堿渣污染水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與滲透性試驗(yàn)研究

付大慶，曹連朋，陳汝振，卜令全，郝曉迅，毛樹亭

(1.山東恒源勘測設(shè)計(jì)有限公司，山東 濰坊 261205；2.濰坊市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濰坊 261205)

由于水泥土具有施工簡單、材料來源廣泛、設(shè)計(jì)靈活、造價(jià)低廉等優(yōu)勢，在道路、機(jī)場、港口等軟土地基處理、基坑支護(hù)以及水庫、攔河閘壩、堤防、渠道防滲等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]。水泥土的工程性能受水泥摻入量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、水泥強(qiáng)度等級、土體含水率、土質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量及水泥外摻劑等眾多因素的影響，加之各因素相互影響導(dǎo)致了水泥土工程特性的復(fù)雜性和不確定性，眾多學(xué)者對水泥土的力學(xué)性質(zhì)及增長規(guī)律進(jìn)行了深入研究。許淼[7]采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的方法，研究了水泥摻量、含水率、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)方式對水泥土強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。高鵬飛等[8]通過試驗(yàn)對水泥配比及土樣含水率對不同土質(zhì)水泥土的強(qiáng)度及變形規(guī)律進(jìn)行了研究，指出隨著水泥配比的增加，不同土質(zhì)水泥土強(qiáng)度增長率有明顯不同，并擬合出了28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間水泥土變形模量估算公式。董猛榮等[9]對海相軟土場地水泥土劣化機(jī)理進(jìn)行了研究，從腐蝕離子干預(yù)水化反應(yīng)進(jìn)程和分解水化產(chǎn)物2個(gè)過程揭示了海相軟土場地水泥土劣化機(jī)理。鄭美如[10]對堿渣作為穩(wěn)定材料的水泥土強(qiáng)度進(jìn)行了分析，指出利用堿渣和水泥及礦渣配合開發(fā)適應(yīng)淤泥土的固化劑，可以達(dá)到利用廢棄資源，提高水泥土強(qiáng)度，降低工程投資的效果。耿興華[11]研究了造紙廠污水對水泥土性能的影響，指出水泥土強(qiáng)度和電阻率都隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，隨著造紙廠污水溶液濃度的增加而減小。

堿渣是氨堿法生產(chǎn)純堿過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，具有高堿性、高含水率和高氯離子含量特點(diǎn)，目前堿渣處理方式主要是堆填[12]，其次是制成建筑材料。就地堆填對地基土及地下水均產(chǎn)生一定的污染，堿渣污染水泥土的工程特性尚無研究先例。位于渤海萊州灣南岸濱海平原地帶的萊州灣鹽場是我國四大鹽場之一，分布著山東海化集團(tuán)有限公司、山東海天生物化工有限公司等以海鹽為原料的大型、特大型鹽化工企業(yè)，產(chǎn)生的堿渣就近堆放，形成了數(shù)座堿渣庫(池)，存在重大安全隱患。本文以山東海化股份有限公司純堿廠堿渣場新1#池、新2#池和南堿渣庫防滲墻加固項(xiàng)目為例，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)對水泥土防滲墻處理深度范圍內(nèi)堿渣污染的三類土與水泥按一定比例攪拌后制成的水泥土試塊進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與滲透性試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

擬加固堿渣庫周邊地層自上而下分別為粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土三類土，相應(yīng)厚度分別2、10、4m，均為海相沉積物，原狀土樣分別取自孔1、孔2與孔3的3個(gè)鉆孔，每孔每層土物理性質(zhì)試驗(yàn)組數(shù)3組，總計(jì)試驗(yàn)組數(shù)27組。試驗(yàn)用土顆粒分析、物理性質(zhì)見表1，離子含量試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)拌合用水、養(yǎng)護(hù)用水與水質(zhì)分析用水通過在場地鉆孔旁開挖探坑滲水取得。試驗(yàn)用水水質(zhì)分析成果見表3。

表1 試驗(yàn)用土顆粒組成百分比與物理性質(zhì)

表2 試驗(yàn)用土土質(zhì)分析及pH值

表3 試驗(yàn)用水水質(zhì)分析及礦化度

固化劑采用濰坊山水水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，外摻劑采用濟(jì)南德利泰建材科技有限公司生產(chǎn)的DLT-A2混凝土抗裂防滲引氣劑。

1.2 試驗(yàn)方案

水泥摻入量12.0%，水灰比0.5，外摻劑摻入量為水泥的8.3‰，制作水泥土試塊。每孔每層土料與水泥、外摻劑各制作3個(gè)試塊分別進(jìn)行7d、14d與28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，共計(jì)試塊81件；每孔每層土料與水泥、外摻劑各制作3個(gè)試塊，分別進(jìn)行7d、14d與28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透試驗(yàn)，共計(jì)試塊81件；合計(jì)試塊162件。

原狀土物理性質(zhì)試驗(yàn)后的土料與鉆孔所取剩余原狀土經(jīng)充分碾碎，清除雜質(zhì)后與P·O32.5普通硅酸鹽水泥、DLT-A2混凝土抗裂防滲引氣劑，放入行星式攪拌機(jī)經(jīng)充分?jǐn)嚢瑁僦鸫渭铀當(dāng)嚢璨簧儆?0min，然后裝入70.7mm×70.7mm×70.7mm的內(nèi)表面涂脫模劑的試模內(nèi)，經(jīng)振動(dòng)臺振動(dòng)及振搗棒振搗至少20次至試模的一半高度，緊接再次填入試料再振搗至少20次，最后將高出試模上沿口多余的拌合物刮除，抹平后蓋上塑料薄膜，防止水分蒸發(fā)。抗壓強(qiáng)度試塊成型后48h拆模，脫了模的試塊用天平稱重后與未拆模的滲透試驗(yàn)試塊放入養(yǎng)護(hù)室，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度20±1℃，濕度≥95%)下分別進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，2d更換1次養(yǎng)護(hù)用水。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試塊尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體，滲透試驗(yàn)試塊尺寸為上口直徑70mm，下口直徑80mm，高度40mm的圓臺體。

2 試驗(yàn)成果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果分析

對不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的水泥土試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，三類水泥土試塊不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果見表4。

表4 堿渣污染水泥土不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表4及圖1可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉土水泥土7～14d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較快，14～28d強(qiáng)度增長逐漸減緩。7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，孔1和孔3相關(guān)系數(shù)R2分別為0.999與0.933，孔2相關(guān)系數(shù)R2為0.873，相關(guān)性相對較差，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈良好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔粉土水泥土相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可得出，7、14、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散性相對較大，孔1比孔3在7、14、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高一倍以上。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比例關(guān)系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.500∶0.778∶1.000。

圖1 堿渣污染水泥土養(yǎng)護(hù)時(shí)間-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉砂水泥土7～14d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較快，14～28d強(qiáng)度增長逐漸減緩，7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.992、0.998、0.972，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈很好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔粉砂水泥土相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可得出，7、14、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉砂水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散性較大，孔1和孔2相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相近，與孔3相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度相差較大。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉砂水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比例關(guān)系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.655∶0.836∶1.000。

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉質(zhì)黏土水泥土7～14d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較快，14～28d強(qiáng)度增長逐漸減緩。7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈很好的冪函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.975、0.971、0.994，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈很好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔粉質(zhì)黏土水泥土相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可得出，7、14、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉質(zhì)黏土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散性較大，各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)側(cè)抗壓強(qiáng)度相差較大。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉質(zhì)黏土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比例關(guān)系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.534∶0.740∶1.000。

28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉土水泥土、粉砂水泥土、粉質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比例關(guān)系為

fcu，28，粉土水泥土∶fcu，28，粉砂水泥土∶fcu，28，粉質(zhì)黏土水泥土

=1.000∶0.764∶0.910

粉質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是粉土水泥土的91%，粉砂水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別是粉質(zhì)黏土水泥土的84.0%與粉土水泥土的76.4%，粉土水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于粉砂水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要原因是：粉土與粉質(zhì)黏土的主要粒組是粉粒，顆粒細(xì)小，而粉砂的主要粒組是粉砂粒，顆粒相對于粉粒較粗，由于水泥的摻量只有12%，水泥水解和水化反應(yīng)完全是在有一定活性的介質(zhì)的圍繞下進(jìn)行。

普通硅酸鹽水泥主要由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、三氧化硫等氧化物分別組成了硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣等水泥礦物。水泥與土充分?jǐn)嚢枳龀稍噳K置于水中養(yǎng)護(hù)后，水泥顆粒表面的礦物很快與土中的吸著水與薄膜水發(fā)生分解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化鐵鋁酸鈣等水合物。當(dāng)水泥中的各種水化物生成后，有的自身繼續(xù)硬化；有的則與其周圍具有一定活性的粉土顆粒、黏土顆粒發(fā)生離子交換和團(tuán)粒化作用，水泥水化生成的凝膠粒子的比表面積比水泥顆粒大數(shù)百倍甚至千倍，有很強(qiáng)的吸附活性，使得較大的土顆粒團(tuán)粒進(jìn)一步相互結(jié)合，形成水泥土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，并封閉土團(tuán)之間的孔隙，形成堅(jiān)固的連結(jié)[13]，從而使粉土水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于粉砂水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2.2 滲透試驗(yàn)成果分析

滲透試驗(yàn)組數(shù)及養(yǎng)護(hù)時(shí)間同無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)前將達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試塊飽水48h，采用砂漿抗?jié)B儀進(jìn)行滲透試驗(yàn)，根據(jù)達(dá)西定律，三類水泥土試塊不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透試驗(yàn)成果見表5。

由表5及圖2可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉土水泥土滲透系數(shù)均呈10-7cm/s數(shù)量級，7～14d滲透曲線降低明顯，14～28d滲透曲線降低減緩，7d～14～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.998、0.983、0.997，滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈很好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間滲透系數(shù)可知，各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)相差較小，差值最大2.8×10-8cm/s。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉土水泥土滲透系數(shù)比例關(guān)系k7∶k14∶k28=1.133∶1.068∶1.000。

圖2 堿渣污染水泥土養(yǎng)護(hù)時(shí)間-滲透系數(shù)曲線

表5 堿渣污染水泥土不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉砂水泥土滲透系數(shù)均呈10-7cm/s數(shù)量級，7～14d滲透曲線降低明顯，14～28d滲透曲線降低減緩，7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.952、0.991、0.957，滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈良好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間滲透系數(shù)可知，各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)相差較小，差值最大1.04×10-7cm/s。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉砂水泥土滲透系數(shù)比例關(guān)系k7∶k14∶k28=1.101∶1.055∶1.000。

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉質(zhì)黏土水泥土滲透系數(shù)均呈10-7cm/s數(shù)量級，7d～14d滲透曲線降低非常明顯，14～28d滲透曲線降低極度減緩，7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間大致呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.952、0.991、0.957，滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈良好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)可知，各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間滲透系數(shù)相差較小，差值最大1.49×10-7cm/s。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉質(zhì)黏土水泥土滲透系數(shù)比例關(guān)系k7∶k14∶k28=1.164∶1.053∶1.000。

28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉土水泥土、粉砂水泥土、粉質(zhì)黏土水泥土的滲透系數(shù)比例關(guān)系為

k28，粉土水泥土∶k28，粉砂水泥土∶k28，粉質(zhì)黏土水泥土

=1.000∶2.409∶1.989

粉土水泥土的滲透系數(shù)最小，粉砂水泥土滲透系數(shù)是粉土水泥土滲透性的2.409倍，粉質(zhì)黏土水泥土滲透系數(shù)是粉土水泥土滲透性的1.989倍，粉砂水泥土的滲透系數(shù)是粉質(zhì)黏土水泥土滲透性的1.211倍。

一般情況下，粉土、粉砂與粉質(zhì)黏土三種土中，粉質(zhì)黏土的滲透性最小，粉砂的滲透性最大，粉土滲透性介于二者之間。陶高粱等[14]認(rèn)為土體孔隙通道由不同數(shù)量級尺度的孔隙組成，孔隙通道尺度越小，相應(yīng)滲透系數(shù)越小，滲透系數(shù)與孔隙通道尺度的平方成正比。普通硅酸鹽水泥中硫酸鈣含量極低，堿渣除含有大量的氯離子外，還含有一定數(shù)量的鈣離子、硫酸根離子，受堿渣污染后，粉土水泥土相較于粉砂水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土，含有更多的鈣離子、硫酸根離子，它和鋁酸三鈣與水發(fā)生反應(yīng)

3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

該反應(yīng)能把大量的自由水以結(jié)晶水的形式固定下來，同時(shí)，水泥水化產(chǎn)物中游離的氫氧化鈣與水中二氧化碳及堿渣中的碳酸根離子、重碳酸根離子發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣，使粉土水泥土試塊中的孔隙通道數(shù)量及尺度低于粉砂水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土試塊中的數(shù)量及尺度，從而使粉土水泥土的滲透性低于粉砂水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土。

3 結(jié)論

本文通過對堿渣污染的粉土水泥土、粉砂水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土三類土進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下：

(1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，7～14d強(qiáng)度增長較快，14～28d強(qiáng)度增長逐漸減緩，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的三者比例關(guān)系1.000∶0.764∶0.910。

(2)7～14d滲透性降低明顯，14～28d滲透性降低減緩，滲透性與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)均呈10-7cm/s數(shù)量級，三者比例關(guān)系1.000∶2.409∶1.989。

本次水泥摻量單一，在后序的研究中可用多種摻量與不同種類的水泥，采用X射線衍射(XRD)試驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)、能譜(EDS)分析等多種試驗(yàn)方法研究水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與滲透性變化規(guī)律。