養護溫度對堿渣-礦渣-電石渣固化淤泥強度性質的影響機制

何 俊,呂曉龍,朱元軍

(湖北工業大學土木建筑與環境學院,湖北 武漢 430068)

水環境治理工程和港口建設會產生大量疏浚淤泥,其處理和處置問題給社會經濟和環境帶來了巨大壓力[1-2]。為改善疏浚淤泥的力學性質、提高其工程應用價值,通常采用加入水泥、工業副產品和廢料等方式對其進行固化處理。礦渣、鋼渣、粉煤灰、廢石膏、電石渣和堿渣等固體廢棄物用作疏浚淤泥的固化劑,可替代高耗能、高排放和高污染的水泥等傳統固化劑,已成為當前淤泥固化處理的研究熱點之一[3-6]。

在對固化疏浚淤泥進行工程應用時,通常在室溫和標準養護條件下進行淤泥基本物理力學性質的測試。環境溫度是影響土體力學性質的因素之一[7],而在實際工程中,固化淤泥所處環境可能與室內試驗環境存在較大差異。例如,全球變暖、城市熱島效應和季節氣候變化等造成土體所處環境溫度與室內試驗溫度或標準養護溫度((20±2)℃)不同;固化劑和淤泥用量大、固化劑水化放熱產生的熱量在土體中聚集也可能導致土體實際溫度高于環境溫度[8-9]。因此,養護溫度對固化土性質的影響受到許多學者的關注。在傳統固化劑方面,Bell[10]通過對石灰固化土性質的研究發現,養護溫度對強度有顯著影響,當溫度高于30℃時強度急劇提高;Al-Mukhtar等[11-12]對20℃和50℃養護溫度下石灰改良膨脹土性質的研究發現,養護溫度升高加速了火山灰反應,促使改良土強度快速提高;Liu等[13]對石灰摻量、養護齡期和養護溫度與固化軟土無側限抗壓強度(UCS)的關系進行總結,發現固化土強度隨養護溫度急劇升高,二者之間滿足指數關系。水泥基材料的水化與養護溫度密切相關,章榮軍等[9,14]對不同養護溫度條件下水泥固化淤泥的UCS進行了研究,發現養護溫度升高可加快化學反應速度,提高火山灰反應程度,從而提高水泥固化淤泥的早期和長期強度,并提出了考慮溫度效應的水泥土配合比設計方法;陳昌富等[15]發現不同養護溫度下水泥土的UCS和變形模量的演化規律呈指數函數形式。在新型固化劑方面,Phetchuay等[16]研究粉煤灰和電石渣基地聚物對海相軟土強度的影響時發現,養護溫度從25℃升高至40℃時地聚合反應增強,固化土UCS顯著提升。對煤系偏高嶺土地聚合物固化淤泥的研究也得到了類似的結論[17],Sabrin等[18-19]以膨潤土+氯化鎂+堿激發劑作為新型固化劑對粉質砂土進行固化處理,發現當養護溫度低于40℃時達不到理想固化效果,當養護溫度為60℃時固化土UCS和變形模量達到最優;Consoli等[20]用稻殼灰和電石渣作為砂土改良劑,發現養護溫度可以加速稻殼灰和電石渣之間的火山灰反應,23℃養護28d和40℃養護7d時改良砂土的強度接近;王東星等[8]以活性MgO-礦粉和活性MgO-粉煤灰作為黏土固化劑,研究了20、40、60℃養護溫度對固化土UCS的影響,得到考慮高溫效應的固化土強度預測方法;He等[21]對堿渣、礦渣和石灰固化生活污泥用作垃圾填埋場覆蓋材料時的土工性質進行了研究,探討了12～60℃養護溫度條件下固化污泥的UCS、壓縮系數和滲透系數的變化規律,發現40℃時固化污泥強度最大、壓縮系數和滲透系數最小。

上述研究表明,石灰和水泥固化土、基于固體廢棄物等新型固化劑的固化土的強度發展均有顯著的溫度效應,而強度研究以UCS為主。He等[2]研究發現,堿渣、礦渣、電石渣可作為疏浚淤泥的新型固化劑,具有良好的固化效果,但養護溫度對其性質的影響還不清楚。系統研究養護溫度對堿渣-礦渣-電石渣固化淤泥強度性質的影響規律及其機理,對于提高堿渣和礦渣等廢棄物的資源化利用率、進行固化淤泥的合理設計并減少傳統固化劑的用量及其碳排放具有重要意義。本文以堿渣-礦渣-電石渣固化疏浚淤泥為研究對象,開展不同初始含水率、養護齡期和養護溫度條件下固化淤泥的UCS、加州承載比(CBR)和三軸壓縮等試驗,結合X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等測試,重點研究養護溫度(10、20、35、50℃)對固化淤泥UCS、CBR和抗剪強度指標的影響規律和機理,以期為更好地利用堿渣、礦渣等廢棄物進行疏浚淤泥固化處理的工程實踐提供支撐。

1 試驗材料和方法

試驗所用疏浚淤泥取自湖北武漢巡司河,其塑限和液限分別為38.7%和55.0%,按照HJ 761—2015《固體廢物 有機質的測定 灼燒減量法》測得其燒失量為9.25%,呈灰黑色流塑狀態。固化劑由堿渣、礦渣組成,電石渣作為礦渣激發劑。采用XRD測試得到原材料礦物成分見圖1。淤泥主要為石英、白云母、伊利石和鈣長石等;堿渣以碳酸鈣、二水硫酸鈣和氯化鈉為主;礦渣以硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鈣鋁黃長石為主;電石渣以氫氧化鈣為主,含少量碳酸鈣。

圖1 原材料XRD圖譜

試驗時,將疏浚淤泥風干、碾碎、過1mm篩,根據設定含水率加水攪拌;將堿渣、礦渣和電石渣60℃烘干并過1mm篩,與淤泥一起置于砂漿攪拌機中攪拌10min至均勻,密封靜置12h后制樣。開展的試驗主要有UCS試驗、CBR試驗、三軸壓縮試驗、XRD和SEM測試,試驗方案見表1。由于實際應用時疏浚淤泥含水率變化較大,試驗選取初始含水率為淤泥液限的0.8、1.2、1.8倍。根據前期試驗確定固化劑摻量,選擇兩種不同配比(配比Ⅰ:堿渣、礦渣、電石渣、干淤泥質量比為20∶10∶4∶100;配比Ⅱ:堿渣、礦渣、電石渣、干淤泥質量比為30∶6∶2.4∶100),其中為更多地消納堿渣,其摻量相對較大;電石渣設定為礦渣摻量的40%,以起到較好的激發效果[3]。結合工程實際,考慮10～50℃之間4種養護溫度。

表1 強度試驗方案

具體試驗方法如下:

a.UCS試驗。采用分層擊實法在內徑為39.1mm、高為80mm的鋼模具中制樣。其中,低、中含水率試樣采用擊實法制樣,將混合土分3層擊實,擊實功與標準輕型擊實試驗相同;高含水率試樣采用振動法制樣,將混合土振動至表面無氣泡產生。制備完成后,將試樣連同模具用保鮮膜包裹,放入不同溫度的水浴養護箱內養護1d后脫模,然后再以保鮮膜包裹后繼續養護至設定齡期。采自YSH-2型應變控制式無側限抗壓強度儀進行測試,變形速率為1mm/min。需要說明的是,雖有保鮮膜包裹,但在養護過程中仍有部分水透過保鮮膜的邊緣進入試樣中。

b.CBR試驗。采用TDJ-3型多功能電動擊實儀進行輕型標準擊實法擊實,擊實錘質量為4.5kg,擊實筒內徑和筒高分別為152mm和166mm。制備完成后將試樣連同擊實筒一起放入不同溫度的水浴養護箱養護至設定齡期后,參考GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》在承載比測試儀上進行試驗。對配比Ⅰ混合土的輕型標準擊實試驗得到其最大干密度為1.433g/cm3、最優含水率為35.2%,該含水率對應淤泥的初始含水率為47.1%。為與其他強度試驗土樣一致,選擇初始含水率為44%的試樣進行CBR試驗。

c.三軸壓縮試驗。采用TSZ系列全自動三軸儀,參考GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》開展固結不排水剪試驗。試樣制備和養護方法與UCS試驗相同。圍壓選為100、200、300kPa,在不同溫度下養護28d后,真空抽氣飽和試樣后進行三軸壓縮試驗。

d.微觀測試。UCS試驗完成后取中部小塊試樣,經60℃烘干并過75μm篩后,采用日本理學公司的X射線衍射儀(MiniFlex600)進行XRD測試,掃描速度為5°/min,掃描范圍5°～75°,用Jade軟件分析礦物成分。UCS試驗完成后取中部小塊試樣,凍干并噴金處理后,采用日本日立公司的高分辨場發射掃描電鏡(Hitachi SU8010)進行SEM測試,放大倍數為5000和20000倍。

2 試驗結果和分析

2.1 UCS

2.1.1初始含水率和養護溫度的影響

養護齡期為28d時,兩種配比固化淤泥UCS與初始含水率w0和養護溫度T的關系見圖2?？梢钥闯?隨著養護溫度的升高,兩種配比試樣的UCS均有所提升。當溫度從10℃升高至35℃時,UCS提升幅度較小;從35℃升高至50℃時,UCS大幅提升,其規律與石灰固化土一致[10]。當初始含水率較低時,UCS受溫度的影響更顯著。例如,當w0=44%時,配比Ⅰ試樣在T=10、20、35、50℃時UCS分別為60.8、86.8、205.4、593.8kPa,養護溫度超過35℃后UCS顯著提升;當w0=99%時,T從10℃升高至50℃時UCS從21.2kPa增大至122.8kPa?？傮w來看,配比Ⅱ試樣比配比Ⅰ試樣強度高,表明增加堿渣摻量有助于提高固化淤泥的強度,尤其是初始含水率較低時配比Ⅱ試樣強度優勢更明顯。但當溫度從35℃升高至50℃時配比Ⅰ試樣增幅更明顯。摻入固化劑使混合土含水率降低等物理作用有助于提高固化淤泥強度。低溫時,固化劑與淤泥之間的水化反應速度較慢[9],物理作用的效果將相對明顯,而配比Ⅱ試樣中較大的固化劑總摻量有助于降低混合土含水率,使低溫時配比Ⅱ試樣的強度大于配比Ⅰ試樣。堿渣和電石渣可激發礦渣活性,高溫時水化反應的速度和程度都將得到提高[14],而配比Ⅰ中礦渣摻量較高,因此強度得到大幅提升。當初始含水率從66%減小至44%時,與配比Ⅰ試樣相比,配比Ⅱ試樣UCS大幅提升。配比Ⅱ試樣中堿渣摻量較高、礦渣摻量較低,XRD測試發現含水率為44%時有大量的二水硫酸鈣沒有參與反應[22],堿渣在固化淤泥中主要起減小含水率、調節粒度組成等物理作用,且44%為最優含水率附近(配比Ⅰ和Ⅱ試樣的最優含水率分別為47.1%和44.6%),擊實效果更好。因此配比Ⅱ試樣在44%時UCS大幅提升。

圖2 初始含水率和養護溫度對UCS的影響

與石灰固化軟土類似[13],固化淤泥強度UCS與養護溫度T的關系可以用指數函數描述,擬合曲線如圖2所示,可見指數函數擬合效果良好。養護溫度為0℃時的UCS隨初始含水率的增大而減小;當初始含水率相同時,配比Ⅱ試樣的UCS大于配比Ⅰ試樣,與前述規律一致。配比Ⅰ試樣的UCS隨溫度變化更明顯。

以室溫20℃下的UCS為基準,10、35、50℃養護溫度下的UCS分別為其0.7～1.0倍、1.2～2.4倍,2.4～6.8倍。

2.1.2養護齡期和養護溫度的影響

兩種初始含水率和養護溫度條件下,配比Ⅰ試樣UCS與養護齡期的關系見圖3。可以看出,當T=20℃時試樣UCS隨養護齡期的變化較小,w0=99%試樣的UCS均較低(17.7～24.4kPa);當T=50℃時UCS隨齡期變化較大,養護齡期從14d至60d時UCS有較大提升,高養護溫度下低含水率試樣UCS隨養護齡期的變化更顯著。例如w0=44%試樣在養護齡期為14、28、60d時UCS分別為193.7、593.8、1094.4kPa,強度持續提高,超過60d后強度增長緩慢。這表明養護溫度的升高有助于水化反應的不斷進行,持續提高固化淤泥的強度。

圖3 養護齡期對UCS的影響

2.2 CBR

CBR是反映路基材料強度和承載能力的重要指標。初始含水率為44%時固化淤泥CBR試驗結果見表2。其中,未浸水試樣在室溫(20±2)℃下實驗室直接養護至設定齡期。由表2可以看出:①在其他條件相同的情況下,CBR隨養護齡期的增加而增大,養護溫度越高時養護齡期對CBR的影響越大。例如,養護溫度為10℃時,養護齡期為7d和28d試樣CBR分別為11.3%和14.0%,CBR有所增大;在室溫下未浸水試樣養護7d和28d時,CBR值分別為12.2%和27.9%;養護溫度為50℃時,養護齡期為14d和28d試樣CBR值分別為16.6%和38.4%,養護溫度升高時CBR隨養護齡期的增幅更顯著,高溫更有利于固化劑與淤泥之間水化反應的進行,使得固化淤泥承載能力顯著提高。②養護齡期越長,CBR受溫度的影響越大。例如,當養護齡期為14d時,養護溫度為20℃和50℃試樣CBR值分別為15.7%和16.6%,略有增大;當養護齡期為28d時,養護溫度為10℃和50℃試樣CBR值分別為14.0%和38.4%,后者為前者的2.74倍。③根據JTG F10—2006《公路路基施工技術規范》,高速公路和一級公路路基填料CBR最小強度要求為8%,初始含水率為44%的配比Ⅰ試樣在各養護溫度下的CBR值均滿足要求。

表2 不同養護齡期和養護溫度下試樣的CBR

圖4為試樣UCS與CBR的關系,可以看出,二者有良好的線性正相關性。另外,未浸水試樣的CBR值較高,其數據點位于擬合曲線下方,表明水對固化淤泥的性質有較大影響。

2.3 三軸壓縮強度

固化淤泥固結不排水三軸壓縮試驗的代表性應力-應變曲線見圖5,可以看出:①3種含水率下,T=20℃時試樣為應變硬化型,偏應力隨軸向應變的增大而逐漸增大或趨于穩定;T=50℃時,試樣為應變軟化型,初始含水率越低,峰值應力越大,破壞應變越小。②養護溫度從20℃升高至50℃時,峰值應力大幅增加,破壞應變大幅降低,試樣從塑性破壞變為脆性破壞,低含水率試樣的變幅更大。例如,300kPa圍壓下,初始含水率為99%、T=20、50℃時試樣峰值應力分別為1468.6、2056.5kPa,破壞應變分別為12.3%和8.0%;初始含水率為44%、T=20、50℃時試樣峰值應力分別為2515.1、5415.3kPa,破壞應變分別為17.2%和3.2%,變化幅度大于高含水率試樣。

圖5 5300kPa圍壓下試樣應力-應變曲線

根據無側限和三軸壓縮試驗結果得到養護溫度為50℃和20℃時抗壓強度之比與圍壓的關系如圖6所示,可以看出,隨著圍壓的增加,抗壓強度之比有減小的趨勢,從無側限時的5.6～6.8減小至300kPa圍壓時的1.3～2.2。當含水率一定時,有圍壓條件下抗壓強度之比變化范圍不大,例如初始含水率為44%試樣在100～300kPa圍壓下抗壓強度之比在2.0～2.7之間;初始含水率為99%試樣的抗壓強度之比略低于44%和66%試樣,在100～300kPa圍壓下抗壓強度之比在1.3～1.5之間。

圖6 圍壓對養護溫度為50℃和20℃時抗壓強度之比的影響

試樣代表性破壞應力圓和強度包絡線見圖7,抗剪強度指標見圖8。其中,UCS對應的破壞應力圓也用于強度包絡線和抗剪強度指標的求取,所得強度指標為總應力指標。從圖7和圖8可以看出:①固化淤泥的強度包絡線可以用直線擬合,表明摩爾-庫侖強度理論適用于堿渣-礦渣-電石渣固化疏浚淤泥。②隨著初始含水率的增加,黏聚力c和內摩擦角φ均減小,其中黏聚力降幅更明顯,且養護溫度越高降幅越大。例如,當T=20℃時,初始含水率為44%、66%、99%試樣黏聚力分別為18.74、9.54、8.08kPa;當T=50℃時對應的黏聚力分別為92.22、79.85、30.68kPa,黏聚力隨初始含水率的增大顯著減低。T=20、50℃時內摩擦角分別在46.82°～52.72°和51.18°～63.02°之間,變化相對較小。③隨著養護溫度的升高,黏聚力和內摩擦角均增大,50℃時初始含水率為44%、66%、99%試樣的黏聚力分別為20℃時的4.9、8.4、3.8倍,50℃時內摩擦角分別為20℃時的1.2、1.2、1.1倍。④本文固化淤泥的內摩擦角與一些固化土接近,例如水玻璃-石灰-粉煤灰固化硫酸鹽漬土的內摩擦角在50°～53.5°范圍內[23];但與大多數固化土相比,本文固化淤泥的黏聚力較小、內摩擦角較大[24]。其原因在于本文摻量較大的堿渣在固化淤泥中起到減小含水率和調節粒度組成等作用,并和電石渣一起激發礦渣后,生成水化硅酸鈣、鈣礬石、水化氯鋁酸鈣等產物;而水泥固化土中多生成膠結力較強的水化硅酸鈣[25],在低圍壓下也有較高的強度,導致固化土的黏聚力較大、內摩擦角較小。

圖7 代表性破壞應力圓和強度包絡線

圖8 抗剪強度指標與初始含水率的關系

2.4 微觀作用機制

2.4.1礦物成分分析

部分試樣的XRD圖譜見圖9,與圖1所示原材料XRD圖譜對比可以發現,來源于原材料的石英、白云母、伊利石、鈣長石和碳酸鈣等礦物在固化淤泥中仍存在,而固化劑中二水硫酸鈣和氫氧化鈣等衍射峰消失,反映出這些礦物發生了反應生成新的礦物。堿渣中CaSO4·2H2O與礦渣中鋁酸三鈣、電石渣中氫氧化鈣等反應可生成鈣礬石(Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O)[6],該衍射峰隨初始含水率的增加有所增大,尤其是含水率從44%增至66%時增大較明顯,其原因在于初始含水率的增加有利于生成更多的鈣礬石,起到填充孔隙的作用。初始含水率一定時,50℃試樣中石英和白云母/伊利石衍射峰整體上低于20℃試樣,而50℃時水化硅酸鈣(CSH)衍射峰略高,表明在堿渣和電石渣提供的堿性環境和高養護溫度下,疏浚淤泥和堿渣中更多的活性SiO2與氫氧化鈣發生水化反應生成CSH,促進了高養護溫度條件下固化淤泥強度的大幅提高。20℃時氯化鈉衍射峰略高于50℃試樣,而50℃時試樣中水化氯鋁酸鈣(Ca4Al2O6Cl2·10H2O)衍射峰略強,表明養護溫度的升高有利于水化氯鋁酸鈣的生成,其來源于堿渣中的氯鹽氫氧化鈣等發生水化反應[4]。另外,固化淤泥中還檢測有水鈣沸石(CaAl2Si2O8·4H2O)衍射峰,其來源于活性SiO2和Al2O3與鈣的水化反應[24],在固化淤泥中也起到膠結作用。

圖9 固化淤泥的XRD圖譜

2.4.2SEM分析

代表性試樣的SEM照片見圖10。對于w0=44%試樣,當T=10、20℃時可在孔隙中和顆粒表面觀察到大量針棒狀鈣礬石,填充于孔隙中,此時顆粒較細小,放大5000倍時不易看到顆粒邊界;養護溫度從10℃增至20℃時針棒狀鈣礬石數量增多,顆粒之間由水化產物交織聯結形成網絡結構,有助于強度的提高。當T=35、50℃時,試樣中鈣礬石形態有所變化,多呈短棒狀,且可觀察到鈣礬石晶體有所減少,其可能原因在于鈣礬石的溶解度隨溫度的升高而加大[26];養護溫度升高時顆粒團聚現象逐漸增強,放大5000倍時可以看到一些顆粒的邊界,尤其是50℃時試樣中出現較大的團粒(粒徑約10～20μm),團粒的形成有助于固化土強度的提高[27]。另外,固化淤泥顆粒表面可以觀察到絮狀不定形CSH等物質。養護溫度變化時w0=99%試樣也有類似的變化規律,試樣中存在較多針棒狀鈣礬石,但結構較為疏松。

圖10 固化淤泥的SEM照片

以上分析表明,養護溫度的升高對于堿渣-礦渣-電石渣固化疏浚淤泥水化產物的增加具有明顯效果,使固化淤泥中細小顆粒變為團粒,增多的CSH和水化氯鋁酸鈣能有效聯結顆粒、填充孔隙,從而提高固化淤泥的UCS、CBR和抗剪強度指標。在溫度較高地區,應用堿渣、礦渣、電石渣固化的疏浚淤泥可表現出良好的強度性質,在實際工程中,可利用其高養護溫度下良好的強度性質對設計方案進行優化。

3 結 論

a.堿渣-礦渣-電石渣固化疏浚淤泥的UCS與養護溫度之間的關系可用指數函數擬合,當養護溫度從10℃升高至35℃時UCS有所提升,從35℃升高至50℃時UCS大幅提升。低含水率固化淤泥試樣受溫度的影響更大。50℃與20℃固化淤泥的UCS之比為2.4～6.8。養護溫度越高,固化淤泥的UCS隨養護齡期的增長越明顯。

b.7初始含水率為44%時固化淤泥的CBR隨養護齡期的增加而增大,養護溫度升高時CBR隨養護齡期的增幅更顯著,各養護溫度下試樣的CBR值滿足高速公路和一級公路路基填料CBR最小強度要求。

c.當養護溫度從20℃升高至50℃時,固化淤泥的應力-應變曲線由應變軟化型變為應變硬化型,抗剪強度指標增大,50℃與20℃時固化淤泥的黏聚力之比為3.8～8.4,內摩擦角之比為1.1～1.2。

d.固化淤泥中生成鈣礬石、水化氯鋁酸鈣、CSH、水鈣沸石等水化產物,在固化淤泥中起到填充孔隙、連接顆粒等作用;隨著養護溫度的升高,水化氯鋁酸鈣和CSH等水化產物增多,顆粒團聚現象更顯著,從而有效提升固化淤泥的強度。

e.在本文試驗條件下,高溫養護對堿渣-礦渣固化疏浚淤泥的強度提升具有良好效果。實際工程應用時可選擇在高溫氣候條件下進行施工養護、采取保溫措施,提高疏浚淤泥固化效果和節約固化成本。