GS固化劑加固海底淤泥耐久性及微觀機理

李光耀,張 振,葉觀寶,單衛良,舒 歡

(1.同濟大學 地下建筑與工程系, 上海 200092; 2.上海寶粉材料科技有限公司, 上海 200000;3.金茂蘇皖企業管理(天津)有限公司, 江蘇 南京 320100)

1 引 言

隨著我國海洋強國戰略的實施,在工程領域海底淤泥的處治越來越受到人們的關注。海底淤泥具有有機質含量高、含水率高、強度低、含鹽量高等特殊土性特性[1-2]。與此同時,海洋環境與陸域環境有很大差異,建(構)筑物長期暴露在含有污損生物介質和腐蝕化學介質的環境之中[3]。因此,海底淤泥固化土的耐久性問題是工程中普遍關注的問題。

水泥是最常用的土體固化劑[4-5]。然而大量研究與工程實踐表明,在特殊環境中,如干濕循環、硫酸鹽侵蝕等,水泥基復合材料在工程應用中常因耐久性問題導致強度降低甚至破壞[6-8]。李芳菲等[8]通過試驗發現水泥摻量較少時,干濕循環后固化淤泥的屈服應力和抗剪強度都出現下降的趨勢。Liu等[9]也得到了類似的結論。徐楊等[10]通過試驗指出,水泥加固淤泥應對干濕循環的耐久性較差。因此,研發新型固化劑解決海底淤泥固化土的耐久性問題,成為研究的熱點[11-12]。Phetchuay等[13]對一種基于土工聚合物的碳化鈣渣和粉煤灰的固化劑進行了試驗研究。Zainuddin等[14]和Al-Bared等[15]研究使用瓷磚材料來加固海底淤泥的工程性能。何俊等[16]對堿渣-鋼渣-電石渣固化淤泥面對干濕循環條件的耐久性進行了研究。

GS固化劑一種以工業廢渣為主要原料的新型固化劑,其中煉鋼產生的工業固廢占比達到70%以上。程占括等、Ye等研究了GS固化劑加固軟土的力學特性[17-18]。研究表明,在齡期、摻量均相同的情況下,GS固化土的無側限抗壓強度是水泥土的1.3～2.1倍,現場標準貫入擊數是水泥土的1.8～2.3倍。由于海底淤泥土性和海洋環境的特殊性,固化土的耐久性問題必須著重考慮。目前針對GS固化劑加固海底淤泥耐久性的研究鮮有報道,對于其微觀機理層面的分析更是匱乏。

本研究分別利用水泥及GS固化劑對海底淤泥進行加固,通過對兩種固化土的耐久性進行對比分析,開展相關研究。通過無側限抗壓強度試驗,分析了兩種固化土在干濕循環和硫酸鹽浸泡條件下的強度衰減規律。在此基礎上,開展背散射衍射(BES)試驗及X 射線衍射(XRD)分析,從微觀機理角度揭示了GS固化劑加固海底淤泥時的抗侵蝕耐久性原因。

2 試驗材料及方案

2.1 試驗材料

試驗用海底淤泥取自香港某地基處理工程,該淤泥含水量高,呈流塑狀,有機質含量高,硫酸鹽含量高于普通沿海軟土。經現場取土密封后,運輸至實驗室開展后續研究。表1給出了該海底淤泥的主要化學含量指標和基本物理參數。GS固化劑是一種以工業固體廢渣為主要原料的新型固化劑,通過混合一定比例的爐渣、鋼渣、粉煤灰、脫硫石膏和水泥及其他添加劑制成。表2 為利用X 射線熒光(XRF)測試檢測的GS固化劑化學成分。試驗采用P·O42.5水泥作為對比參照,表3給出了水泥及GS固化劑的主要性能指標。

表3 GS固化劑與水泥性能指標Table 3 Performance indices of GS agent and cement

2.2 試驗方案與試驗步驟

本次試驗固化劑摻量定為10%、15%和20%三種,水灰比取1.0,試樣標準養護齡期為56 d 和90 d。試驗所用試樣分別為長寬高均為50 mm 的立方體(用于無側限抗壓強度試驗)以及長寬高均為10 mm 的立方體(用于BES試驗)。將試驗所用的海底淤泥進行風干搗碎,分別與不同的固化劑混合,加水攪拌均勻后倒入立方體試模,并振動密實。抹平試模上部沿口,封膜24 h后拆模,養護至所需齡期。為便于說明,試驗組采用GS/CX 進行命名區分,其中GS表示利用GS固化劑進行加固,C 表示利用水泥進行加固,X 代表固化劑摻量。例如,GS20即為GS固化劑摻量20%的試驗組。

將尺寸為50 mm 的立方體試樣養護至指定齡期后,依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082-2009)[19]進行干濕循環和硫酸鹽溶液浸泡試驗。對照組將試樣在常溫下放入清水中全浸泡30 d以備后續實驗;干濕循環時,常溫下將試樣放入清水中浸泡24 h,再取出用干布擦干表面水分,靜置在凈玻璃板上晾干24 h,記作完成1次干濕循環過程,循環15次以備后續試驗;硫酸鹽溶液浸泡時,將試樣在常溫下放入5%的Na2SO4溶液中全浸泡30 d以備后續試驗。完成上述操作后,便可進行無側限抗壓試驗。試驗過程中均勻連續施加荷載直至試件破壞,加載頭采用應力控制,速度為0.15 kN/s。通過計算試樣的抗蝕系數分析固化土的耐蝕能力,即干濕循環或硫酸鹽溶液浸泡后試樣無側限抗壓強度與標準養護條件下無側限抗壓強度的比值。每組6個試樣,取算術平均值。

為研究不同固化劑固化土的耐蝕機理,將尺寸為10 mm 的立方體試樣標準養護至90 d,再用環氧樹脂固化樣品,打磨拋光后在高真空條件下進行不同固化劑摻量固化土的BES試驗。試驗采用QUANTA 200型掃描電子顯微鏡(SEM)搭載的背散射電子顯微鏡探頭進行。與此同時,對完成硫酸鹽浸泡試驗前后的GS固化土以及水泥土試樣(90 d),利用X射線衍射儀進行物相鑒定分析,得到XRD衍射數據圖譜。

3 試驗結果與分析

3.1 干濕循環

圖1是在標準養護及干濕循環條件下,不同固化劑摻量固化土的無側限抗壓強度及耐蝕系數。從圖可見,齡期為90 d的固化土在干濕循環后的變化規律與齡期56 d的類似。在相同的條件下,GS固化土的無側限抗壓強度是水泥土2.00～2.76倍,耐蝕系數約為水泥土的1.05～1.10倍。因此,GS固化土對干濕循環的加固效果和耐蝕能力要高于水泥土。隨著養護齡期的增長,兩種固化土的強度耐蝕系數隨之增大,這是由于水化反應產物隨齡期增長而增加,進而增強固化土顆粒骨架結構的穩定性,有效地提高固化土對干濕循環的抵抗能力。

圖1 干濕循環及標準養護條件下無側限抗壓強度及耐蝕系數 (a)56 d; (b)90 dFig.1 Unconfined compressive strength and corrosion resistance coefficients under dry-wet cycle and standard curing condition (a) 56 d; (b) 90 d

3.2 耐硫酸鹽浸泡

從圖2可見,兩種齡期的水泥固化土在硫酸鹽浸泡30 d后已完全崩解,無法完成無側限抗壓試驗;利用GS固化劑進行加固的試件仍比較完整,但產生了一些裂隙以及四周周邊有小塊脫落。圖3是在標準養護及硫酸鹽浸泡條件下,不同固化劑摻量固化土的無側限抗壓強度及耐蝕系數。整體可以看出,固化土強度受硫酸鹽溶液的影響明顯,GS固化土的耐硫酸鹽腐蝕性能遠好于水泥土,其耐蝕系數為18.6%～71.2%。隨著養護齡期的增長,GS 固化土的無側限抗壓強度耐蝕系數提高,即抗硫酸鹽腐蝕性能提升。

圖2 硫酸鹽浸泡30 d后的固化土腐蝕情況(標準養護56 d)Fig.2 Corrosion of stabilized soil after soaking in sulfate for 30 days (standard curing for 56 days)

圖3 硫酸鹽浸泡及標準養護條件下無側限抗壓強度及耐蝕系數 (a)56 d; (b)90 dFig.3 Unconfined compressive strength and corrosion resistance coefficient under sulfate immersion and standard curing conditions (a)56 d; (b)90 d

3.3 BES試驗

土體中加入固化劑后,發生水化反應生成凝膠狀的水化硅酸鈣(C-S-H)和Ca(OH)2等水化產物,這些水化產物使土體形成更穩定的結構[20]。對不同固化劑摻量固化土進行1 000倍的背散射電鏡圖像(圖4)觀察。根據物相的灰度值進行分相,依次分割出的物相為土中未水化顆粒、水化產物和孔隙相圖像,如圖5所示。從圖可見,不同固化劑固化土具有不同的灰度分布直方圖,即不同的灰度分布模式。GS固化土和水泥土灰度分布的主峰均為水化產物。GS固化土的水化產物含量明顯高與水泥土,孔隙含量相對較低。水泥土僅有一個灰度峰值,不同物相識別之間的灰度界限不清晰。與水泥土不同,GS固化土還有兩個不太明顯的較小未水化顆粒以及孔隙分布峰。

圖4 固化土BSE圖像 (a)GS10; (b)C10; (c)GS15; (d)C15; (e)GS20; (f)C20Fig.4 BSE image of solidified soil (a)GS10; (b)C10; (c)GS15; (d)C15; (e)GS20; (f)C20

圖5 固化土灰度直方圖Fig.5 Gray histogram of stabilized soil

表4為不同試樣孔隙橫截面的平均面積分數(平均孔隙率)以及平均孔徑, 由Image J軟件基于灰度值累計分布圖的溢出法[21]進行分析得到。由表可知,無論是GS固化劑還是水泥的摻量增加,孔隙率均會減小。這是因為摻量的增加使水化產物增加,水化產物包裹著土體顆粒并填充在土顆粒間,使土顆粒間的孔隙變小和孔隙率降低,水化產物與土體顆粒形成較強的結構聯結,強度也得到了大幅度提高。

表4 固化土的孔隙指標數值與水化產物比例Table 4 Pore index value and hydration product ratio of stabilized soil

3.4 XRD分析

圖6為標準養護90 d的固化土在硫酸鹽溶液中浸泡30 d前后的XRD圖譜。由圖6(a)、(b)可知,水泥土在經過硫酸鹽溶液浸泡之后,石膏和鈣礬石的含量顯著增加。這是由于硫酸根等腐蝕性離子滲入試件之后,與內部水化產物反應,生成了石膏和鈣礬石等一系列產物[22]。這些腐蝕產物具有一定膨脹性,容易引起固化土開裂,同時加劇侵蝕,最終導致試樣的破壞。

圖6 硫酸鹽浸泡前后固化土XRD衍射圖(a)水泥土標準養護; (b)水泥土硫酸鹽浸泡; (c)GS固化土標準養護; (d) GS固化土硫酸鹽浸泡Fig.6 XRD diffraction patterns of stabilized soil before and after sulfate immersion(a) cement stabilized soil under standard curing; (b) cement stabilized soil under sulfate attack; (c) GS stabilized soil under standard curing; (d) GS agent stabilized soil under sulfate attack

由圖6(c)、(d)可知,相比于水泥土,GS固化土經硫酸鹽溶液浸泡之后,石膏和鈣礬石的含量雖有所增加但不顯著。這是由于GS固化劑中的爐渣和鋼渣發生二次水化反應,消耗了Ca(OH)2,從而減少了石膏和鈣礬石的產生[23]。AL-Dakheeli等[24]同樣發現,含有爐渣的固化劑能夠降低固化土中石膏和鈣礬石的含量。

4 結 論

本實驗開展了GS固化劑加固海底淤泥耐久性及微觀機理研究,得到主要結論如下:

1.干濕循環和硫酸鹽腐蝕均會導致水泥土和GS固化土無側限抗壓強度的衰減,其中硫酸鹽溶液的影響明顯。干濕循環條件下GS固化土的耐蝕系數約為水泥土的1.05～1.10倍。硫酸鹽浸泡條件下水泥土發生崩解,GS固化土的耐蝕系數為18.6%～71.2%。提高固化劑摻量和增加標準養護時間,有助于提高固化土的耐久性。

2.固化劑固化海底淤泥的主要是通過水化反應,生成C-S-H 和Ca(OH)2等水化產物包裹和填充于土顆粒之間,從而導致固化土的強度得到顯著提高。在相同條件下,GS固化土的水化程度高,水化產物所占比例大,孔隙率小,平均孔徑更小,結構更穩定。

3.水泥土以及GS固化土中水化生成的產物基本相同。相比于水泥土,GS 固化土面對硫酸根等腐蝕性離子時,反應生成的石膏和鈣礬石更少,限制了固化土的開裂與破壞,表現出優于水泥固化土的耐蝕性。