鋼渣/粉煤灰為骨架的混凝土阻隔墻研究

張 建，陳鈺頔，李小芳，何雨航，谷 牧

(重慶市二零八地質環境研究院有限公司，重慶 400799)

阻隔技術是通過阻隔層阻斷渣體介質中污染物遷移擴散的途徑，使污染介質與周圍環境隔離，避免污染物與人體接觸和降水或地下水遷移進而對人體和周圍環境造成危害的技術[1-3]。常用的阻隔墻材料包括土基、水泥基阻截材料，化學阻截材料和土工膜材料等[4-6]。研究表明[7-14]由水泥、膨潤土、粉煤灰等材料復合組成的阻隔墻能夠有效控制地下水中污染物擴散。向甲甲[9]研究了水泥土阻隔墻的滲透性、穩定性及吸附性能，結果表明：水泥土阻隔墻的滲透性隨著水泥摻量而增加而降低，穩定性與水泥摻量成正比，對Cu2+、Zn2+有較好的吸附性能，工程應用驗證了水泥土阻隔墻對地下水石油烴污染物的防控效果；黃琴琴等[6]研究了粉煤灰-膨潤土阻隔墻材料對地下水鎘污染的控制效果，結果表明膨潤土∶粉煤灰=1∶5時，阻隔墻滲透系數滿足要求，Cd2+的穿透濃度較低；龔銳等[15]研究了改性土-膨潤土阻隔墻材料對地下水中氨氮的阻隔，結果表明硅灰∶土=1∶10，改性阻隔材料的阻隔墻防滲性能最好。

重慶某場地有大量鋼渣、粉煤灰填埋，為預防地下水進入鋼渣、粉煤灰溶慮出污染物，擬采用阻隔技術，對填埋區域采用高壓噴射灌漿形成垂直混凝土阻隔墻。混凝土主要由膠凝材料、骨料與水拌合而成。鋼渣具有硬度大、耐磨度大及強度高等特點[16-17]，而粉煤灰中含有大量玻璃體SiO2、Al2O3以及游離CaO，它們都是其活性組分，起到膠凝硬化作用，能夠提高混凝土的早期強度，對活性起到很大的促進效果[18-19]。將鋼渣、粉煤灰摻入制備混凝土時，其作用相當于天然骨料，不僅能夠使水泥漿接觸界面的黏結性能大大提高，而且鋼渣、粉煤灰等的主要化學組分為硅酸鹽礦物，可以在堿性條件下發生水化作用，生成水化硅酸鈣凝膠等水化產物[20-22]，具有類似水泥的結構和特性，可以將集料和水泥漿的黏結性能進一步增強，形成具有一定強度和抗滲的阻隔混凝土材料[20]。

因此，本研究將鋼渣/粉煤灰替代骨料與水泥漿液混合，形成混泥土防滲墻體，實現鋼渣、粉煤灰與外界環境的隔離。通過對混凝土阻隔墻試件不同配合比的浸出濃度、滲透系數、抗壓強度等性能指標進行綜合判斷，在滿足風險管控的基礎上，篩選出各混凝土試件的最佳摻量，獲得最優的阻隔水泥漿液配比，為后續中試和大規模工程應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和儀器

試驗材料：中沙、FMA-H抗抗滲耐蝕劑、水、P.O.32.5水泥、鋼渣、灰渣，鋼渣、灰渣采自重慶填埋場地，成分見表1。

表1 鋼渣、灰渣和水泥的化學成分Table 1 Chemical composition of steel slag，ash slag and cement (%)

1.2 材料的制備

首先將鋼渣/粉煤灰、水泥、砂、抗滲劑人工混合均勻，在攪拌機中混合5 min后，逐步加入水進行混合，再攪拌5 min；然后將混合均勻的物料倒入涂刷隔離劑的模具中，抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm正方體，抗滲試件尺寸為185 mm×175 mm×150 mm圓柱體，成型后放入振動臺振動10 min后；最后將試件放入空調房進行28 d的養護，到試件齡期時將水泥試件從養護房中取出，分別測定各組試件的抗壓強度、浸出濃度和滲透系數。

將鋼渣/灰渣替代骨料制作混凝土尚處于研究階段，沒有明確的配合比可供直接使用，故本研究選取常用的混凝土強度等級C30。依據普通混凝土配合比作為基準，其初步配合比為水泥∶砂∶骨料∶水∶抗滲劑=1∶1.08∶2.63∶0.37∶0.03。鋼渣和灰渣在地下單位面積為固定量，本次試驗將鋼渣/灰渣替代量定為10 kg，G2-G6/F2-F6試件在基準配合比的基礎上，水泥、砂、水分別增加10%～50%(見表2)，此外試件S1使用常規骨料(石粉)配置一組混凝土作為基準樣品。

表2 鋼渣/粉煤灰-水泥配合比

1.3 阻隔墻浸出實驗

在場地內采集了鋼渣/粉煤灰進行毒性浸出檢驗，采用《固體廢物浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》(HJ 557-2010)，固液比為1∶10，檢出因子如表3所示。本次試驗將水泥漿液與鋼渣/粉煤灰混合固化形成防滲阻隔體，隔離地下水與廢渣的水力聯系，控制和減輕地下水污染，故通過檢測固體混凝土試件中相關因子的浸出濃度，驗證防滲阻隔體的抗滲能力。

表3 鋼渣/粉煤灰浸出因子Table 3 Extraction factors of steel slag/fly ash

1.4 阻隔墻抗壓強度實驗

將鋼渣/粉煤灰混凝土阻隔墻試樣養護至相應齡期，采用抗壓試驗機測量混凝土抗壓強度，用式(1)計算阻隔墻的單軸抗壓強度：

(1)

式中：σc為阻隔墻單軸抗壓強度，MPa；p為破壞荷載，N；A為垂直于加荷方向阻隔墻面積，mm2。

1.5 阻隔墻滲透系數實驗

使用變水頭滲透儀測定每組不同配比的滲透系數。在滲透儀環刀內壁上均勻的涂抹凡士林試劑，將裝有試樣的環刀放入滲透容器，在滲透系統的水源箱中加入蒸 餾水，待出水管處均勻出水時，按照式(2)計算滲透系數：

(2)

式中：K為滲透系數，cm·s-1；a為管面積，cm2；L為環刀厚度，cm；A為環刀面積，cm2；t2為滲透結束時間，s；t1為滲透開始時間，s；h2為滲透開始水頭讀數，cm；h1為滲透結束水頭讀數，cm。

2 結果與討論

2.1 阻隔墻的浸出濃度

表4 試件浸出濃度Table 4 Leaching concentration of test pieces

續表4

對鋼渣/粉煤灰作為骨料的混凝土阻隔墻試件進行了浸出實驗，實驗結果如表4所示。以鋼渣為混凝土的阻隔墻試件在浸出實驗中，試件浸出監測因子為氟化物、銅、鋅、砷、鉻和硒，其余鋼渣浸出因子未檢出；以粉煤灰為混凝土的阻隔墻試件在浸出實驗中，試件浸出監測因子為氟化物、砷和硒，其余粉煤灰浸出因子未檢出，且所有試件浸出檢測因子濃度均遠低于《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)Ⅳ類水體，可見鋼渣/灰渣替代骨料制作的防滲體能有效阻隔廢渣對地下水的影響。

2.2 阻隔墻的抗壓強度

根據單軸抗壓實驗結果(表5)，以鋼渣為骨料的混凝土阻隔墻試件中，最小抗壓強度為2.8 MPa，最大抗壓強度為16.6 MPa；以粉煤灰為骨料的混凝土阻隔墻試件中，最小抗壓強度為11.1 MPa，最大抗壓強度為17.0 MPa，均能達到混凝土阻隔墻材料的強度(103.4kPa)。以鋼渣/粉煤灰為骨料的混凝土阻隔墻的抗壓強度隨著水泥的增加而增加，其中試件G1S水灰比較大，導致其強度較小僅有2.8 MPa，阻隔墻試件抗壓強度均能滿足阻隔墻材料的強度要求(103.4 kPa)[23]。

表5 試件抗壓強度Table 5 Compressive strength of specimens

2.3 阻隔墻的滲透性

不同配比的阻隔墻滲透系數測量結果如表6所示。隨著水泥、砂、水含量的增加，阻隔墻試件的滲透系數變大，隨著其他原料的增加，混凝土基準配合比發生變化，同時試件的孔隙率增大，導致了滲透系數的增加。在水泥、砂、水含量相同的情況下，粉煤灰作為骨料的水泥混凝土阻隔墻滲透系數更低，這是因為粉煤灰的骨架比鋼渣小，體系的孔隙率也會隨之減小，滲透系數降低。僅G1、F1、G1S和S1阻隔墻試件滲透系數均能達到土壤-混凝土-膨潤土泥漿墻的滲透系數要求(1×10-8m/s)。

表6 試件滲透系數Table 6 Permeability coefficient of test piece

3 結 論

(1)在鋼渣/粉煤灰摻入量一定時，隨著其他原料的增加，各試件抗壓強度總體呈現先增加后下降，滲透系數總體呈現逐漸下降的趨勢；

(2)鋼渣/灰渣能夠替常規代骨料與水泥、砂、水在一定配合比的條件下形成阻隔防滲體，其中G1、F1、G1S、S1試件浸出濃度、抗壓強度、滲透系數均滿足相關規范要求，從工程實施及成本考慮，在滿足風險管控的要求下，盡量減少原材料的使用，因此G1S組效果最佳，其原材料消耗最小，且水灰比滿足注漿要求；

(3)研究得出的鋼渣/灰渣混凝土的基準配合比為水泥∶砂∶鋼渣/灰渣∶水∶抗滲劑=1∶1.08∶2.63∶1∶0.03，后續可根據此配比展開中試或者進一步研究。