大摻量粉煤灰淤泥固化土的強(qiáng)度與耐久性研究

王東星 ，徐衛(wèi)亞

（1.河海大學(xué) 巖土工程研究所，南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098； 3.國(guó)立杜埃高等礦業(yè)學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，杜埃 59500，法國(guó)）

1 引 言

疏浚淤泥處理處置問(wèn)題是世界范圍內(nèi)許多國(guó)家共同面臨的亟待解決的問(wèn)題。在我國(guó)，僅珠三角地帶的年淤泥疏浚量就達(dá)到8 ×1 07m3。在法國(guó)，僅6個(gè)自治港和17 個(gè)內(nèi)河港的淤泥疏浚量就達(dá)到2.5× 107～4.5 × 107m3（干料體積）[1]。在美國(guó)，江河湖海航道中的淤泥疏浚量達(dá) 3 ×1 08m3，其中約5 ×1 07m3淤泥直接傾倒于海洋[2]。因此，需要采取行之有效的措施處理如此大量的廢棄疏浚泥，以避免淤泥堆積造成占用土地和污染環(huán)境。

目前，在海洋傾倒和陸地拋填等常規(guī)方法受到越來(lái)越多國(guó)家質(zhì)疑的同時(shí)，淤泥固化穩(wěn)定化技術(shù)由于其成本低、效率高、效果好和可再生填土材料等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇。該方法既可有效解決淤泥占用土地和污染環(huán)境的問(wèn)題，又可為沿海地區(qū)工程建設(shè)提供大量工程填料。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)疏浚淤泥固化處理進(jìn)行了一系列深入研究[3－5]。他們研究了固化土的物理屬性、力學(xué)特性和變形規(guī)律，分析了強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)制和影響因素，其中部分學(xué)者還給出了強(qiáng)度與固化劑摻量及齡期的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)關(guān)系式。對(duì)于固化劑的探索，學(xué)者們除研究無(wú)機(jī)復(fù)合材料外[4,6－8]，如專(zhuān)用固化劑、粉煤灰、爐渣和磷石膏等，還有部分學(xué)者[9]嘗試?yán)酶叻肿訜o(wú)機(jī)材料設(shè)計(jì)新型固化材料固化淤泥。

燃煤發(fā)電廠排出的粉煤灰長(zhǎng)期大量積壓堆放，不僅占用土地，而且污染大氣和水系，甚至還會(huì)對(duì)人體和生物造成危害。文獻(xiàn)[10]指出，粉煤灰排放已經(jīng)成為中國(guó)工業(yè)固體廢物的最大單一污染源；2009 年，中國(guó)粉煤灰產(chǎn)量達(dá)到3.75 ×1 08t ，體積達(dá)到4.24 ×1 08m3。然而，對(duì)環(huán)境危害極大的粉煤灰綜合利用率目前實(shí)際只有30%左右。

基于以廢治廢的思想，本文在傳統(tǒng)水泥和石灰固化方法的基礎(chǔ)上利用大摻量低鈣粉煤灰、水泥和石灰進(jìn)行海相淤泥固化處理，以期改善淤泥的力學(xué)性質(zhì)和耐久性特征，達(dá)到廢棄淤泥和粉煤灰雙重資源化利用的目的。研究旨在：（1）分析大摻量粉煤灰淤泥固化土的擊實(shí)特征與強(qiáng)度特性；（2）研究未固化淤泥及大摻量粉煤灰淤泥固化土的水穩(wěn)性； （3）研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)淤泥固化土的破壞作用。

2 試驗(yàn)材料

2.1 試驗(yàn)淤泥

試驗(yàn)淤泥取自法國(guó)敦刻爾克海港東部港區(qū)底泥疏浚工程，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。根據(jù)土的分類(lèi)方法，試驗(yàn)用泥屬高液限黏土，其塑性圖如圖1 所示。底泥挖出后，立刻放入預(yù)備的塑料桶中，其初始含水率為液限的1.71 倍。

2.2 固化材料

研究采用低鈣粉煤灰、水泥和石灰作淤泥固化材料。低鈣粉煤灰中CaO 含量小于1%，且SiO2+ Al2O3含量大于70%，歸為F 類(lèi)粉煤灰，其基本物理性質(zhì)見(jiàn)表2。

水泥和石灰既可作為固化劑與淤泥發(fā)生多種反應(yīng)，又可充當(dāng)堿激活劑與低鈣粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)。水泥主要化學(xué)成分為CaO、SiO2和Al2O3，含量分別占總質(zhì)量的63.3%、21.4%、3.3%。石灰主要化學(xué)成分為CaO，其含量大于90%。

表1 海相淤泥物理性質(zhì)指標(biāo) Table 1 Physical properties of marine sediments

圖1 海相淤泥塑性圖 Fig.1 Plasticity chart of marine sediments

表2 低鈣粉煤灰物理性質(zhì)指標(biāo) Table 2 Physical properties of low-calcium fly ash

3 試驗(yàn)方法

文獻(xiàn)[11]中明確規(guī)定了石灰、水泥等固化土室內(nèi)干法擊實(shí)試驗(yàn)方法。首先將高含水率淤泥試樣風(fēng)干粉碎，測(cè)定其實(shí)際含水率；將土樣均分成5～7份，并加水至預(yù)定含水率之后分別摻加石灰、水泥和粉煤灰；機(jī)械攪拌后將試樣放入塑料袋中按規(guī)范規(guī)定時(shí)間進(jìn)行悶料，然后進(jìn)行重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)。各固化劑摻加量見(jiàn)表3，粉煤灰摻量較大，固定為混合料總干質(zhì)量的20%。

表3 混合料配比 Table 3 Mixture design

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度和最優(yōu)含水率，制備直徑為50 mm、高度為100 mm 的圓柱體試樣，并放入特制密封塑料盒中。將試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度20℃±1℃，相對(duì)濕度98%）28、90 d 之后，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂法間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。強(qiáng)度試驗(yàn)采用INSTRON 5500R 4206-006 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，且對(duì)每個(gè)類(lèi)型試樣至少做3 次平行試驗(yàn)。

為模擬潮濕和多雨環(huán)境下淤泥試樣的水穩(wěn)性，依據(jù)文獻(xiàn)[12]進(jìn)行浸水軟化試驗(yàn)。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試樣置入去離子水中浸泡32 d，水外溫度維持常溫20℃，之后將試樣取出瀝水1 h，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

依據(jù)文獻(xiàn)[13]，在實(shí)驗(yàn)室密閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，可以模擬在沒(méi)有水分交換情況下淤泥試樣抵抗冬夏季節(jié)溫度驟變的能力。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試樣浸入去離子水1 d 以飽和試樣，之后取出瀝水1 h。用密封塑料薄膜包裹試樣，放入密閉系統(tǒng)中進(jìn)行20 個(gè)凍融循環(huán)，之后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。單個(gè)凍融循環(huán)持續(xù)24 h，具體過(guò)程如下：在10℃維持4 h，之后4 h 內(nèi)勻速下降至-10℃，在-10℃維持14 h，最后2 h 內(nèi)勻速上升至10℃。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 淤泥固化土的擊實(shí)特征

未固化淤泥和淤泥固化土的擊實(shí)曲線，即干密度隨實(shí)測(cè)含水率變化曲線，如圖2 所示。由此確定未固化淤泥和淤泥固化土的最大干密度和最優(yōu)含水率見(jiàn)表4。對(duì)于未固化淤泥，其最大干密度為 1.61 g/cm3，最優(yōu)含水率為21.6%。摻入大量粉煤灰等固化劑后，引起淤泥固化土的最優(yōu)含水率降低，最大干密度略有增加。這種現(xiàn)象與單摻石灰和水泥導(dǎo)致固化土最優(yōu)含水率增大和最大干密度降低的結(jié)論相反[14－16]。他們[14－16]認(rèn)為，主要是由于水泥和石灰的水化作用而導(dǎo)致固化土需水量增加、干密度變化。

盡管單摻石灰和水泥會(huì)導(dǎo)致需水量增加，但對(duì)于摻加大量低鈣粉煤灰的情況，則必須考慮粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)。粉煤灰中含有大量的粒徑分布不均的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，質(zhì)地致密。這種形態(tài)對(duì)土體而言，無(wú)疑能起到減水和填充致密作用，原有充水的孔隙則被粒徑很小的玻璃微珠和碎屑占據(jù)。因此，相對(duì)于未固化淤泥，大量低鈣粉煤灰的摻加使淤泥固化土的最優(yōu)含水率降低，最大干密度略有增加。

圖2 未固化淤泥和淤泥固化土的擊實(shí)曲線 Fig.2 Compaction curves of untreated and solidified sediments

表4 未固化淤泥和淤泥固化土的 最大干密度和最優(yōu)含水率 Table 4 Maximum dry density and optimum water content of untreated and solidified sediments

由表4 可知，對(duì)于混合料SD10L20FA、SD5L5- C20FA 和SD10C20FA，在石灰被同摻量水泥取代的過(guò)程中，盡管設(shè)計(jì)混合料的最大干密度和最優(yōu)含水率發(fā)生變化，但其變化幅度很小。

4.2 淤泥固化土的模量和強(qiáng)度特性

未固化淤泥和淤泥固化土的彈性模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，如圖3～5 所示。對(duì)于未固化淤泥，彈性模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在齡期28、90 d 時(shí)均變化不大，近乎恒定。這主要是由于密封貯存條件下，試樣的含水狀態(tài)幾乎保持不變。對(duì)于淤泥固化土，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從28 d 延續(xù)至90 d時(shí)，彈性模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均明顯增加，且三者變化規(guī)律一致。這主要是由于火山灰反應(yīng)或水化反應(yīng)生成硅酸鈣和鋁酸鈣凝膠體等產(chǎn)物，粘結(jié)土顆粒而形成網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致淤泥固化土的整體結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)為固化土的強(qiáng)度和模量增加。

對(duì)比這3 種大摻量粉煤灰固化土，其彈性模量和強(qiáng)度特性較未固化淤泥均有不同程度的提高。水泥摻量越高，28、90 d 齡期時(shí)固化土的彈性模量和拉壓強(qiáng)度增加越明顯；相反，石灰摻量越高，28、90 d 齡期時(shí)固化土的強(qiáng)度和模量降低越明顯。可見(jiàn)，水泥摻量增加是大摻量粉煤灰固化土強(qiáng)度明顯改善的決定性因素。對(duì)于石灰-粉煤灰固化土，在化學(xué)反應(yīng)初期，粉煤灰、火山灰效應(yīng)并未充分發(fā)揮，導(dǎo)致其早期強(qiáng)度改善并不明顯。這也符合混凝土領(lǐng)域中堿激發(fā)劑對(duì)粉煤灰早期火山灰反應(yīng)無(wú)明顯促進(jìn)作用的結(jié)論。盡管石灰-粉煤灰固化土后期強(qiáng)度和彈性模量增長(zhǎng)較明顯，但仍不及水泥-粉煤灰固化土。

圖3 未固化淤泥和淤泥固化土的彈性模量 Fig.3 Elastic modulus of untreated and solidified sediments

圖4 未固化淤泥和淤泥固化土的抗拉強(qiáng)度 Fig.4 Tensile strength of untreated and solidified sediments

圖5 未固化淤泥和淤泥固化土的抗壓強(qiáng)度 Fig.5 Compressive strength of untreated and solidified sediments

4.3 未固化淤泥和固化淤泥的水穩(wěn)性

通過(guò)32 d 浸水試驗(yàn)，可評(píng)價(jià)淤泥固化土相對(duì)于未固化淤泥水穩(wěn)性的變化。對(duì)于未固化淤泥試樣，完全浸水?dāng)?shù)小時(shí)之后便開(kāi)始發(fā)生崩解，圖6 展示了淤泥試樣在5、8、24 h 和4 d 的崩解過(guò)程。將完整試樣置入水中淹沒(méi)后，水分子立刻滲入試樣的表面孔隙和表面微裂紋中至飽和狀態(tài)，弱化土粒間的各種物理化學(xué)作用力。如圖6(a)～(c)所示，表面微裂紋擴(kuò)展而形成表面裂縫，并向縱深擴(kuò)展；擴(kuò)展到一定程度后，裂縫周?chē)亮ＪヰそY(jié)力，土塊便在自身重力作用下某一時(shí)刻突然爆炸式崩塌。這樣，大塊體分解成小塊體，小塊體繼續(xù)分解成細(xì)顆粒。在浸水4 d 后，試樣如散沙狀分布，完全崩解，如圖6(d)所示。

圖6 未固化淤泥試樣的崩解過(guò)程 Fig.6 Collapse of untreated sediments

摻入固化劑淤泥固化后，固化土試樣完全浸水32 d 后仍然完好無(wú)損，如圖7 所示，從而直觀地反映出摻水泥、石灰和粉煤灰的固化處理技術(shù)能明顯改善淤泥的水穩(wěn)性。淤泥固化土水穩(wěn)性改善主要?dú)w功于水化作用或火山灰反應(yīng)生成的膠結(jié)物質(zhì)，通過(guò)膠結(jié)作用相互粘結(jié)土顆粒形成空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)固化土的整體結(jié)構(gòu)性和穩(wěn)定性。

圖7 浸水32 d 后的淤泥固化土試樣 Fig.7 Solidified sediment samples suffered from 32 d water immersion

從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的角度量化淤泥固化土的水穩(wěn)性，結(jié)果如圖8 所示。對(duì)比浸水前后試樣的抗壓強(qiáng)度，浸水軟化效應(yīng)導(dǎo)致固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯降低。對(duì)于混合料SD10L20FA，其抗壓強(qiáng)度大幅度降低，降幅為45%。SD5L5C20FA 和SD10C20FA的抗壓強(qiáng)度降幅相對(duì)較小，分別降低了12%、15%。這主要由于SD10L20FA 早期火山灰反應(yīng)速度較慢，膠結(jié)物質(zhì)的生成量遠(yuǎn)小于摻加水泥的SD5L5C20FA和SD10C20FA。

圖8 浸水軟化對(duì)固化土強(qiáng)度影響 Fig.8 Effect of water immersion on solidified sediments

4.4 凍融循環(huán)對(duì)固化土強(qiáng)度影響

未固化淤泥試樣在浸水?dāng)?shù)小時(shí)后便開(kāi)始崩解，因此，無(wú)法對(duì)未固化淤泥進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。對(duì)于混合料SD10L20FA 試樣，雖然未在浸水過(guò)程中崩解，但試樣在凍融循環(huán)過(guò)程中便發(fā)生破壞，如圖9所示，無(wú)法量化凍融循環(huán)后該試樣的抗壓強(qiáng)度。試樣養(yǎng)護(hù)至28 d 時(shí)，石灰與粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)生成較少量的硅酸鹽膠結(jié)物質(zhì)而未能形成致密完整的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這點(diǎn)可借助圖4、5 所示的28 d 齡期時(shí)SD10L20FA 試樣的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度改善不明顯的現(xiàn)象證實(shí)。

凍融循環(huán)試驗(yàn)之前，試樣處于飽水狀態(tài)。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)溫度降低時(shí)，土體孔隙中水逐漸轉(zhuǎn)化為冰而體積膨脹，引起土顆粒位移和孔隙體積增大，破壞土顆粒之間的相互咬合和膠結(jié)作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，冰逐漸融化成水而體積減小，但土顆粒間黏聚力的存在導(dǎo)致增大的孔隙體積并不能完全恢復(fù)。多次循環(huán)往復(fù)后，粒間孔隙相互貫通在連結(jié)較弱處形成較大裂縫，最終導(dǎo)致試樣斷裂，如圖9(a)所示。之后若試樣繼續(xù)經(jīng)受凍脹融縮作用，會(huì)導(dǎo)致表面土體大量剝落甚至完全崩解，如圖9(b)所示。

淤泥固化土SD5L5C20FA 和SD10C20FA 試樣經(jīng)歷凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度如圖10 所示，并與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度對(duì)比。圖10 表明，凍融循環(huán)對(duì)淤泥固化土有明顯的破壞效應(yīng)。由于凍脹融縮往復(fù)作用，兩種混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小幅度約為22%。水泥水化反應(yīng)生成的水化硅酸鹽膠體形成網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)固化土的整體結(jié)構(gòu)性，是凍融循環(huán)后固化土保持較高強(qiáng)度的主要原因。

圖9 SD10L20FA 試樣的凍融崩解 Fig.9 Collapse of SD10L20FA samples after thawing-freezing

圖10 凍融循環(huán)前后固化土強(qiáng)度對(duì)比 Fig.10 Comparison of compressive strength for solidified sediments before and after thawing-freezing

5 結(jié) 論

（1）相比未固化淤泥，大摻量粉煤灰淤泥固化土的最優(yōu)含水率降低、最大干密度略有增加。石灰與水泥之間同摻量替換，不會(huì)引起混合料最大干密度和最優(yōu)含水率的顯著變化。

（2）相比未固化淤泥，固化土彈性模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有不同程度增加。水泥摻量越大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度和模量越大。粉煤灰早期火山灰效應(yīng)對(duì)石灰-粉煤灰固化土的強(qiáng)度特性無(wú)明顯改善效果。

（3）分析浸水作用下未固化淤泥的崩解過(guò)程及機(jī)制，直觀地表明其水穩(wěn)性明顯劣于淤泥固化土。浸水軟化導(dǎo)致固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯降低。

（4）分析凍脹融縮作用對(duì)固化土的破壞作用和破壞機(jī)制，凍脹融縮導(dǎo)致設(shè)計(jì)混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小約22%。

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