顆粒吸附水多少的能力,加入不同摻量的固化劑后工程渣土的基本物理性質(zhì)測試結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明,固化劑摻入增加工程渣土的液塑限和降低塑性指數(shù),這對工程施工是不利的,尤其當(dāng)固化劑摻量大于10%時,液限超過了50%,不符合路基填料要求,分析固化劑造成的基本物理性質(zhì)變化的原因可知,相對于土顆粒而言,外摻固化劑吸水性更強,干燥的固化劑顆粒被土體中的水分浸潤,因此稠度狀態(tài)改變時需要更多水分,另一方面,一旦固化劑與水接觸,開始發(fā)生水化反應(yīng),消耗了一部分水,生成的水化產(chǎn)物起到膠凝團聚作用,從而需要更多水分來改變土體的稠度狀態(tài),進而導(dǎo)致了固化土的液塑限增加[22]。此外,由于固化劑的水化反應(yīng),生產(chǎn)的水化產(chǎn)物形成膠結(jié),降低了土的可塑性范圍,因此塑性指數(shù)降低。擊實曲線對固化渣土的工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義,如圖3所示,相比較原始工程渣土23.1%的最優(yōu)含水率而言,固化渣土最優(yōu)含水率隨摻量先減少后增大,3%的添加量,最優(yōu)含水率降低至22.3%,隨后隨固化劑摻量增加至29.3%,對應(yīng)的最大干密度表現(xiàn)為先增大后減少,在10%固化劑的摻量時達到最大為1.79 g/cm3。這是由于在擊實壓密的作用下,固化劑水化消耗掉自由水,在擊實過程中用于潤滑作用的自由水減少,因此最優(yōu)含水率增加,同時,適當(dāng)摻量的固化劑摻量水化產(chǎn)物填充孔隙,因此更為密實,但生成的水化產(chǎn)物較多時,其與土顆粒膠結(jié)形成團絮結(jié)構(gòu),承擔(dān)了更多擊實功,從而阻礙土體擊實,因此樣品最大干密度降低。

圖3 不同摻量固化土基本物理性質(zhì)Fig.3 Basic physical properties of solidified soil

2.2 強度特征分析

固化土的力學(xué)性質(zhì)包括無側(cè)限抗壓強度(UCS)、CBR以及水穩(wěn)性與固化劑摻量密切相關(guān),不同齡期下固化渣土的力學(xué)性能試驗結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明,固化劑可改善工程渣土的UCS,并且隨著養(yǎng)護齡期增加而增加,但主要增長發(fā)生在14 d養(yǎng)護齡期之前,原始的渣土UCS僅為0.21 MPa,7 d齡期3%摻量的樣品L100G3C10UCS值為0.68 MPa,摻量增加至6%時,即可滿足路基填料要求,強度隨摻量的增加近似線性增加,20%摻量可提升至3.4 MPa。這是由于固化劑的摻入,生成水化產(chǎn)物為工程渣土顆粒的膠結(jié)提供了新的膠結(jié)方式,從而形成網(wǎng)絡(luò)骨架抵抗外力作用[23]。固化劑摻入量越多,骨架結(jié)構(gòu)越完整,從而強度越高。路基填料另一力學(xué)性質(zhì)CBR可以看出,隨著固化劑的摻入,CBR由原來的25%,增加至3%摻量的60.7%,隨后線性增長至20%摻量的302.7%,這說明固化改良工程渣土可以提高其抗車轍性。水穩(wěn)特性是衡量固化效果環(huán)境耐久性的重要指標(biāo),可以通過水穩(wěn)系數(shù)進行表征,即固化土體水穩(wěn)強度與同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護固化土體強度之比,該系數(shù)越大,則水穩(wěn)性越好,其計算公式為

圖4 不同齡期下各組樣品的力學(xué)性質(zhì)Fig.4 Mechanical property of each sample at different ages

(1)

式(1)中:γw為水穩(wěn)系數(shù),%;Rw為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護6 d浸水1 d試樣的無側(cè)限抗壓強度,MPa;R0為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護7 d試樣的無側(cè)限抗壓強度,MPa。

水穩(wěn)性結(jié)果可以看出,需要添加10%摻量,固化體才能滿足《土壤固化外加劑》(CJ/T486)[21],7 d水穩(wěn)系數(shù)γw≥80%的要求。力學(xué)性質(zhì)分析可知,堿激發(fā)GGBS固化淤泥質(zhì)工程渣土的最優(yōu)摻量為10%。

2.3 滲透性分析

工程渣土的滲透性反映其密實程度和孔隙連通性[24],滲透性越大,耐久性越差,28 d齡期不同固化劑摻量工程渣土固化體的滲透系數(shù)變化規(guī)律如圖5所示。原始渣土的滲透系數(shù)較高,為8.3×10-6cm/s,固化劑水化產(chǎn)物填充了可滲透孔隙,降低了孔隙連通性,因此,滲透系數(shù)隨固化劑摻量的增大而減少?？梢钥闯?固化劑摻量需要達到10%時,方可將滲透系數(shù)降低至10-7cm/s量級以下,此時固化體屬于一種良好的抗?jié)B材料,具有較好的耐久性能。

圖5 固化渣土的滲透性Fig.5 Permeability of solidified muck

2.4 微觀表征分析

Ca(OH)2堿激發(fā)GGBS發(fā)生水化反應(yīng)固化渣土的機理可以解釋為:GGBS中的氧化硅、氧化鈣、氧化鋁等組成的玻璃體結(jié)構(gòu),在Ca(OH)2的堿性環(huán)境下活性被激發(fā),玻璃體中的-Si-O-Si-溶解,生成硅酸和-Si-O-,之后-Si-O-會再次聚合形成水化硅酸物,再次聚合形成最終水化產(chǎn)物[17-18],而這些水化產(chǎn)物與土顆粒之間能夠相互膠結(jié),從而為工程渣土提供骨架,提高強度。XRD分析結(jié)果如圖6所示。主要的水化產(chǎn)物為部分鈉同晶替代的水合硅鋁酸鈣(N,C)-A-S-H以及少量的鈣礬石Aft。

圖6 10%摻量固化劑養(yǎng)護28 d固化渣土XRD圖譜Fig.6 XRD spectrum of 28 day with 10% curing agent

原始渣土和28 d養(yǎng)護齡期的固化渣土SEM分析結(jié)果如圖7所示。當(dāng)顆粒較細(xì)時,原始渣土顆粒趨于團粒,存在較多孔隙,且吸附水較多較難壓密,因此強度低,耐水性差;在M100G10C10樣品中,水化產(chǎn)物(N,C)-A-S-H膠凝體系附著在黏土礦物表面且明顯可見,水化產(chǎn)物形成完整的相互鏈接的網(wǎng)絡(luò)骨架,包裹了較多的顆粒,因此,可提供較高的強度。并且可以看出完整的骨架結(jié)構(gòu)耐水侵蝕能力強,密實的基質(zhì)連通性的孔隙結(jié)構(gòu)較少,滲透系數(shù)降低。

圖7 微觀形貌Fig.7 Micromorphology

為進一步定量分析固化前后渣土的孔隙特征,根據(jù)核磁共振(NMR)弛豫時間T2的分布特征反演出土體中的孔隙尺寸。依據(jù)土顆粒孔隙分類方法[25],將微觀孔隙劃分為:微孔隙、小孔隙、中孔隙和大孔隙,可以看出,渣土的孔隙以中孔隙為主,小孔隙和微孔隙較少。如圖8所示,摻加固化劑后,孔隙分布曲線的中間波峰峰值降低且向左移動,中孔隙被填充,孔隙數(shù)量減少。與工程渣土相比,10%固化劑摻量養(yǎng)護28 d,中孔隙分別從33.0%減少至18.3%,減少了14.7%。根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)的變化,可以看出,孔隙的減少,固化劑改變土顆粒間的接觸和排列方式,促進土顆粒團聚,提高了工程渣土的密實程度[26],因此,滲透系數(shù)降低,強度和水穩(wěn)性增加。

圖8 孔徑分布曲線Fig.8 Pore-size distribution curves

分形理論可以較好描述微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,為進一步討論孔隙形態(tài)的分布規(guī)律,本文研究利用微孔隙分析軟件提取渣土和10%摻量28 d養(yǎng)護齡期固化渣土微觀孔隙等效面積和等效周長等參數(shù),依據(jù)分形理論,孔隙分布的分形維數(shù)的計算公式為

(2)

式(2)中:P、A分別為孔隙等效周長、等效面積;D為孔隙形態(tài)分布分形維數(shù);C為常數(shù)。

繪制lnP～lnA雙對數(shù)圖[26],如圖9所示。獲取工程渣土的孔隙分布分維數(shù)為1.23,加入10%摻量固化劑養(yǎng)護28 d齡期后,分形維數(shù)減小為1.06。一般可用分形維數(shù)的大小反應(yīng)孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,微觀孔隙越不規(guī)則,分維數(shù)越大[27]。堿激發(fā)GGBS能使得土體形成排列緊密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較小的層狀堆疊結(jié)構(gòu),從而土體微觀孔隙分布分維數(shù)減小。這和SEM結(jié)果具有一致性。

圖9 孔隙形態(tài)分布分形維數(shù)Fig.9 Fractal dimension of pore morphology distribution

3 結(jié)論

探討了堿激發(fā)GGBS改良淤泥質(zhì)工程渣土性能與機理,得出如下結(jié)論。

(1)固化劑增加了固化土液塑限,降低了塑性指數(shù),最優(yōu)含水率隨固化劑摻量增加呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢,最大干密度與之相反。10%的摻量最大干密度最大為1.79 g/cm3。

(2)摻入固化劑能提高渣土力學(xué)性能和水穩(wěn)性,10%的摻量的固化渣土,強度、CBR、水穩(wěn)性以及滲透性分別為2.36 MPa、210.7%、81.3%和1.36×10-7cm/s,各項指標(biāo)均能滿足路基填筑強度要求。

(3)微觀機理表明,固化渣土的主要水化產(chǎn)物為(N,C)-A-S-H以及鈣礬石Aft,固化體主要孔隙數(shù)量為中孔隙,10%摻量固化渣土,固化后中孔隙從33.0%減少至18.3%,減少了14.7%,孔隙分布分形維數(shù)由1.23減小為1.06。

通過堿激發(fā)GGBS固化淤泥質(zhì)工程渣土,改善了渣土的穩(wěn)定性,具有較好的應(yīng)用前景。