粉煤灰對(duì)固化淤泥物理力學(xué)性質(zhì)的影響研究

蔡偉娓

南京市公路管理處科學(xué)研究所，江蘇南京 210039

粉煤灰對(duì)固化淤泥物理力學(xué)性質(zhì)的影響研究

蔡偉娓

南京市公路管理處科學(xué)研究所，江蘇南京 210039

粉煤灰；疏浚淤泥；含水率；液塑限；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；應(yīng)力-應(yīng)變

引言

我國(guó)擁有超過3萬公里的海岸線,內(nèi)河等級(jí)航道里程超過6萬公里。交通運(yùn)輸部在《交通運(yùn)輸“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中提出“十二五”期間要著力拓展港口功能，提升港口的保障能力和服務(wù)水平，同時(shí)加快以高等級(jí)航道為重點(diǎn)的內(nèi)河航道建設(shè)，使得到2015年我國(guó)沿海港口深水泊位達(dá)到2214個(gè)，內(nèi)河航道通航條件顯著改善。為此而進(jìn)行的航道疏浚必將產(chǎn)生了大量的疏浚淤泥。目前絕大部分內(nèi)陸疏浚淤泥是廢棄于陸地拋填區(qū)或低洼地區(qū),有些占用原來的魚塘或耕田,形成的土地由于強(qiáng)度極低而很難進(jìn)行開發(fā)利用,況且隨處廢棄的淤泥中重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽將隨著降雨的淋溶作用,通過地下水或者地表徑流重新流入河湖形成二次污染。近年來，疏浚淤泥的資源化處理越來越受到國(guó)內(nèi)外人們的認(rèn)可，其中固化處理是最為有效的資源化處理方法。通常的做法是向疏浚淤泥中添加固化材料，進(jìn)行攪拌混合，淤泥中的水和黏土礦物與固化材料進(jìn)行一系列的物理化學(xué)反應(yīng)從而改善了淤泥的工程性質(zhì)[1]，使之能作為道路用建筑材料。

粉煤灰是以煤炭為燃料的火力發(fā)電廠排出的固體廢物，主要是由原煤中所含不燃的粘土質(zhì)礦物發(fā)生分解、氧化、熔融等變化產(chǎn)生以玻璃相為主的固體灰渣，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)粉煤灰的總堆存量將會(huì)達(dá)到30多億噸[2]。如此大量粉煤灰的產(chǎn)生，將對(duì)環(huán)境造成很大影響。近年來，粉煤灰已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在土木工程領(lǐng)域，作為各種建材制作的原材料或用于地基與土壤的穩(wěn)固方面。

在利用類似于粉煤灰等工業(yè)廢料作為固化材料處理淤泥方面，黃新[3]等研究了工業(yè)廢石膏在地基加固中的適用條件及加固機(jī)理。張明[4]對(duì)水泥土中粉煤灰外摻劑配方及粉煤灰加固土原理進(jìn)行了研究。黃宏偉[5]采用水泥和粒化高爐礦渣對(duì)上海市西部某地區(qū)的灰色淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行了固化，固化效果優(yōu)于單摻水泥。荀勇[6]對(duì)水泥中摻工業(yè)廢料粉煤灰和磷石膏固化軟土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明，其性能指標(biāo)優(yōu)于純水泥加固固化。但是，將粉煤灰用于淤泥固化處理方面的研究還并不多見，粉煤灰對(duì)固化淤泥物理力學(xué)性質(zhì)的影響還不明確。

本文采用石灰作為固化材料，同時(shí)調(diào)整粉煤灰的添加量，測(cè)定固化淤泥含水率和液塑限的變化，明確粉煤灰對(duì)固化淤泥物理性質(zhì)的影響。通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)掌握粉煤灰對(duì)固化淤泥強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的淤泥取自無錫五里湖，基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1：

基于 Web of Science 數(shù)據(jù)庫的旅游業(yè)能源消耗研究綜述及啟示 張 燕 章杰寬 02（75）

表1 試驗(yàn)淤泥基本物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)中的淤泥固化材料選用石灰，產(chǎn)自上海實(shí)意化學(xué)試劑有限公司，石灰各成分含量如表2所示。

表2 石灰各成分含量

試驗(yàn)采用南京第二熱電廠生產(chǎn)的粉煤灰，按照國(guó)標(biāo)對(duì)采集的一些粉煤灰進(jìn)行了相關(guān)項(xiàng)目測(cè)試，所得結(jié)果如表3所示：

表3 粉煤灰理化成分組成范圍及含量

1.2 試驗(yàn)方法

本文所有試驗(yàn)均按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)[7]進(jìn)行，固化淤泥界限含水率試驗(yàn)采用的是液塑限聯(lián)合測(cè)定法。

試驗(yàn)以1m3淤泥添加100kg石灰為基準(zhǔn)量，增加粉煤灰添加量建立三個(gè)配比，石灰100kg/m3，石灰100kg/m3粉煤灰200kg/ m3，石灰100kg/m3粉煤灰400kg/m3，最后將石灰置換為粉煤灰，建立配比粉煤灰500kg/m3。這樣，前三個(gè)配比形成增加試驗(yàn)，后兩個(gè)形成置換試驗(yàn)。本文用ac/af表示各配比，如ac/af=100/200表示配比石灰100kg/m3粉煤灰200kg/m3。試驗(yàn)方案見表4：

表4 試驗(yàn)方案

2 結(jié)果

2.1 含水率變化

不同配比的固化淤泥含水率隨齡期的變化如圖1所示。可以看出，4組試驗(yàn)固化淤泥的含水率在7天后基本穩(wěn)定不變，這是由于石灰與水的反應(yīng)在7內(nèi)已經(jīng)本完成。由圖2可以看出，淤泥的初試含水率為80%，加入100kg/m3的石灰，其含水率大致下降10%。在100kg/m3石灰的基礎(chǔ)上，再每增加200kg/m3的粉煤灰時(shí)，其含水率再都下降12%左右。如果只以500kg/m3的粉煤灰作為固化材料，固化淤泥的含水率會(huì)再降低5%。

圖1 含水率隨齡期變化曲線

圖2 含水率隨粉煤灰添加量變化曲線

2.2 液塑限變化

齡期為7天和28天的固化淤泥的液塑限和塑性指數(shù)變化如圖3、4所示。可以看出，液限在不同齡期隨著粉煤灰添加量的增加而逐漸減小；不同粉煤灰添加量的塑限在單加粉煤灰時(shí)基本上是最低的，加入了石灰的淤泥隨著粉煤灰添加量的增加，塑限有一點(diǎn)降低，但隨后逐步提高并超過單加石灰時(shí)的塑限；塑性指數(shù)隨著粉煤灰含量的增加，逐漸減小。

圖3 液塑限、塑性指數(shù)隨粉煤灰添加量的變化(7d)

圖4 液塑限、塑性指數(shù)隨粉煤灰添加量的變化(28d)

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期和粉煤灰添加量的變化如圖5、6所示。由圖5可以看出，石灰100kg/m3以及石灰100kg/ m3粉煤灰200kg/m3前14天強(qiáng)度顯著增加，14～28天強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，增長(zhǎng)緩慢。當(dāng)石灰100kg/m3粉煤灰400kg/m3時(shí)7天強(qiáng)度最大，然后不再增加，反而降低，這說明石灰和粉煤灰復(fù)合來改良淤泥時(shí)，粉煤灰可能會(huì)存在一個(gè)最優(yōu)添加量。當(dāng)粉煤灰為500kg/ m3時(shí)，改良土的強(qiáng)度很低，且隨齡期的增長(zhǎng)緩慢，這主要是因?yàn)榉勖夯液秃陀倌喟l(fā)生的火山灰反應(yīng)本身較緩慢，28天之后才能有較明顯的變化。

圖5 強(qiáng)度隨齡期變化曲線

由圖6可以看出，石灰土中復(fù)合粉煤灰，強(qiáng)度顯著提高。隨著粉煤灰的增加，強(qiáng)度增長(zhǎng)近似線性關(guān)系，即每增加200kg/ m3粉煤灰，強(qiáng)度增加了原來的2倍。此外，單加粉煤灰500kg/m3的強(qiáng)度在5kPa左右，而石灰100kg/m3粉煤灰400kg/m3的強(qiáng)度約50kPa，整整提高了10倍。因此我們可以看出，單加粉煤灰對(duì)強(qiáng)度的增長(zhǎng)并無顯著影響，而粉煤灰作為輔助材料與石灰共同改良淤泥能達(dá)到最優(yōu)效果。

2.4應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

7天和28天齡期固化淤泥的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖7、8所示。可以看出，當(dāng)以粉煤灰作為輔助材料進(jìn)行固化時(shí)，隨著其添加量的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線第一階段變化不明顯。第二階段塑性屈服階段很短，試樣的塑性特性不明顯，應(yīng)力應(yīng)變曲線的塑性屈服階段很難界定。第三階段試樣強(qiáng)度達(dá)到峰值，峰值強(qiáng)度后試樣還會(huì)有一定的壓密，故破壞后還存在一定的殘余強(qiáng)度。當(dāng)以粉煤灰等量置換石灰時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生很大變化，不再是理想的彈塑性曲線，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加持續(xù)增長(zhǎng)。隨著粉煤灰添加量的增加，試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線由軟化型向硬化型轉(zhuǎn)變。

圖7 關(guān)系曲線(7d)

圖8 關(guān)系曲線(28d)

3 討論

3.1 固化反應(yīng)機(jī)理

采用石灰作為固化材料，一方面，石灰與淤泥中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

CaO+H2O→Ca(OH)2＋62.80kJ/mol

可見這是個(gè)放熱反應(yīng)，放出的大量熱使得土體溫度升高，加速了淤泥中的水分蒸發(fā)，使固化淤泥的含水率降低；另一方面，石灰與淤泥顆粒之間會(huì)發(fā)生一系列的相互作用，從而使淤泥的性質(zhì)發(fā)生根本的改變。這其中主要包括以下三個(gè)作用：①離子交換作用。熟石灰溶于水以后易于離解成Ca2+和(OH)-離子，隨著Ca2+濃度增大，根據(jù)質(zhì)量作用定律，二價(jià)Ca2+離子就能當(dāng)量替換淤泥粒表面所吸附的一價(jià)金屬離子。②碳酸化作用。所謂碳酸化作用，就是熟石灰Ca(OH)2吸收空氣中CO2，而生成CaCO3。CaCO3是堅(jiān)硬的結(jié)晶體，具有較高的強(qiáng)度，它對(duì)淤泥顆粒的膠結(jié)作用使固化淤泥產(chǎn)生了一定的強(qiáng)度。由于CO2可能由混合料的孔隙滲入，也可能由淤泥本身產(chǎn)生，當(dāng)淤泥的表層碳酸化后則形成一層硬殼，而阻礙CO2進(jìn)一步滲入，因而Ca(OH)2的碳化是個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的反應(yīng)過程，也是形成固化淤泥后期強(qiáng)度的主要原因之一。③結(jié)晶作用。消石灰(Ca(OH)2)摻入淤泥中，由于水分較少，只有少部分離解，還有少部分的Ca(OH)2進(jìn)行化學(xué)作用，絕大部分飽和Ca(OH)2在淤泥中自行結(jié)晶，Ca(OH)2由膠體逐漸成為晶體。這種晶體能夠相互結(jié)合，并與淤泥粒結(jié)合起來形成共晶體，把淤泥顆粒膠結(jié)成整體。

3.2 粉煤灰對(duì)固化反應(yīng)的影響

粉煤灰是一種粒徑遠(yuǎn)小于2mm的火山灰物質(zhì)，含有活性的A12O3和SiO2，它本身并無膠凝性，本身也很難和淤泥中的土顆粒或水發(fā)生反應(yīng)。但它在石灰水化作用后的氫氧化鈣的激發(fā)下，可生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣。生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣都是水硬性化合物，具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力和穩(wěn)定性，并填充了粉煤灰顆粒間的孔隙，使結(jié)構(gòu)變得緊密。另外，粉煤灰微小顆粒亦起著填充小孔隙的作用。這些都能對(duì)固化淤泥強(qiáng)度的形成和增長(zhǎng)起到積極的作用。因此，在使用石灰作為固化材料處理高含水率淤泥時(shí)，加入適量的粉煤灰不僅不會(huì)影響固化淤泥的強(qiáng)度，還能使固化淤泥的結(jié)構(gòu)更加致密和穩(wěn)定，同時(shí)也使粉煤灰這種工業(yè)廢料得到了充分的利用，是一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的處理方法。

4 結(jié)語

(1)在疏浚淤泥固化處理過程中加入粉煤灰可以有效降低淤泥的含水率；隨著粉煤灰添加量的增加，固化淤泥的液限不斷減小，塑限先減小，但隨后逐漸增加并超過單加石灰的固化淤泥的塑限；塑性指數(shù)隨著粉煤灰含量的增加，逐漸減小。

(2)在疏浚淤泥固化處理過程中，加入適量的粉煤灰可以顯著提高固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

(3)利用石灰處理疏浚淤泥，固化淤泥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為軟化型；再加入粉煤灰處理后，固化淤泥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為三個(gè)階段：彈性階段、塑性屈服階段和破壞階段；隨著粉煤灰添加量的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由軟化型向硬化型轉(zhuǎn)變。

[1]朱偉,劉漢龍,高玉峰.工程廢棄土的再生資源利用技術(shù)[J].再生資源研究，2001,(6)：32-35

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[5]郭印.淤泥質(zhì)土的固化及力學(xué)特性的研究[D].杭州：浙江大學(xué), 2007.

[6]荀勇.粉煤灰對(duì)水泥系加固土強(qiáng)度的影響[J].建筑技術(shù)，2000,31(3):189-190

[7]中華人民共和國(guó)水利部.GB/T 50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社, 1999.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.008