水泥和礦渣固化河道底泥的應(yīng)力—應(yīng)變特性研究

陶子健 蒙 強(qiáng) 靳宏圓*

(1.上海師范大學(xué)附屬中學(xué)閔行分校，上海 201112; 2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

水泥和礦渣固化河道底泥的應(yīng)力—應(yīng)變特性研究

陶子健1蒙 強(qiáng)2靳宏圓2*

(1.上海師范大學(xué)附屬中學(xué)閔行分校，上海 201112; 2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

采用水泥作為主固化劑，礦渣為輔助添加劑，對(duì)底泥進(jìn)行了固化處理，并分析了固化后底泥的無(wú)側(cè)限壓縮變形特性，研究結(jié)果表明:隨著水泥摻量的變化，破壞應(yīng)變?cè)?.4%～2.3%之間變化;隨著礦渣摻量的變化，破壞應(yīng)變?cè)?.6%～2.0%之間變化，且隨著水泥摻量、礦渣摻量的增加及齡期的增長(zhǎng)，固化底泥的破壞應(yīng)變呈冪函數(shù)減小，固化底泥破壞形態(tài)由塑性破壞逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹?/p>

底泥，河道，水泥，礦渣，固化劑

0 引言

為保證河道正常的泄洪能力，很多河道開(kāi)展了大規(guī)模的疏浚和清淤工程，產(chǎn)生了大量的疏浚底泥。環(huán)保疏浚產(chǎn)生的底泥，通常被作為固體廢物堆放在貯泥場(chǎng)中，不僅占用大量土地，而且對(duì)環(huán)境易產(chǎn)生二次污染。因此，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)合理且不會(huì)導(dǎo)致二次污染的底泥資源化處理技術(shù)，已成為環(huán)保領(lǐng)域的重要課題。

固化/穩(wěn)定化技術(shù)(Solidification/Stabilization，簡(jiǎn)稱S/S法)是向底泥中添加固化材料，固化材料與水通過(guò)水化反應(yīng)、離子交換反應(yīng)和碳酸反應(yīng)形成水化產(chǎn)物而起到底泥加固作用［1］。傳統(tǒng)的固化材料包括水泥、石灰單獨(dú)使用或者在其中加入一些工業(yè)廢料［2-5］，如:粉煤灰、高爐礦渣、鋼渣、堿渣、廢石膏，或者膨潤(rùn)土、水玻璃、硅粉、木質(zhì)素磺酸鈣等材料而得到的復(fù)合型固化材料。

底泥固化后可用作填方材料、建筑材料等用途［6］。固化底泥的強(qiáng)度和變形特性方面的研究是影響固化/穩(wěn)定化技術(shù)應(yīng)用的制約因素［7-9］。因此，開(kāi)展這方面的研究，對(duì)于研究底泥固化處理后的資源化利用，具有重要的工程意義。

本文在以水泥為主固化劑的基礎(chǔ)上，加入礦渣作為輔助添加劑，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了水泥、礦渣及齡期對(duì)固化底泥應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系及破壞應(yīng)變的影響規(guī)律，為實(shí)際工程中固化劑的選取提供參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的底泥取自上海黃浦江，底泥的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 底泥化學(xué)成分

試驗(yàn)所用水泥為42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，礦渣為上海市某鋼鐵廠冶煉過(guò)程中所產(chǎn)生經(jīng)加工而成的超細(xì)礦渣粉，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 固化劑化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

1)底泥風(fēng)干。在試驗(yàn)前將底泥自然風(fēng)干，用橡膠榔頭擊碎，過(guò)篩清除泥土中的雜質(zhì)，密封備用。

2)固化劑拌和。按設(shè)計(jì)配比稱取干土、水泥、礦渣、生石灰和沸石，置于配樣桶中，充分混合。然后按照含水量50%摻水，攪拌均勻后分3層裝入內(nèi)徑為45 mm、高100 mm的特制模具內(nèi)(內(nèi)壁涂一層薄層凡士林)制成試樣。

3)養(yǎng)護(hù)。用聚乙烯塑料袋包裹并置于溫度(20±2)℃、濕度大于95%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，脫模后將試樣放入自封袋密封，繼續(xù)在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。

4)強(qiáng)度試驗(yàn)。進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(強(qiáng)度測(cè)試方法參見(jiàn)ASTM D2166-06)，記錄試驗(yàn)過(guò)程中固化底泥的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。控制軸向應(yīng)變速率為1%/min。所有測(cè)試結(jié)果均取三個(gè)平行試樣的平均值。試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

1)水泥摻入量對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響。圖1分別為齡期7 d，14 d，28 d，60 d時(shí)不同水泥摻量下固化底泥的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖1可知，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線全過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段:第一階段是近似直線的上升階段，第二階段是非線性增長(zhǎng)階段，此時(shí)應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的速度較第一階段明顯變緩，第三階段即到達(dá)峰值后的陡降階段。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)(7 d～28 d)，水泥摻入量在18%時(shí)，固化底泥試樣呈現(xiàn)出塑性破壞的特征。隨著水泥摻入量的增加，固化底泥由塑性破壞特征逐漸過(guò)渡到脆性破壞特征。

圖1 不同水泥摻量固化底泥的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

在相同水泥摻入量下，隨著齡期的增長(zhǎng)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線越陡，破壞應(yīng)變?cè)叫　．?dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，低水泥摻入量(18%，24%)的固化底泥表現(xiàn)為塑性破壞，高水泥摻入量(30%，36%)的固化底泥表現(xiàn)為脆性破壞。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14 d，28 d，水泥摻量為18%時(shí)，固化土呈現(xiàn)塑性破壞的特征，其余水泥摻入量的固化底泥呈現(xiàn)為脆性破壞。養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到60 d時(shí)，固化底泥均呈現(xiàn)為脆性破壞。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，固化底泥的破壞應(yīng)變減小，由塑性破壞特征逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐奶卣鳌?/p>

2)礦渣摻量對(duì)固化底泥應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響。圖2為不同礦渣摻量下固化底泥的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖2可知，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線全過(guò)程同樣可以分為3個(gè)階段。固化底泥摻加礦渣后，均呈現(xiàn)出脆性破壞的特征。在相同礦渣摻入量下，齡期越長(zhǎng)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線越陡。

圖2 不同礦渣摻量固化底泥的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

2.2 破壞應(yīng)變

破壞應(yīng)變?chǔ)舊是應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線上與極限抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，它是衡量材料脆性或韌性的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖3為破壞應(yīng)變隨水泥摻量的變化規(guī)律。由圖3可知，隨著水泥摻量的增加，固化底泥的破壞應(yīng)力越大，所對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變?cè)叫　Ｏ嗤鄵饺肓肯拢g期越長(zhǎng)，破壞應(yīng)變?cè)叫　．?dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，隨著水泥摻量的變化，破壞應(yīng)變?cè)?.2%～2.3%之間，表現(xiàn)為塑性破壞。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14 d，28 d，60 d，水泥摻量較小時(shí)，破壞應(yīng)變較大，此時(shí)為塑性破壞，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到90 d時(shí)，破壞應(yīng)變低于1.0%，此時(shí)屬于脆性破壞。

圖3 破壞應(yīng)變與水泥摻量關(guān)系曲線（礦渣摻量16%）

圖4 破壞應(yīng)變與礦渣摻入量關(guān)系曲線（水泥摻量24%）

圖4 為破壞應(yīng)變隨礦渣摻入量和齡期的變化規(guī)律。由圖4可知:隨著礦渣摻量的增加，固化底泥的破壞應(yīng)力增大，而破壞應(yīng)變減小。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，隨著礦渣摻量的變化，破壞應(yīng)變?cè)?.5%～2.0%之間。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14 d，28 d，60 d時(shí)，隨著礦渣摻量的增加，破壞應(yīng)變均小于1.5%。此時(shí)屬于脆性破壞。這說(shuō)明，隨著礦渣摻入量的增加及養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，固化底泥的破壞應(yīng)變減小，呈現(xiàn)出脆性破壞特征。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了水泥摻量、礦渣摻量及齡期對(duì)固化底泥應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論:

1)固化底泥的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系隨著水泥摻量的增加，其變形特性由塑性破壞特征逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐奶卣鳌郊拥V渣后，固化底泥的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系均呈現(xiàn)脆性破壞的特征。礦渣摻量越高，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線越陡。

2)隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，未摻加礦渣的固化底泥應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系逐漸由塑性破壞特征轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐奶卣鳌郊拥V渣的底泥，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線變陡。

3)固化底泥的破壞應(yīng)變隨著水泥摻量、礦渣摻量的增加、養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而減小。破壞應(yīng)力越大，破壞應(yīng)變?cè)叫　?/p>

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Experimental study of stress-strain properties of slag and cement solidified sludge

Tao Zijian1Meng Qiang2Jin Hongyuan2*
(1.High School Affiliated to Shanghai Normal University(Minhang Branch)，Shanghai 201112，China; 2.School of Environment and Architectural，University of Shanghai for Science＆Technology，Shanghai 200093，China)

This paper present a study on unconfined compressive deformation properties of sludge solidified by cement as the main agent and slag as subsidiarity additive.Results of the test show that the failure strain decreases from 0.4%to 2.3%.With the increased dosage of cement，and declines from 0.6%to 2.0%with the variation of slag.The stabilized soil changes plastic collapse into a brittle failure and reduces the strain at failure with the increase of curing time，cement and slag content.

sludge，riverway，cement，slag，curing agent

1009-6825(2016)36-0091-03

TV143

:A

2016-10-17

陶子健(1999-)，男，在讀學(xué)生通訊作者:靳宏圓(1993-)，男，在讀碩士