生態(tài)疏浚淤泥固化改性材料性能與微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

摘 要：利用淤泥研制改性工程材料是實(shí)現(xiàn)生態(tài)疏浚淤泥資源化利用的途徑之一。以生態(tài)疏浚淤泥為研究對象，通過試驗(yàn)，研究了摻合料類型、摻合料用量、養(yǎng)護(hù)溫度與養(yǎng)護(hù)齡期等對生態(tài)疏浚淤泥固化改性材料力學(xué)性能和反應(yīng)產(chǎn)物成分的影響，并借助ＸＲＤ、ＴＧ／ ＤＳＣ 和ＳＥＭ 測試，分析了生態(tài)疏浚淤泥固化改性材料的礦物組成和水化產(chǎn)物種類。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻合料用量和養(yǎng)護(hù)齡期對淤泥固化材料的力學(xué)性能影響顯著，試件抗壓強(qiáng)度隨摻合料用量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，試件抗壓強(qiáng)度最高達(dá)８．３ ＭＰａ；ＸＲＤ、ＴＧ／ ＤＳＣ 和ＳＥＭ 測試結(jié)果表明，改性后淤泥中黏土礦物與改性劑反應(yīng)，生成絮狀地聚物凝膠，材料結(jié)構(gòu)更加致密均勻。

關(guān)鍵詞：生態(tài)疏浚淤泥；固化增強(qiáng)；材料性能；資源化利用

中圖分類號：ＴＶ１４５；ＴＶ６９７．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１２．０２３

引用格式：王劍，王耀宗，李峰森，等．生態(tài)疏浚淤泥固化改性材料性能與微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１２）：１３７－１４３．

０ 引言

泥沙淤積對河道和水庫的洪水調(diào)蓄能力造成影響，削弱了水庫在水資源高效利用與調(diào)配中的重要作用［１－２］ 。尤其是黃河流域生態(tài)脆弱，水土流失嚴(yán)重，大量泥沙輸入黃河，致使黃河成為世界上泥沙含量最高的河流［３－５］ 。泥沙淤積導(dǎo)致黃河下游河床抬升，成為“地上懸河”，威脅沿岸地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，阻礙經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，與此同時(shí)，大量泥沙沉積在水庫庫區(qū)，導(dǎo)致三門峽和小浪底水庫庫容減少，對水庫的高效安全運(yùn)行帶來很大威脅［６－８］ 。因此，對水庫或河道淤積的泥沙進(jìn)行生態(tài)清淤，意義重大［９－１２］ 。目前，對河流和水庫生態(tài)清淤產(chǎn)生淤泥的處置手段主要有直接填埋、焚燒或作為堆肥使用［１３］ 。清淤淤泥含水量高、有機(jī)質(zhì)較多，難以直接利用，露天堆放或拋填會占用大量土地資源，易污染環(huán)境［１４－１７］ 。直接填埋因處理手段和管理方式簡便而較多采用，但填埋會占用土地資源，同時(shí)還易形成軟弱地基，造成土地資源浪費(fèi)。焚燒可去除淤泥中的水分和有機(jī)質(zhì)，但成本較高，同時(shí)還消耗大量能源，排放污染物。以上傳統(tǒng)處理方式，均與國家的綠色、低碳戰(zhàn)略目標(biāo)相偏離，不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，如何科學(xué)合理地處理河庫疏浚淤泥，開展淤泥的綠色資源化利用成為一個重要課題［１８］ 。

淤泥作為一種常見的廢棄物和固廢資源，其獲取成本低廉，可研制成土工填方材料、建筑材料等［１９］ ，既可解決疏浚淤泥的存放問題，避免對環(huán)境的再次污染，又可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益［２０］ 。從工藝的角度來看，淤泥改性工程材料制備工藝相對簡單，主要包括攪拌、壓實(shí)和烘干等，不需要復(fù)雜的設(shè)備和技術(shù)便可就地研制。部分學(xué)者針對淤泥復(fù)雜的成因、形成環(huán)境、物理性質(zhì)及成分性質(zhì)差異展開了研究［２１－２２］ 。焦健［２３］ 、朱偉等［２４－２５］ 嘗試用水泥對淤泥進(jìn)行固化，探討了水泥用量及淤泥含水率對固化試件強(qiáng)度的影響，其研究結(jié)果表明，淤泥初始含水量對水泥固化淤泥強(qiáng)度影響不大，水泥摻量的增加可顯著提升水泥固化淤泥材料的抗壓強(qiáng)度。趙笛等［２６］ 通過試驗(yàn)，對淤泥中的有機(jī)質(zhì)成分含量進(jìn)行了測定和分析，并開展了淤泥固化試驗(yàn)，研究了固化淤泥強(qiáng)度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)淤泥有機(jī)質(zhì)中腐殖質(zhì)類的富里酸含量是影響淤泥固化效果的主要因素。還有學(xué)者研究了水泥和水玻璃復(fù)摻情況下對湖泊淤泥的固化效果，結(jié)果表明摻入水泥和水玻璃后固化淤泥試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所提升［２７］ 。夏艷波等［２８］ 研究表明，水泥、石灰、細(xì)砂土及生物酶均可降低淤泥的含水率、液限及塑性指數(shù)，并都能提升固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，而其中水泥與生物酶對淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)最為明顯。雖然水泥固化劑的應(yīng)用較為普及，但石灰固化劑和硅粉固化劑的效果尚未達(dá)到理想狀態(tài)，且容易受使用環(huán)境和原料成分等不確定因素影響。如何尋找高效的淤泥固化劑和固化方案，并兼顧環(huán)境和原料成分的影響，仍是當(dāng)前淤泥處理與資源化利用研究的重要課題［２９－３０］ 。本文以水庫生態(tài)清淤淤泥為主要原料，通過試驗(yàn)研究固體廢棄物作摻合料和改性劑復(fù)合作用下對水庫生態(tài)清淤淤泥的固化效果，探討生態(tài)清淤淤泥的綠色資源化利用技術(shù)，以期為生態(tài)清淤淤泥的科學(xué)處理和利用提供參考。

１ 試驗(yàn)方法

１．１ 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用淤泥形貌見圖１。將淤泥放至烘箱，在１０５ ℃溫度下烘干至恒重（用時(shí)１２ ｈ），將烘干的塊狀淤泥試樣用研缽破碎，之后過０．６ ｍｍ 方孔篩備用［見圖１（ｃ）］。以礦粉和粉煤灰為礦物摻合料。粉煤灰為河南大唐電廠生產(chǎn)的二級Ｆ 類粉煤灰，礦粉為河南鉑潤鑄造材料有限公司生產(chǎn)的Ｓ９５ 高爐礦渣粉，水泥為河南天潤水泥廠生產(chǎn)的ＰＯ４２５ 普通硅酸鹽水泥，生石灰為一般市售生石灰，試驗(yàn)用水為城市供生活用自來水。

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ／ Ｔ ５０１２３—２０１９）測定試驗(yàn)材料的含水率與密度，使用美國Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ 公司生產(chǎn)的型號為ＡＳＡＰ ２４６０ 的全自動比表面積及孔隙度分析儀（ＢＥＴ）測定比表面積，測定結(jié)果見表１。使用美國Ｔｈｅｒｍｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ 公司生產(chǎn)的型號為ＡＲＬ Ｐｅｒ?ｆｏｒｍ’Ｘ 的Ｘ 射線熒光光譜儀，對試驗(yàn)材料進(jìn)行氧化物成分分析，得到材料化學(xué)組成（見表２）。使用英國Ｍａｌｖｅｒｎ 公司生產(chǎn)的型號為Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ ３０００ 的激光粒度儀，分析淤泥原料的顆粒粒徑分布，得到粒徑分布曲線和粒度累積曲線。

使用的改性劑為改性硅酸鈉溶液，由硅酸鈉和氫氧化鈉按照一定的比例配制，其中：硅酸鈉溶液由天津市科密歐試劑有限公司生產(chǎn)，初始模數(shù)３．３，２０ ℃下密度為１．３３ ｇ／ ｃｍ３；氫氧化鈉為天津市科密歐試劑有限公司生產(chǎn)的９９％分析純試劑。改性劑模數(shù)是指ＳｉＯ２與Ｎａ２Ｏ 的摩爾比值［３１］ 。本試驗(yàn)改性硅酸鈉溶液模數(shù)設(shè)定為２．０，這種溶液既能夠避免ＯＨ－析出量過小導(dǎo)致改性效果不理想的問題，又能夠避免使用低模數(shù)硅酸鈉溶液時(shí)發(fā)生閃凝現(xiàn)象。

１．２ 試件制作與配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》制作高５０ ｍｍ、直徑５０ ｍｍ的圓柱體試件。試件配合比設(shè)計(jì)見表３，其中固體混合料與改性劑溶液的比例為８８ ∶ １２，并以Ａ２ 試件為對比試件。將稱量好的淤泥、礦物添加劑混合后在凈漿攪拌機(jī)中預(yù)攪拌３０ ｓ，隨后加入改性劑和水低速攪拌３０ ｓ，再改為高速攪拌并持續(xù)１８０ ｓ，分層次裝入鋼模具，同時(shí)用壓柱振搗并壓實(shí)，然后放在壓力試驗(yàn)機(jī)上以恒定的加載速度壓制成尺寸為５０ ｍｍ×５０ ｍｍ 的圓柱體試件。試件成型后使用保鮮膜密封，并分別以常溫和高溫（高溫養(yǎng)護(hù)即在烘箱內(nèi)以８０ ℃養(yǎng)護(hù)２４ ｈ 后進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)）兩種方式將試件養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期，進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測試、ＸＲＤ 礦物分析、ＳＥＭ 掃描電鏡分析、熱重分析（ＴＧ）。

１．３ 測試

使用深圳三思縱橫公司生產(chǎn)的型號為ＵＴＭ５１０５ 的電子萬能試驗(yàn)機(jī)測定試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加載速率為５００ Ｎ／ ｓ。使用英國Ｍａｌｖｅｒｎ 公司生產(chǎn)的型號為Ｐａｎａ?ｌｙｔｉｃａｌ Ｅｍｐｙｒｅａｎ 的Ｘ 射線衍射儀（ＸＲＤ）對原狀淤泥及改性淤泥試件進(jìn)行礦物組成分析，發(fā)射靶為Ｃｕ 靶，掃描范圍（２θ）為１０°到８０°，掃描速率為１０°／ ｍｉｎ。使用捷克ＴＥＳＣＡＮ 公司生產(chǎn)的型號為ＭＩＲＡ ＬＭＳ 的掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ）觀察樣品形貌。使用瑞士Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ 公司生產(chǎn)的型號為ＴＧＡ／ ＤＳＣ ３＋的差熱分析儀對原狀淤泥及改性淤泥試件進(jìn)行熱重分析，測試氣體氛圍為氮?dú)夥諊郎厮俾蕿椋玻?℃ ／ ｍｉｎ，測試溫度范圍為３０～１ ０００ ℃。

２ 結(jié)果與分析

２．１ 力學(xué)強(qiáng)度

不同類型摻合料的摻量與試件抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖２。從圖２ 可以看出，水泥與生石灰的摻量對試件的抗壓強(qiáng)度影響趨勢相同，在低摻量的情況下，二者對試件抗壓強(qiáng)度的影響相差不大；隨著摻量的增大，試件抗壓強(qiáng)度逐漸增大，但水泥對試件抗壓強(qiáng)度的影響相對于生石灰而言較顯著。粉煤灰摻量對試件的抗壓強(qiáng)度有著顯著的影響，粉煤灰摻量為５％時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度相較于不摻粉煤灰試件略有提高；摻量超過５％后，試件的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增大迅速增大；摻量為２５％時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值８．４ ＭＰａ；摻量為３５％時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度迅速下降，與摻量為１５％時(shí)抗壓強(qiáng)度相近。可見，粉煤灰摻量對試件抗壓強(qiáng)度的提升存在一個最佳值，當(dāng)超過最佳值后，試件抗壓強(qiáng)度開始下降。相對而言，礦粉摻量對于固化改性淤泥的影響較為有限，摻量為５％時(shí)，礦粉可以與改性劑良好反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，使試件具有較高強(qiáng)度；摻量為１５％時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值的９７％；摻量超過１５％后，試件的強(qiáng)度隨著礦粉摻量的增加略有提升。可見，相較于摻粉煤灰，礦粉較低摻量時(shí)，在提高試件抗壓強(qiáng)度方面具有更明顯的效果。

養(yǎng)護(hù)齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖３ 所示。對比試件Ａ２ 在３～７ ｄ 齡期強(qiáng)度略有降低，在７～１４ ｄ 齡期強(qiáng)度迅速增長，在１４～２８ ｄ 齡期強(qiáng)度有所下降。水泥摻量為１０％的試件Ａ４ 與對比試件的強(qiáng)度變化趨勢相似，但強(qiáng)度高于對比試件，在１４ ｄ 齡期時(shí)強(qiáng)度達(dá)到５．６ＭＰａ。原因是水泥存在不同水化階段，在７～１４ ｄ 齡期主要為硅酸二鈣參與反應(yīng)，生成的膠凝物質(zhì)使得試件的強(qiáng)度有較大幅度提升。生石灰摻量為１０％的試件Ａ７，在３ ｄ齡期時(shí)強(qiáng)度達(dá)到４．４ ＭＰａ，為２８ ｄ 齡期強(qiáng)度的８４．９％，可見生石灰在早期可以迅速反應(yīng)，生成氫氧化鈣增強(qiáng)試件強(qiáng)度，但隨齡期增長氫氧化鈣逐步參與反應(yīng)，表現(xiàn)為試件強(qiáng)度增長較為緩慢。摻礦粉試件的抗壓強(qiáng)度與齡期近似為線性關(guān)系，在短齡期內(nèi)就有較高的強(qiáng)度，并在２８ ｄ 齡期時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值７．２ ＭＰａ。原因是水化反應(yīng)初期，堿性環(huán)境下礦粉中的玻璃體被高濃度ＯＨ－離子破壞，使得礦粉玻璃體分散溶解，并發(fā)生水化反應(yīng)；隨著反應(yīng)進(jìn)行，ＯＨ－ 離子濃度下降，礦粉的水化反應(yīng)變得緩慢；較大的比表面積使得礦粉與改性劑發(fā)生水化反應(yīng)的表面積較大，這也是礦粉早期強(qiáng)度迅速增長的原因之一。摻粉煤灰試件的強(qiáng)度受齡期影響較為顯著，在３～７ ｄ 齡期時(shí)試件強(qiáng)度由４．０ ＭＰａ 增長至６．４ ＭＰａ，增長幅度達(dá)到６０％，在７～１４ ｄ 齡期強(qiáng)度增長趨于平緩，隨后在１４～２８ ｄ 齡期強(qiáng)度迅速增長，達(dá)到了最大值８．４ ＭＰａ。粉煤灰提升淤泥試件強(qiáng)度一方面是其在早期具有較好的填充效應(yīng)，其粒徑遠(yuǎn)小于泥沙的，可以填補(bǔ)試件中的微觀孔隙和縫隙，并減少試件中微小裂縫和有害孔的比例，這種填充作用對于提高試件的強(qiáng)度十分有益；另一方面粉煤灰發(fā)生水化反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，增強(qiáng)試件強(qiáng)度，但粉煤灰的水化反應(yīng)在一周或多周后才開始明顯。

綜上所述，生石灰在早期增強(qiáng)改性試件強(qiáng)度，水泥在中期進(jìn)行水化反應(yīng)后使改性試件的強(qiáng)度顯著增長，礦粉在早期即可增強(qiáng)改性試件一定強(qiáng)度且使其強(qiáng)度增長趨勢較為平穩(wěn)，粉煤灰增強(qiáng)改性試件強(qiáng)度的效果隨齡期變化明顯。因此，對淤泥改性應(yīng)當(dāng)根據(jù)摻合料的不同特點(diǎn)適量添加，使得改性淤泥不僅有著一定的早期強(qiáng)度，而且在一定養(yǎng)護(hù)齡期后其強(qiáng)度能夠符合工程需求。

不同養(yǎng)護(hù)方式試件的抗壓強(qiáng)度見圖４。在進(jìn)行２４ ｈ高溫養(yǎng)護(hù)后，相比于常溫養(yǎng)護(hù)，Ａ２、Ａ４ 試件的抗壓強(qiáng)度下降了１０％，Ｂ８ 試件的抗壓強(qiáng)度略有下降，Ｂ３ 試件強(qiáng)度下降幅度達(dá)２０％。值得注意的是，Ａ７ 試件抗壓強(qiáng)度提升了１０％，達(dá)到６．９ ＭＰａ。由此可見，在改性淤泥中，水泥在經(jīng)歷高溫養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度會有所下降；高溫可以加速生石灰反應(yīng)；礦粉受溫度改變的影響不大；在高溫養(yǎng)護(hù)后，粉煤灰所受影響較為顯著，對應(yīng)試件強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯下降。

２．２ ＸＲＤ 礦物分析

圖５ 為原狀淤泥與改性淤泥試件的ＸＲＤ 圖譜，原狀淤泥的主要礦物成分為石英和長石，并含有少量的蒙脫石。石英（ ＳｉＯ２ ） 的最強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在２６． ６°（２θ），長石［（Ｋ，Ｎａ） ＡｌＳｉ３ ＯＸ ］的最強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在２７．９°（２θ），在１９．８°（２θ）附近的衍射峰被鑒定為蒙脫石｛Ｃａ０．２（Ａｌ， Ｍｇ）２［Ｓｉ１０Ｏ１２］（ＯＨ）２·４ Ｈ２Ｏ｝。與原狀淤泥相比，改性淤泥試件的ＸＲＤ 圖譜在２６．６°（２θ）以及２０．９°（２θ）和５１．０°（２θ）處衍射強(qiáng)度有所下降。其中Ａ７ 與Ｂ８ 試件衍射強(qiáng)度下降幅度較大，根據(jù)文獻(xiàn)［３２］的研究，淤泥中的部分石英被堿侵蝕溶出并參與了堿激發(fā)反應(yīng)，生成地聚物膠凝類物質(zhì)（Ｃ－Ｓ－Ｈ）。相比之下，Ｂ３ 試件衍射強(qiáng)度下降幅度較小，這是因?yàn)橄噍^于石英的高結(jié)晶度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，粉煤灰的活性較高，使得粉煤灰與改性劑反應(yīng)削弱了試件內(nèi)部的堿環(huán)境，所以淤泥中ＳｉＯ２溶出量減少。Ａ７ 試件長石的２７．９°（２θ）衍射峰幾乎消失，原因是硅酸鹽溶液以及生石灰反應(yīng)后提供堿性環(huán)境，并為地聚物膠凝的形成提供了活性硅鋁化合物。原狀淤泥中蒙脫石１９．８°（２θ）衍射峰較低，但改性試件中蒙脫石衍射峰消失，這表明淤泥蒙脫石在改性劑的作用下被侵蝕并參與反應(yīng)。

２．３ ＳＥＭ 掃描電鏡分析

原狀淤泥與改性淤泥試件ＳＥＭ 圖見圖６、圖７。

圖６（ａ）中淤泥的微觀形貌呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)，其中細(xì)小的顆粒之間缺乏足夠的黏結(jié)物質(zhì)。這些顆粒主要依靠機(jī)械咬合、摩擦力以及有限的膠結(jié)作用力相互結(jié)合，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散。由圖６（ｂ）可以看出，在淤泥內(nèi)部，顆粒間的黏結(jié)力較弱，顆粒間的接觸點(diǎn)較少，使得淤泥的整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較低的密實(shí)度和較多的孔隙，孔隙之間的連通性較差，孔隙結(jié)構(gòu)不理想。

圖７（ａ）中的球形顆粒為粉煤灰顆粒，其表面附著了大量的絮狀凝膠。這種樣貌表明粉煤灰在改性劑的作用下已經(jīng)開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這些絮狀凝膠是由粉煤灰中的活性硅酸鹽和鋁酸鹽與改性劑中的化學(xué)成分反應(yīng)生成的。這些新生成的凝膠物質(zhì)在粉煤灰顆粒表面形成包裹層，隨著凝膠的進(jìn)一步發(fā)展，淤泥改性試件將形成更加穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)。圖７（ｂ）顯示，改性試件中產(chǎn)生了較為致密均勻的結(jié)構(gòu)，其中膠凝物質(zhì)將各組分黏結(jié)在一起，這種黏結(jié)作用顯著減少了裂縫和孔隙的數(shù)量，從而優(yōu)化了整體的孔隙結(jié)構(gòu)。圖７（ｃ）中粉煤灰顆粒在基質(zhì)中鑲嵌分布，部分粉煤灰顆粒開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。凝膠類物質(zhì)與未反應(yīng)的顆粒混合在一起，共同構(gòu)成了一種致密且均質(zhì)的基質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)的形成使得改性材料的力學(xué)強(qiáng)度得到提升。

２．４ 熱重分析

原狀與改性淤泥試件的ＴＧ／ ＤＴＧ（ＤＴＧ 為熱重微分）結(jié)果見圖８（其中ｄｍ ／ ｄＴ 為將ＴＧ 曲線上各點(diǎn)相對于橫坐標(biāo)進(jìn)行一次微分）。原狀淤泥ＴＧ 結(jié)果表明，溫度為１０５～５００ ℃時(shí)試件有明顯的質(zhì)量損失臺階，溫度為５００～８００ ℃時(shí)試件質(zhì)量損失臺階較為平緩。相較于原狀淤泥，溫度為５００～８００ ℃時(shí)Ａ７ 試件有著明顯的質(zhì)量損失臺階（碳酸鹽礦物分解）。Ｂ３、Ｂ８ 試件ＴＧ／ ＤＴＧ 曲線與原狀淤泥類似，溫度為１０５～５００ ℃時(shí)有明顯的質(zhì)量損失臺階，其中Ｂ８ 試件質(zhì)量損失最大，溫度為５００～８００ ℃ 時(shí)其質(zhì)量損失臺階較平緩。ＤＴＧ曲線顯示，溫度為４７１ ℃左右原狀淤泥有一個明顯的吸熱峰，而改性試件同樣存在吸熱峰，但吸熱峰出現(xiàn)在低溫時(shí)，其中Ｂ３ 試件的吸熱峰出現(xiàn)在溫度為４２７ ℃左右，Ａ７ 與Ｂ８ 試件在溫度為５０ ℃左右存在一個顯著的吸熱峰。生石灰與礦粉有較高的ＣａＯ 含量，Ａ７ 與Ｂ３ 試件表現(xiàn)為高Ｃａ／ Ｓｉ 的Ｃ－Ｓ－Ｈ 凝膠的吸熱峰。而粉煤灰的ＣａＯ 含量較低，Ｂ３ 表現(xiàn)出低Ｃａ／ Ｓｉ 的Ｃ－Ｓ－Ｈ凝膠吸熱峰。在溫度為８５０ ℃時(shí)，Ａ７ 試件放熱峰出現(xiàn)，原因是Ｃ－Ｓ－Ｈ 形成硅灰石的放熱反應(yīng)，同時(shí)Ｂ８ 試件在溫度為８００ ℃時(shí)也有放熱現(xiàn)象。

３ 結(jié)論

探究了摻合料的種類、摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、養(yǎng)護(hù)溫度對改性淤泥試件力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下。

１）試驗(yàn)結(jié)果顯示，相較于水泥與生石灰傳統(tǒng)淤泥固化劑，摻合料與改性劑的加入，使得試件的強(qiáng)度最高達(dá)到了８．４ ＭＰａ。使用固體廢棄物粉煤灰與礦粉作為摻合料符合綠色資源化利用理念，并有較好的固化效果。將改性后的固化淤泥作為土工填方材料、建筑材料等具有一定的可行性。

２）試件抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)齡期和摻合料摻量的影響顯著。隨著齡期的增長，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。生石灰顯著影響試件的早期強(qiáng)度，水泥對試件中期強(qiáng)度有較大影響。粉煤灰的水化反應(yīng)發(fā)生在７ ｄ 齡期之后，使得試件的強(qiáng)度得到了顯著提高。然而，粉煤灰摻量超過一定值后會對試件的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響。礦粉早期水化反應(yīng)可以迅速提高試件強(qiáng)度，但隨著摻量的增加試件強(qiáng)度幾乎不變化。在高溫養(yǎng)護(hù)條件下，只有摻入生石灰的試件力學(xué)性能得到提高，其他試件的力學(xué)性能有不同程度的下降。

３）原始淤泥試件的微觀形貌呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)疏松且孔隙較大。然而，經(jīng)過固化改性處理后，材料中形成了大量致密均質(zhì)凝膠，并混合著未反應(yīng)的材料顆粒，這些產(chǎn)物形成了致密、均質(zhì)的基質(zhì)。隨著膠凝物質(zhì)的不斷形成，其占據(jù)了更多的孔隙，將淤泥顆粒膠結(jié)在一起，使材料的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)緊湊，從而提高了試件強(qiáng)度。

４）淤泥試件經(jīng)礦粉和粉煤灰改性后，形成了膠凝物質(zhì)，且石英和長石的衍射峰有所下降，蒙脫石的衍射峰消失，表明淤泥中部分礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，并參與了水化反應(yīng)。

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【責(zé)任編輯 張華巖】

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（５１７０８２１６）；河南省黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助項(xiàng)目（ＬＹＢＥＰＲ２０２１０４）