飛灰強化水泥土在地基加固中的應用研究

滕 沖

(興義市水務局，貴州 興義 562400)

0 引言

軟土地基在施工過程中會引起許多嚴重的問題，如不均勻沉降、失穩和變形，從而危及生命安全[1]。利用水泥土攪拌樁進行地基加固是軟土地基處理的主要方法之一。水泥土采用硅酸鹽水泥作為粘結劑與軟土混合，在攪拌過程中，發生化學水化、凝固等反應，在地基中形成具有足夠強度的水泥土混合物，使原有的軟基得到明顯加固[2]。近年來，由于水泥土具有原土利用率高、成本相對較低、施工方便、加固靈活等優點，在世界范圍內得到推廣。

近年來，城市生活垃圾產生量不斷增加，2006—2020年，我國城市生活垃圾清運量從1.48億噸增長至2.35億噸[3]。城市生活垃圾焚燒既可以消除垃圾帶來的污染，又可以用來發電，通過焚燒處置生活垃圾日益成為無害化主流處置方式[4]。城市生活垃圾焚燒后的飛灰中有大量的重金屬元素。為了減輕垃圾焚燒飛灰對環境的污染，許多學者進行了深入的研究。例如在路面材料中加入垃圾焚燒飛灰可以提高土的彈性模量和膨脹性能，延長路面的疲勞壽命[5]。由于垃圾焚燒飛灰和水泥的化學成分相似，已被廣泛用作水泥熟料的部分替代品[6]。

為了穩定軟土，人們廣泛研究了利用各種材料如石灰、石膏、礦渣和粉煤灰作為水泥添加劑[7]。垃圾焚燒飛灰也直接用于軟土的穩定，因為它有效地提高了土的力學性能，特別是不排水抗剪強度、滲透性和壓縮指數[8]。但垃圾焚燒飛灰預處理后作為添加劑使用的報道較少，垃圾焚燒飛灰在軟土穩定中的作用和機制仍不清楚，有待進一步研究。

本研究中，采用乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA-2Na)、磷酸鈉(NaPO3)、硫化鈉(Na2S)和硫酸亞鐵(FeSO4)對垃圾焚燒飛灰進行了水洗后的浸出試驗。通過無側限抗壓強度和壓密不排水三軸壓縮試驗研究了水泥土的力學性能。旨在探討垃圾焚燒飛灰作為水泥土添加劑的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料

垃圾焚燒飛灰采集于垃圾填埋場。垃圾焚燒飛灰呈灰白色粉末狀，無團聚現象，密度為0.763g/cm3，含水率為0.41%。軟土來自鄭州市白沙鎮，密度為1.56g/cm3，含水率為62.35%，比重為2.69，液限為63.8%，塑限為33.6%。根據統一的土壤分類體系，土壤分類為沙質黏土。軟土的主要礦物成分為石英、伊利石和蒙脫石。

本文使用的水泥為P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，比重為3.12。采用的化學品有乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA-2Na)、磷酸鈉(NaPO3)、硫化鈉(Na2S)、硫酸亞鐵(FeSO4)、硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)。

1.2 垃圾焚燒飛灰的預處理方法

1.2.1水洗處理

為了制備洗滌后的垃圾焚燒飛灰樣品，將垃圾焚燒飛灰與蒸餾水以6∶1(L/kg)的液固比混合，并置于振蕩器中，以30r/min的速度振動30分鐘后用固液分離裝置進行固液分離。固液分離后，固體放入105°C的烘箱中烘干24小時，收集用于后續處理。

1.2.2化學處理

將洗凈的垃圾焚燒飛灰放入錐形燒瓶中，與去離子水和相應比例的化學物質混合，靜置6小時。反應完成后，在50°C下干燥垃圾焚燒飛灰，收集用于后續測試。

1.3 水泥土的制備

根據試驗要求的配比，將軟土、水泥、預處理的垃圾焚燒飛灰放入烘箱中烘干，混合均勻。水量由兩部分組成，一是軟土含水率，二是水灰比0.55，參考JGJ/T 233—2011《中國水泥土配合比設計規范》的推薦值(0.45～2.0)。將去離子水倒入混合物中，在水泥攪拌機中攪拌。將產生的混合料倒入模具。每次添加混合料時，將模具放在振動臺上2分鐘，充分排出氣泡。將模具放入養護箱中進行養護，養護溫度為25±2℃，濕度為90±2%，直到水泥土無明顯變形，并能在后續養護中保持良好完整性。將脫模后的水泥土再次放入養護箱中，在7天、14天和28天齡期進行測試。

1.4 試驗方法

1.4.1浸出試驗

浸出試驗按照HJ/T 299—2007《中國標準固體廢物浸出毒性硫酸硝酸法萃取規程》進行。使用了垃圾焚燒飛灰樣品(未處理、水洗處理和化學處理的)和破碎、研磨和篩分的水泥土樣品(28天)。將濃硫酸和濃硝酸按照2∶1的質量比例在水中混合，制備pH約為3的萃取液。以10∶1(L/kg)的液固比，將樣品與萃取液在錐形燒瓶中混合。塞上塞子后，在水平振蕩裝置上以30r/min的速度，25°的傾斜角振動24小時。隨后，用固液分離裝置將浸出液收集在離心管中，并利用電感耦合等離子體質譜法進行分析。

1.4.2無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗按照GB/T 50123—1999《中國土壤試驗方法標準》進行。采用TSZ-3A型應變控制式三軸儀。試驗在軸向線應變速率為1.0mm/min時進行，當軸向線應變達到峰值時結束，以2%的應變繼續進行試驗。水泥土的數據來自與該裝置相連的計算機。

1.4.3三軸試驗

本文采用的三軸試驗為壓密不排水三軸壓縮試驗。在本次試驗前，將養護至28天齡期的樣品固定在飽和器中并放入桶中。桶中裝滿去離子水，直到樣品完全浸透，然后密封并泵送。樣品在負壓飽和后，放入TSZ-3A型應變控制式三軸儀中，在要求的圍壓下固結，圍壓分別為100kPa、200kPa和300kPa。固結結束后，試樣在0.5mm/min的軸向線應變速率下承受剪應力，直至軸向線應變達到峰值，繼續以2%的應變進行固結。

2 結果和討論

2.1 垃圾焚燒飛灰的預處理

2.1.1水洗處理

水洗處理后的垃圾焚燒飛灰的浸出性見表1。垃圾焚燒飛灰水洗處理后，鉻的浸出濃度有所增加，其余的重金屬浸出濃度顯著降低。鉛的浸出濃度降低了72.9%，但仍超過限值。鉻的浸出濃度提高了25.8%，比較接近極限值。鉻的浸出濃度增長歸因于垃圾焚燒飛灰中含有不溶于水的鉻的化合物，水洗后垃圾焚燒飛灰樣品的總重量從30g下降到19.28g，共下降了35.7%，所以鉻在垃圾焚燒飛灰中的濃度相應增加。在水洗處理的垃圾焚燒飛灰中，除鉛和鉻以外，其余重金屬浸出濃度均遠低于限值。因此，將根據鉛和鉻的浸出濃度，對水洗處理后垃圾焚燒飛灰進行后續的化學處理。

表1 垃圾焚燒飛灰水洗處理前后浸出濃度對比

2.1.2化學處理

對化學藥劑(EDTA-2Na、NaPO3、Na2S和FeSO4)處理垃圾焚燒飛灰的重金屬(鉻和鉛)浸出濃度進行了比較評估。垃圾焚燒飛灰重金屬浸出濃度如圖1—2所示。

圖1 化學處理垃圾焚燒飛灰中鉻的浸出濃度

如圖1所示，鉻的浸出濃度隨著NaPO3用量的增加呈顯著上升趨勢，NaPO3用量為8%時，鉻的浸出濃度達到了26.98mg/L。與表1中水洗處理相比，鉻的浸出濃度提高了90.4%。隨著EDTA-2Na、Na2S和FeSO4用量的增加，鉻的浸出濃度總體呈下降趨勢。EDTA-2Na處理垃圾焚燒飛灰后鉻的浸出濃度仍高于水洗處理垃圾焚燒飛灰的浸出濃度，Na2S和FeSO4處理后鉻的浸出濃度低于限值。Na2S對鉻的固化影響顯著，與水洗處理相比，鉻的浸出濃度降低了78.1%～92.4%。FeSO4處理后，與水洗處理相比，鉻的浸出濃度降低了53.4%～79.7%。

如圖2所示，與水洗處理相比，四種化學藥劑均降低了鉛的浸出濃度。總體來看，鉛的浸出濃度隨著四種化學藥劑均含量的增加均有降低的趨勢。EDTA-2Na和Na2S固化后浸出濃度雖有一定下降，但仍不能滿足要求。而NaPO3和FeSO4對鉛的固化效果較好，鉛的浸出濃度分別降低了56.4%～60.6%和37.1%～79.9%，均低于限值。

圖2 化學處理垃圾焚燒飛灰中鉛的浸出濃度

根據四種化學藥劑的固化效果和標準要求，根據圖1—2中鉻和鉛的浸出濃度，選擇5%劑量的FeSO4作為水洗處理的垃圾焚燒飛灰的最佳化學處理方案，與水洗處理相比，化學處理后垃圾焚燒飛灰中鉻和鉛的浸出濃度分別降低62.8%和58.2%。

2.1.3化學成分

水泥和垃圾焚燒飛灰(未處理、水洗處理和化學處理)的化學成分見表2。垃圾焚燒飛灰(未處理、水洗處理和化學處理)的主要化學成分為CaO、Al2O3和SiO2，與水泥等具有火山灰性質的膠凝材料的主要化學成分相似。3種垃圾焚燒飛灰的燒失量(LOI)都很高，可能是由于未燃燒的碳顆粒中含有大量的碳質物質。水洗處理后，氯化物含量顯著降低，由11.76%降低至5.05%。

表2 水泥和垃圾焚燒飛灰(未處理、水洗處理和化學處理)的化學成分

2.2 在水泥土中的應用

2.2.1無側限抗壓強度

在實際工程中，水泥土的水泥摻量一般為7%～15%，因此本研究選擇水泥摻量分別為7%、11%和15%，預處理垃圾焚燒飛灰摻量為0%、4%和8%，制備了九組水泥土，測量了水泥土在7天、14天和28天齡期的無側限抗壓強度。

圖3—5分別表示了各組水泥土在7天、14天和28天齡期的無側限抗壓強度。從圖中可以看出，摻入預處理垃圾焚燒飛灰的水泥土的無側限抗壓強度隨齡期、水泥含量和預處理垃圾焚燒飛灰含量的增加而明顯增加。對于水泥含量為7%的樣品，摻入4%預處理垃圾焚燒飛灰后，其無側限抗壓強度與僅含11%的水泥樣品的無側限抗壓強度接近，但在水泥含量為11%的樣品中，摻入4%預處理垃圾焚燒飛灰沒有達到同樣的效果。但摻入8%預處理垃圾焚燒飛灰后，水泥含量為7%和水泥含量為11%的樣品的無側限抗壓強度得到了提高，分別達到了水泥含量為11%和水泥含量為15%的樣品的無側限抗壓強度。當添加4%預處理垃圾焚燒飛灰時，水泥含量為7%的樣品在不同齡期的無側限抗壓強度均提高了一倍以上，但水泥含量為11%和15%時，添加4%預處理垃圾焚燒飛灰對無側限抗壓強度的影響不明顯。除水泥摻量為15%的樣品外，當預處理垃圾焚燒飛灰摻量增加到8%時，水泥摻量為7%和11%的樣品的無側限抗壓強度均顯著增加。上述結果表明，在降低水泥含量的同時，加入預處理垃圾焚燒飛灰替代水泥可以保持水泥土的強度，水泥含量與預處理垃圾焚燒飛灰相近時，強度提升效果較為顯著[9]。

圖3 水泥土在7天齡期的無側限抗壓強度

圖4 水泥土在14天齡期的無側限抗壓強度

圖5 水泥土在28天齡期的無側限抗壓強度

2.2.2抗剪強度參數

選取養護28天的水泥土進行三軸試驗。圖6—7分別表示水泥土的粘聚力和內摩擦角隨著混凝土和飛灰摻量的變化規律。可以看出，摻入預處理垃圾焚燒飛灰后抗剪強度有所提高。水泥土的粘聚力和內摩擦角均隨著水泥含量和預處理垃圾焚燒飛灰含量的增加而增大。加入4%的預處理垃圾焚燒飛灰后，粘聚力和內摩擦角平均增加了35.8%和20.1%。加入8%的預處理垃圾焚燒飛灰后，粘聚力和內摩擦角平均增加了97.5%和52.1%。通過比較粘聚力和內摩擦角的增加比例，可以看出預處理垃圾焚燒飛灰的摻入更有效地提高了粘聚力，提高水泥土的力學性能。

圖6 水泥土在28天齡期的粘聚力

圖7 水泥土在28天齡期的內摩擦角

2.2.3浸出性能

從表3可以看出，摻入預處理垃圾焚燒飛灰的水泥土中鉻和鉛的浸出濃度遠低于預處理垃圾焚燒飛灰。隨著飛灰含量的增加，鉻浸出濃度增加，低于限值。水泥土中鉛的浸出濃度均小于0.0062mg/L，低于限值。

表3 鉻和鉛在摻入預處理垃圾焚燒飛灰的水泥土中的浸出濃度

3 結論

本文研究了垃圾焚燒飛灰在水洗處理和化學處理后作為水泥土添加劑的可行性。主要研究結果總結如下。

(1)垃圾焚燒飛灰水洗處理后，只有鉛的浸出濃度超過限值，鉻的浸出濃度接近限值。

(2)EDTA-2Na處理的水洗垃圾焚燒飛灰后，鉻和鉛的浸出濃度均高于限值。使用NaPO3處理鉻的浸出濃度高于限值。使用Na2S處理鉛的浸出濃度高于限值。只有FeSO4能同時有效固化鉻和鉛，達到標準要求。

(3)水泥土的無側限抗壓強度、粘聚力和內摩擦角均隨預處理垃圾焚燒飛灰含量、水泥含量和齡期的增加而增大。

(4)垃圾種類可能對焚燒后的飛灰成分有影響，因此，本文研究結果需要應用中進一步研究證實。