粉煤灰和礦渣含量對河道疏浚淤泥固化特性影響研究

金軍華

(江蘇高盛建設工程有限公司,南京 210015)

1 概 述

河道的建設和維護往往會產生大量的疏浚淤泥,而淤泥的存放和處理都會造成嚴重的環境污染。為了避免環境污染,必須對疏浚淤泥進行有效處理。為此,許多學者進行了相關研究。王礦山等[1]對湖底淤泥固化土的環境耐久性進行了研究,結果表明,水泥固化淤泥受硫酸鹽侵蝕后,鈣礬石會呈現簇狀發展而產生膨脹開裂,導致強度下降。季林等[2]對永嘉三江淤泥固化土強度發展與微觀進行了研究,結果表明,固化土孔隙率與含水率成正比關系。姜赟等[3]對脫硫灰-水泥固化淤泥強度特性與固化-抽濾聯合加固應用進行了研究,結果表明,脫硫灰的加入會使土的液限和塑性指數顯著下降。傅英坤[4]對鋼渣協同橡膠固化濱海港口淤泥的動力學特性進行了研究,結果表明,隨著鋼渣摻量的增加,試樣的阻尼比逐漸降低,抗震性能逐漸減弱。吳亞玉[5]對河道淤泥固化土干濕耐久性試驗進行了分析,結果表明,通過摻加固化劑改造淤泥固化土,可有效提升其工程性能。祝珺等[6]對黃河淤泥固化改性材料力學性能與微觀結構試驗進行了研究,結果表明,試件抗壓強度隨著改性劑摻量和養護齡期的增加而增大。

本文參考以上學者的研究成果,通過河道淤泥的固化試驗,分析粉煤灰和礦渣含量對疏浚淤泥固化特性的影響,確定最優效果時的固化劑成分比例。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

研究使用的河道疏浚淤泥取自某城市內河河道,污泥從河岸邊移除0.3m表層土后,從1.8m深處挖掘。

淤泥樣品被包裝在聚乙烯袋中,以避免在運輸過程中以及在測量河流污泥的天然含水量之前出現水分損失。根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019),在實驗室對河道淤泥的基本物理性質進行測試,研究使用的疏浚淤泥詳細特性見表1。由表1可知,河流淤泥的含水量為89.2%,表明其柔軟且抗剪強度低;由于72%以上的顆粒小于0.01mm,河流淤泥主要由細粒黏土組成。

表1 河道淤泥樣品的性能指標

在本次研究中,水泥是主要的固化劑,而粉煤灰和礦渣是輔助固化劑。選取的粉煤灰為F類粉煤灰,選取的礦渣為s95級高爐礦渣。

2.2 試驗方法

為了比較不同配比的復合固化劑對污泥的影響,本文對9個試驗樣品進行優化組合。固化劑的具體比例見表2。在試驗過程中,為了解水泥體系中的固化效果和機理,對各組的固化效果進行分析和比較。A1-A5試驗組比較了粉煤灰含量對凝固的影響,而A6-A9試驗組比較了礦渣含量對凝固的影響。

表2 不同固化方案和混合物質量配合比

首先使用攪拌器將污泥均勻攪拌約10min,再將固化劑倒入污泥中并充分混合15min,然后再次攪拌均勻,最后倒入內壁涂有凡士林的模具內,在自然條件下固化。將固化后的污泥混合物分3層裝入模具內,然后放在振動臺上,每層振動6～12min,以便污泥排出氣泡。振動結束后,用保鮮膜將污泥密封24h,之后將其從模具中取出,放入溫度20±2℃、濕度大于95%的養護箱中,進行標準養護。養護結束后,在105℃溫度下的烘箱中,通過對固化污泥樣品進行24h加熱來測量水含量。同時,為了比較粉煤灰和礦渣復合固化劑對固化污泥性能的影響,采用電動四聯直剪儀進行直剪試驗。

試驗在養護期第1、第6、第9、第18和第28天測量含水量,養護效果可通過觀察水分含量的變化來分析。

根據污泥試驗規則,采用環刀試樣進行抗剪強度試驗。將4個試件安裝在直剪機上,在60、120、240和420kPa的法向應力下,對試件進行剪切,剪切位移8mm,并在第9、第18和第28天測量剪切強度參數。

使用掃描電子顯微鏡(SEM),檢查固化前后污泥表面的物理和化學性質,以確定固化反應的增強效果,并在固化后28天進行液體塑性極限和顆粒尺寸分析。

3 計算結果與分析

3.1 粒度分析

固化28天后固化污泥的粒度分布見圖1。固化污泥和未固化污泥(US)的粒度分布曲線存在明顯差異。由圖1可知,加入粉煤灰和礦渣后,A1-A9試驗組的固化污泥顆粒均比未固化污泥顆粒大。由于固化劑導致污泥顆粒團聚,在固化劑的膠結作用下,污泥顆粒凝結成大顆粒,而水合作用產生的水合硅酸鈣膠體,附著在污泥顆粒表面或使其重疊,從而增大顆粒尺寸,使污泥顆粒凝結成大顆粒,從而增大顆粒尺寸。

圖1 固化污泥的顆粒分布

由圖1(a)可知,未固化污泥中12.86%的顆粒大于0.02mm;隨著固化后粉煤灰含量的增加,A1-A5中大于0.02mm的顆粒量分別增加至15.76%、19.01%、19.74%、22.33%和23.94%,與未固化污泥相比增加了2.90%、6.15%、6.88%、9.47%和11.08%。由圖1(b)可知,A6-A9試驗組的礦渣含量增加,大于0.02mm的污泥顆粒百分比分別增加至15.56%、24.39%、28.62%和31.54%,與未固化污泥相比增加2.71%、11.54%、15.74%和18.68%。由此可知,固化劑含量增加,會增加固化污泥顆粒的尺寸,污泥顆粒越小,污泥的比表面積就越大。因此,固化劑的加入改變了顆粒度級配,提高了固化污泥的承載能力。

3.2 界限含水量分析

未固化污泥(US)和使用不同比例固化劑固化28天污泥的液限、塑限和塑性指數測試結果見圖2。

圖2 不同養護組中阿太堡界限的變化

由圖2可知,固化污泥的阿太堡界限發生了顯著變化。A1-A5和A6-A9試驗組的液限和塑限隨著粉煤灰和礦渣含量的增加而增加,但塑性指數隨著粉煤灰和礦渣含量的增加而降低。而固化污泥阿太堡界限的變化是由于固化過程中產生了火山灰反應和絮凝產物,污泥顆粒和水化產物的重疊形成了穩定的空間框架。由于液限和塑限的增加,水合硅酸鈣凝膠在固化污泥系統中隨之增加,且具有高度分散性和較強的吸水能力。而塑性指數反映了污泥中黏土含量的變化,由于固化污泥塑性指數的下降,表明固化劑的膠結作用增加了固化污泥的粒徑,降低了黏粒含量。

3.3 含水量分析

根據水分子對污泥基質的結合力,固化污泥中的水可分為結晶水和孔隙水。在固化過程中,污泥中的游離水通過加入固化劑的水合反應轉化為結合水和結晶水。同時,由于混合過程中水合反應的放熱,部分水會蒸發,而含水量是孔隙水含量,由于部分水被吸收并轉化為水合硅酸鈣(CSH)和水合鋁硅酸鈣(CASH),而水合物里的水不能通過常規的105℃干燥去除,但結合水的增加可以通過孔隙水的減少減去水分的蒸發來獲得。

固化污泥在不同固化齡期下的含水量變化見圖3。加入固化劑后,隨著固化時間的增加,固化污泥的含水量顯著下降,表明結晶水含量逐漸增加。由此可知,隨著固化時間的延長,固化污泥中會形成更多的鈣礬石。由圖3可知,從養護第1至第9天起,試驗組A3和A8的含水量分別從77.96%和76.51%下降至58.67%和57.03%,下降率分別為19.29%和19.48%。養護第7至第28天后,含水量分別從58.67%和57.03%下降至49.82%和47.76%,下降率分別為8.85%和9.27%。研究顯示,在養護的早期階段,含水量下降相對較快,表明固化反應主要發生在固化過程的早期階段。

圖3 不同養護齡期固化水泥含水量變化

由圖3可知,在粉煤灰含量為2.5%～10.5%(A1-A5)時,5個固化組固化污泥在相應固化時間內的含水量先快速降低,然后降低速度減慢,其中A3的含水量最低。在礦渣含量從0%～2.4%(A6-A9)時,4個固化組在相應固化時間內,固化污泥的含水量先快速降低,然后降低速度減慢,其中A8試驗組的含水量最低。水含量的降低表明,在A3和A8試驗組中,大量水參與了火山灰和水化反應。通過比較粉煤灰含量組和礦渣含量組的含水量可知,A8試驗組的含水量最低,即火山灰和水化反應程度在A8固化組中最高。

3.4 直接剪切試驗

A3試驗組在240kPa垂直應力下,不同養護齡期的剪切應力-應變見圖4。由圖4可知,當剪切位移保持不變時,A3試驗組的剪切應力隨著固化齡期的增加而增加。

圖4 A3組不同固化時間應力-應變變

A1-A9試驗組在240kPa垂直應力下,養護齡期為18天的剪切應力-應變見圖5。由圖5可知,固化污泥的剪切應力隨著剪切位移的不斷積累而逐漸增大,最終達到峰值強度,然后再趨于穩定。相較于其它樣品峰值剪切應力,A8試驗組的峰值剪切應力最大。

圖5 不同固化劑含量的應力-應變變化

固化污泥的抗剪強度指標見圖6。由圖6可知,在養護齡期為9、18和28天時,內聚力迅速增加,內摩擦角呈現出相同增加趨勢。由此可知,在水化和火山灰反應條件下,固化污泥顆粒的黏聚力和內摩擦角隨著固化時間的增加而增加。

圖6 不同養護時間對內聚力及內摩擦角的影響

試驗結果表明,復合固化劑對提高污泥抗剪強度有顯著效果。粉煤灰和礦渣被作為火山灰材料,在固結過程中產生大量膠結,是提高污泥強度的主要驅動因素。同時,粉煤灰中含有不同粒度分布的細小顆粒,該顆粒質地非常細密,在污泥中起到填充和致密作用。隨著礦渣含量的增加,污泥顆粒之間的內聚力增加,吸水率降低,水膜厚度減小。

由圖6可知,在養護齡期為28天時,隨著粉煤灰含量的增加,A1-A5試驗組的抗剪強度先增加后降低。A3試驗組具有最高的剪切強度,而A1、A2和A3試驗組的內聚力分別為47.59、53.41和57.36kPa,內摩擦角分別為30.78°、34.64°和40.22°。

與A3試驗組相比,A4-A5試驗組的剪切強度有不同程度下降,A4和A5試驗組的內聚力分別為56.58、53.48kPa,內摩擦角分別為38.54°和33.21°。這種差異表明,添加超過6.5%的粉煤灰,會削弱固化污泥。過量的粉煤灰增加了固化污泥的脆性,降低了破壞應變,提高了固化污泥的抗剪強度。但粉煤灰含量過多,會導致細污泥結塊,并引入阻止水化反應的成分,限制顆粒和膨脹填充空隙的膠結效果,降低固化污泥的強度。

與A3試驗組結果相類似,A6-A8試驗組的剪切強度隨著礦渣含量的增加而增加,該組樣品的內聚力分別為49.67、57.92和60.69kPa,內摩擦角分別為37.63°、40.37°和40.89°。A9試驗組的內聚力和內摩擦角分別為57.68kPa和38.16°,相較于A8試驗組有輕微下降。由此可知,一定范圍內增加礦渣含量可以大大提高固化污泥的強度,但過量礦渣會影響水化產物的界面完整性。

通過分析A3和A8試驗組的固化效果可知,A8試驗組固化效果最優。因此,6.5%的粉煤灰和1.8%的礦渣固化劑最適合提高污泥的抗剪強度。

4 結 論

本文通過河道淤泥的固化試驗,對疏浚淤泥固化特性進行了研究,結論如下:

1)固化劑含量增加,會增加固化污顆粒泥的尺寸;液限和塑限隨著粉煤灰和礦渣含量的增加而增加;水合硅酸鈣凝膠在固化污泥系統中,隨著液限和塑限的增加而增加。

2)隨著粉煤灰和礦渣含量的增加,固化污泥的黏聚力和內摩擦角均呈先增大再減小;通過分析各試驗組的固化效果,確認采用6.5%的粉煤灰和1.8%的礦渣固化劑,對提高污泥的抗剪強度效果最優。

3)污泥固化效果與污泥類型等有關,研究結論在應用時,需要結合項目情況進行綜合評估,以保證河道污泥固化效果。