礦粉-粉煤灰-偏高嶺土復合基低碳地聚合物疏浚淤泥固化材料力學特性試驗研究

趙俊先，李軍偉，夏旭江，鄒永琦，江朝華*

（1.河海大學疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇 南京 210098；2.杭州宏睿建設有限公司，浙江 杭州 311231）

0 引言

我國疏浚土產量巨大，年產疏浚土4 億~10億m3。傳統疏浚土外拋傾倒處理方式帶來的回淤問題，導致拋灑距離逐漸增加，造成疏浚成本的不斷提高，并且由于疏浚土外拋傾倒于海洋嚴重危害了海洋生物生存環境，影響了海洋資源的有效利用開發，目前該處置方式已受到限制，亟待解決港池開挖、航道整治過程中產生的大量疏浚土經濟有效地處置與資源化利用問題。將疏浚土通過固化處理轉化為土工材料，不僅可以解決廢棄疏浚土對環境的危害問題，還可將處理后的固化土用于道路、堤防、填海工程的填土材料，產生新的土工再生資源，對推動綠色水運、促進生態保護將起到積極作用。

將疏浚淤泥固化處理為土工材料，主要采用傳統水泥作為固化劑，湯怡新等[1]認為水泥固化土的抗壓強度主要取決于水泥用量，其次是原料土的含水量。黃新等[2]發現當固化土中水泥含量較少時，固化土抗壓強度與水泥含量呈線性相關；進一步增加的水泥，水化后的生成物將填充固化土孔隙，此時固化土抗壓強度與固化土孔隙水泥水化物填充程度呈正指數相關。

但是傳統的水泥固化劑通常存在固化土強度偏低、抗硫酸鹽侵蝕差等問題，同時傳統水泥制造占全球碳排放的7%左右，為高能耗、高排放產品，與現有生態理念不符。新型地聚合物膠凝材料是硅鋁質工業廢渣在強堿激發下制得，原材料來源廣泛，如粉煤灰、礦粉、煤矸石火山灰及以煤為燃料的各種爐渣等，其制作過程不需高溫燒結和煅燒，生產過程中能耗少，是一種環境友好的綠色材料，同時地聚合物還具有早強、高強、抗侵蝕性優等特性。

目前國內外對于地聚合物處理軟土地基方面的研究較少，地聚合物處置廢棄疏浚淤泥的研究更少。祁冠豫等[3]以礦渣為原料，以堿渣和石灰為復合堿激發劑來固化土，研究表明礦渣基地聚合物固化土的強度明顯高于水泥固化土的強度。易耀林等[4]利用NaOH，Na2CO3，Na2SO4三種材料激發礦粉+電石渣固化土，發現Na2SO4效果最好，Na2CO3最差，并與傳統水泥固化對比后發現，不僅提高了軟土固化效果還降低了工程造價。此外，粉煤灰由于活性較低，很少單獨用作地聚合物固化材料，學者們通常會把粉煤灰和礦粉等膠凝材料復合從而起到固化作用。周棟梁等[5]對大摻量礦渣-粉煤灰復合水泥活性激發試驗研究，研究結果表明添加復合激發劑對工業廢渣進行活化激發能顯著地提高礦渣-粉煤灰水泥強度。孫秀麗等[6]將水玻璃作為堿激發劑，使用礦粉和粉煤灰固化淤泥，結果表明：水玻璃摻量7%、模數1.0~1.5 時對粉煤灰和礦粉的激發效果最優，當水玻璃模數相同時，礦粉摻量越大強度越高。

本文以硅酸鈉作為堿激發劑，礦粉、粉煤灰、偏高嶺土為復合膠凝材料制備低碳地聚合物固化疏浚淤泥，研究礦粉、粉煤灰、偏高嶺土適宜摻量對廢棄疏浚淤泥固化強度的影響，分析地聚合物固化土的壓縮特性，并和普通水泥固化劑對比，計算了地聚合物固化成本與碳排放量。研究結果可為廢棄疏浚淤泥的大規模綠色固化提供參考，緩解傳統水泥相關環境問題的同時，實現“以廢治廢”、“雙廢利用”，使資源能夠得到有效利用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗疏浚淤泥pH 值為7.67。將從現場取來的淤泥用烘箱80 ℃烘烤24 h，并將其粉碎，用1 mm 篩篩選，疏浚淤泥顆粒級配見圖1。

圖1 疏浚淤泥粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of dredged silt

由圖1 可知，疏浚淤泥顆粒主要集中于2~50 μm（0.002~0.05 mm）之間，此區間的顆粒達92%左右。疏浚淤泥的粒徑分布范圍窄，小于0.02 mm 顆粒含量為80%左右，0.02~0.05 mm 的塑性顆粒含量為20%左右，0.05~1.2 mm 的填充顆粒沒有，1.2~2 mm 的粗顆粒沒有，經計算Cu=4.27，其不均勻系數小、級配不良。試驗用水泥為普通硅酸鹽PO42.5。礦粉選取等級為S95，產地為石家莊靈壽縣，主要成分為SiO2與CaO、二者占比達82%，礦粉pH 值6.33；疏浚淤泥、礦粉、粉煤灰、偏高嶺土、水泥主要化學成分見表1；試驗所用堿激發劑為水玻璃，采用硅酸鈉SP50 和氫氧化鈉來配置模數為1 的水玻璃，購買的液體硅酸鈉模數為2.25，SiO2含量為29.99%，Na2O 含量為13.75%，氫氧化鈉來自上海久億化學試劑有限公司，為固體片狀，純度為99.8%。

表1 試驗材料化學成分含量Table 1 Chemical composition content of test material

疏浚淤泥礦物相對百分含量見表2。從表2中看到，疏浚淤泥中主要礦物為石英、長石、水云母、綠泥石、蛭石及蒙脫石等，其中石英、長石類原生礦物的特征峰最為明顯。土壤的活性主要來自疏浚礦物的活性，非疏浚礦物結構比較穩定，一般很難與其他物質發生化學反應。疏浚淤泥中小于2 μm 顆粒中的活性礦物高嶺石、蒙脫石及綠泥石的含量分別為17%、4%和26%，占小于2 μm 顆粒的47%，占總質量的12.7%，小于2 μm 顆粒中活性礦物和非活性礦物比例相當，小于2 μm 疏浚淤泥活性較好。

表2 疏浚淤泥礦物相對百分含量Table 2 Relative percentage content of minerals in dredged silt

1.2 試驗方法

用氫氧化鈉把購買的硅酸鈉調節成模數為1的硅酸鈉備用[7]。本試驗固定膠凝材料摻量為10%，疏浚淤泥含水率40%，硅酸鈉摻量為膠凝材料的20%，改變偏高嶺土、粉煤灰、礦粉的摻量，具體方案見表3。

表3 偏高嶺土、粉煤灰、礦粉摻量組Table 3 Dosage of metakaolin,fly ash,and mineral powder

將配好的硅酸鈉與不同編號的膠凝材料攪拌混合，再加入含水率為40%的疏浚淤泥，把它們放在水泥砂漿攪拌機中攪拌2 min，把粘結在攪拌機葉片上的摻料鏟除干凈，隨后繼續攪拌使混合物均勻。把攪拌土填充到PVC 模具的1/3 高度，PVC 模具為圓筒狀，直徑為50 mm、高為100 mm。把PVC 模具放到振動臺振動30 s，并且在振動過程中加入混合料，裝滿模具后再次振動2 min，將模具取下用保鮮膜覆蓋，放入養護箱進行標準養護。

1.3 檢測方法

依據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[8]，利用萬能試驗機進行無側限抗壓強度試驗。以1 mm/min 壓縮速度對試樣加壓，在加壓的過程中當試樣出現明顯破裂面時，記下此時的峰值軸向應力，將其作為無側限抗壓強度，若試樣沒有出現明顯破裂面，說明發生塑性破壞，此時取軸向應變15%處的應力作為無側限抗壓強度。得到的數據需要進行處理，用加載壓力值除以橫截面積作為應力值，用壓縮量除以試樣初始長度的結果作為應變值，用處理后的數據繪制固化土應力-應變曲線。無側限抗壓強度檢測見圖2。

圖2 試驗澆筑與無側限抗壓強度檢測Fig.2 Test pouring and unconfined compressive strength detection

2 結果與分析

2.1 無側限抗壓強度

地聚合物固化疏浚淤泥7 d、14 d、28 d 無側限抗壓強度與礦粉、粉煤灰、偏高嶺土摻量關系見圖3。從圖3 可以看出，3.5%礦粉+3.5%粉煤灰+3%偏高嶺土這一組的效果最好，7 d、14 d 和28 d 無側限抗壓強度比水泥固化分別提高244.1%，140.6%和126.4%。

從圖3 中可以看出，僅摻加10%粉煤灰試樣強度很低，不到摻10%水泥試樣的10%，在使用礦粉和偏高嶺土部分替代粉煤灰后，地聚合物固化疏浚淤泥的強度均有了提升。其中提升效果較明顯的是3%粉煤灰+7%偏高嶺土，7%粉煤灰+3%偏高嶺土和3.5%礦粉+3.5%粉煤灰+3%偏高嶺土這3 組試樣，較之單摻粉煤灰7 d 強度分別提高3 078%，3 223%，3 832%。加入偏高嶺土能提高固化土的抗壓強度，主要是因為偏高嶺土具有很高的火山灰活性，所含的活性Al2O3·SiO2能夠和Ca（OH）2反應，生成C-S-H 凝膠，改善了混凝土的孔隙結構，提高了混凝土的強度。這一結果與Yang 等[9]的研究結果相符，粉煤灰與偏高嶺土混合不僅促進了凝膠致密化過程，而且改善了地聚合物的孔隙結構，從而提高了試樣的抗壓強度。礦粉的加入進一步提高了固化土的無側限抗壓強度，相比于3%粉煤灰+7%偏高嶺土，7%粉煤灰+3%偏高嶺土這2 組，3.5%礦粉+3.5%粉煤灰+3%偏高嶺土這組的抗壓強度在各個齡期均有15%~25%的提升。礦粉加入后，地聚合物從Na-Si-Al-H四元體系變為Ca-Na-Si-Al-H 五元體系，早期產物中出現的水化硅（鋁）酸鈣（C-（A）-S-H）凝膠具有較高的強度。而鈣元素的加入也能促進地質聚合反應，因此地聚合物的凝結時間顯著縮短。Wang 等[10]使用礦粉代替部分偏高嶺土，并測定了各種地聚合物膠凝材料的抗壓和抗彎強度。結果表明，礦粉的加入顯著影響了地聚合物的力學性能、微觀結構和反應熱。當礦粉替代部分偏高嶺土時，相比較純偏高嶺土體系，28 d 抗壓強度和抗彎強度提高了24.1%和40%。

2.2 應力應變曲線

固化淤泥的應力應變曲線見圖4。由圖4 可知，7%礦粉+3%粉煤灰，3.5%礦粉+3.5%粉煤灰+3%偏高嶺土，3.5%礦粉+3%粉煤灰+3.5%偏高嶺土這3 組試樣有明顯的破壞應力峰，且破壞應變分布在2%~4%之間，說明礦粉和偏高嶺土的加入改善了固化土的力學性能。當礦粉和偏高嶺土一起加入時效果更加明顯，主要是因為礦粉和偏高嶺土加入后提高了地聚合物的密實性，反應產物結果致密程度提高，在被激發劑激發后，發生聚合反應生成大量凝膠體并固化，提高了土骨架的承載力，土體破壞形式由塑性破壞（無應力峰）轉化為彈性破壞（明顯應力峰）；而水泥組沒有明顯應力峰，為塑性破壞。可能原因是水泥固化土中水泥摻量不足，沒有足夠的水化反應產物以形成土骨架支撐結構。

圖4 應力應變曲線Fig.4 Stress-strain curve

2.3 固化疏浚淤泥彈性模量

固化淤泥的剛度特性也是衡量固化疏浚淤泥效果的重要參數，通常以割線彈性模量E50來體現，即無側限抗壓強度試驗得到的應力-應變曲線上qu/2 處對應的切線模量。疏浚淤泥固化14 d 時的彈性模量見圖5。

圖5 疏浚淤泥固化14 d 彈性模量Fig.5 Elastic modulus of dredged silt solidified for 14 days

由圖5 可知偏高嶺土和礦粉對粉煤灰進行部分替代后均能提高固化土的彈性模量。火山灰反應或水化反應生成硅酸鈣和鋁酸鈣凝膠體等產物，黏結土顆粒而形成網絡狀骨架結構，導致淤泥固化土的整體結構性增強。在兩者同時加入時摻量的不同會對固化土的彈性模量有較大的影響。3.5%礦粉+3.5%粉煤灰+3%偏高嶺土摻量的固化土彈性模量提升最為明顯。

2.4 固化土的彈性模量E50 與抗壓強度關系

彈性模量E50是反映變形特性的重要指標。

式中：σ1/2是壓縮應變為破壞應變εf的一半時對應的應力。固化淤泥彈性模量與抗壓強度的關系見圖6。

圖6 固化土彈性模量與抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between elastic modulus and compressive strength of solidified soil

由圖6 可以看出地聚合物固化淤泥的彈性模量E50與無側限抗壓強度有著線性的關系，E50隨著無側限抗壓強度近似線性增大，擬合直線的表達式為E50=71.8qu，湯怡新等[1]的研究中水泥固化土的彈性模量E50與無側限抗壓強度qu也呈現線性關系，這與本文的結果相符。

2.5 經濟分析與碳排放計量分析

各組地聚合物膠凝材料固化1 m3疏浚淤泥的成本與碳排放量見表4。從表中可以看出單獨使用水泥或者粉煤灰固化淤泥雖然便宜，但固化淤泥的強度和其他組別相比低很多。各組膠凝材料固化淤泥的成本相差并不是很大，有的組別成本還低于水泥成本。粉煤灰、偏高嶺土等材料可以當地獲取，水泥需承擔運輸成本，使用礦粉、粉煤灰、偏高嶺土復合基固化能在保證固化土強度的同時，還有較好的經濟性。部分地聚合物固化價格提高的原因是加入的氫氧化鈉與硅酸鈉價格偏高，但是在復合以后可以擴大膠凝材料的使用種類，本次試驗利用了之前不常用到的粉煤灰固化疏浚淤泥，有效提高工業固廢體的使用量。此次試驗使用的工業級硅酸鈉價格偏貴，從降低成本方面考慮，可以使用磷石膏、草木灰等工業廢渣來代替水玻璃作堿激發劑。

表4 各組膠凝材料固化1 m3 疏浚淤泥的成本與碳排放量Table 4 Cost and carbon emissions of each group of cementitious materials to solidify 1 m3 of dredged silt

碳排放計算一般考慮2 種情況：建材在生產階段所產生的碳排放和建材在運輸階段所產生的碳排放。地聚合物固化淤泥的碳排放量主要來自疏浚淤泥的運輸，而使用水泥固化疏浚淤泥的碳排放量很大一部分來自水泥的生產。從表中可以看出地聚合物固化淤泥每立方米的碳排放量是水泥固化的15%，使用地聚合物固化淤泥有效提高工業固廢體的使用量，同時處置并有效利用廢棄疏浚淤泥。避免廢棄疏浚物的外拋和堆置，減少土地占用，降低成本，節約土資源，減緩航道整治工程對環境的影響，具有良好的經濟、社會和環境效益。

3 結語

1） 相比于傳統水泥固化，使用礦粉-粉煤灰-偏高嶺土復合基地聚合物固化淤泥能得到抗壓強度更高，韌性更好的固化土。7 d 無側限抗壓強度相比同摻量10%水泥提高244%，土體的破壞形式由塑性破壞轉變為彈性破壞。

2） 礦粉、偏高嶺土的加入能彌補粉煤灰活性不足的缺陷。3.5%礦粉+3.5%粉煤灰+3%偏高嶺土摻量的固化土在抗壓強度和彈性模量方面的表現均優于雙摻固化淤泥，抗壓強度相比雙摻固化淤泥提高15%~27%，彈性模量相比雙摻固化淤泥最高提高9 倍，淤泥固化土的整體結構性得到增強。

3） 水泥固化與地聚合物固化的成本相差不多，使用礦粉、粉煤灰、偏高嶺土復合基固化能在保證固化土強度的同時，還有較好的經濟性，復合以后可以擴大膠凝材料的使用種類，后續還可以使用磷石膏、草木灰等工業廢渣做堿激發劑進一步降低成本。同時地聚合物作為環保材料，固化淤泥每立方米的碳排放量是水泥固化的15%，緩解了傳統固化對環境的影響，研究可為疏浚廢棄物的資源化利用提供有效途徑。