氟石膏基膠結(jié)材固化淤泥質(zhì)軟土性能研究

黃緒泉 ，黃安宜 ，王小書 ，姜明明 ，聶丹丹 ，馮思源

[1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測工程技術(shù)研究中心（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002]

我國淤泥質(zhì)軟土面積分布廣泛，開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必須添加固化劑對其進行改良，降低其含水率的同時提高其承載力。國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的固化劑主要是水泥和石灰[1-2]，但是它們生產(chǎn)均要消耗大量能源和資源，同時也排放CO2等大量溫室氣體和粉塵，而粉塵排放是產(chǎn)生PM2.5顆粒的主要污染源之一。以工業(yè)廢渣為基礎(chǔ)，開發(fā)研究低能耗、低材耗、污染少的新型膠凝材料用于淤泥質(zhì)軟土固化處理是不少學(xué)者追求的方向之一[3-5]。

近年來陸續(xù)開展了提高工業(yè)石膏廢棄物摻量制備固化劑固化軟土方面的研究。Ahmed等[6-7]利用廢棄石膏板制備成半水石膏加固軟土，進行了強度和耐久性等方面研究。桂躍等[8]研究發(fā)現(xiàn)，疏浚淤泥中摻入一定量的磷石膏，可較大幅度提高其無側(cè)限抗壓強度。De Rezende等[9]采用半水磷石膏和水泥、石灰改性黏土，優(yōu)于二水磷石膏。Degirmenci等[10]發(fā)現(xiàn)，通過磷石膏、粉煤灰及水泥等處理后淤泥質(zhì)軟土塑性指數(shù)下降。袁聚云等[11]開展了利用脫硫石膏和水泥等固化淤泥質(zhì)軟土性能等方面研究。

氟石膏是重要化工原料氫氟酸生產(chǎn)中所產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，其主要成分為水化極慢的無水石膏，目前國內(nèi)外關(guān)于氟石膏應(yīng)用僅局限水泥緩凝劑[12]、抹灰砂漿[13]等領(lǐng)域。由于含雜質(zhì)多、成分復(fù)雜和利用率不高等原因被大量堆放在尾礦庫，占用大量土地資源。前述石膏固化淤泥質(zhì)軟土研究多集中磷石膏、廢棄再生石膏和脫硫石膏等方面，開展氟石膏基膠結(jié)材固化軟土研究幾乎沒有。本文研究了氟石膏摻量對固化淤泥含水率、抗壓強度和pH值等性能的影響，并與水泥、生石灰固化劑進行對比，為拓寬氟石膏資源化利用途徑、降低其堆積量提供數(shù)據(jù)支撐依據(jù)。

1 實驗

1.1 原材料

（1）淤泥：取自某湖泊，黑色流塑狀，含較多有機質(zhì)殘渣，液限46%，塑限20%，塑性指數(shù)26%，有機質(zhì)含量3.7%，原始pH值5.85。將淤泥土在45℃低溫烘干碾碎，加水至含水率30%（水/絕干質(zhì)量）預(yù)拌混合靜止24 h作為實驗用原狀淤泥。

（2）固化劑：生石灰（LM）、P·C32.5水泥（PC）和氟石膏基膠結(jié)材（FB）。LM為市售，有效CaO含量85%，比表面積247.2 m2/kg；PC為葛洲壩水泥廠產(chǎn)；FB由30%氟石膏、30%礦渣、30%熟料和10%磷渣，外摻1%K2SO4組成，氟石膏、礦渣、熟料和磷渣比表面積分別為 804.1、341.0、378.1、502.4 m2/kg。原材料的主要化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 實驗方法

1.2.1 淤泥土固化

稱取定量淤泥、固化劑倒入攪拌機攪拌混合4 min，然后置于密封容器悶料24 h，然后參考JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中T 0843—2009規(guī)定，制備直徑50 mm、高度50 mm的圓柱體試樣，置于標準養(yǎng)護箱[溫度（20±1）℃、相對濕度95%]中覆膜密封保濕養(yǎng)護至規(guī)定齡期，進行無側(cè)限抗壓強度，同時取破型核心樣開展pH值、含水率等測試。

1.2.2 含水率的測試

含水率參照JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化淤泥性能的變化

2.1.1 固化淤泥含水率的變化

分別摻 25%、22%、19%、16%、13%的 FB、PC、LM 固化劑后固化淤泥不同齡期含水率的變化見圖1。

圖1 摻FB、PC、LM固化劑后固化淤泥在不同齡期含水率的變化

從圖1可以看出：

混凝土中所含有的總堿量，是指在單位重量中所有組成混凝土所有材料，如水泥、外加劑以及骨料含堿總量，含堿總量大小對于混凝土堿-集料反應(yīng)影響很大。但是，通過單位體積混凝土中含堿總量的計算以及對混凝土含堿總量的控制，可以有效抑制混凝土的堿-集料反應(yīng)，保證混凝土構(gòu)件不發(fā)生堿-集料反應(yīng)破壞。其含堿總量可通過計算或查問相關(guān)標準來獲取。

（1）隨著齡期的延長，無論是摻FB、LM還是PC固化劑，固化淤泥的含水率均呈冪函數(shù)趨勢逐漸下降，固化劑摻量為25%的在7 d前下降最明顯，然后緩慢下降；固化劑摻量為13%～22%的一直緩慢下降。所有擬合方程中，摻FB固化劑的擬合方程相關(guān)系數(shù)最高，摻PC固化劑的擬合方程相關(guān)系數(shù)次之，摻LM的最低，其在摻量為22%時擬合方程的相關(guān)系數(shù)僅為0.7971。

（2）固化劑摻量為16%～25%，F(xiàn)B固化淤泥的3 d含水率始終最低，僅在摻量為13%時最高，這可能是相比LM和PC，F(xiàn)B摻量低時早期生成的膠凝物質(zhì)較少，但FB固化淤泥的含水率在7 d時已迅速下降，低于摻PC的，并與摻LM的相差不大，到21 d時FB固化淤泥含水率更是已低于摻LM和PC的。所以，從含水率降低程度上分析，F(xiàn)B固化淤泥比LM或PC更有優(yōu)勢。

2.1.2 固化淤泥pH值的變化

分別摻 25%、22%、19%、16%、13%的 FB、PC、LM 固化劑后固化淤泥不同齡期pH值的變化見圖2。

圖2 摻FB、PC、LM固化劑后固化淤泥在不同齡期pH值的變化

由圖2可以得出：

（1）固化劑摻量為25%時，摻LM的固化淤泥pH值隨著齡期延長基本不變，維持在11.6以上，而摻FB和PC的固化淤泥pH值均呈現(xiàn)先增大后緩慢減小趨勢，并均在7 d出現(xiàn)最高值；21 d時，摻LM和PC的固化淤泥pH值分別為11.98、10.89，而摻FB的固化淤泥pH值為9.89。

（2）固化劑摻量為22%時，摻LM的固化淤泥pH值在7 d后隨著齡期延長而減小，摻FB和PC的固化淤泥pH值變化和摻25%相似，摻FB固化淤泥的pH值在7 d達到最大，而摻PC的固化淤泥pH值最大值則出現(xiàn)在14 d；21 d時，摻LM和摻PC的固化淤泥pH值分別為10.57、10.48，非常接近，而摻FB的固化淤泥pH值為9.31。

（3）固化劑摻量為19%時，摻LM和FB的固化淤泥pH值均隨著齡期延長而減小，21 d時摻LM固化淤泥的pH值已減小到10.69，摻FB的則減小到9.27，而摻PC的固化淤泥pH值變化波動，21 d時為11.45。

（5）固化劑摻量為13%時，摻LM的固化淤泥pH值隨著齡期延長呈現(xiàn)減小的趨勢，而摻PC和FB的固化淤泥pH值變化波動明顯；同一齡期固化淤泥pH值仍為LM最高、FB最低，21 d時摻LM、PC和FB固化淤泥的pH值分別為10.89、10.47和9.48。

從整體看，摻LM和摻PC固化淤泥的pH值較高，而摻FB固化淤泥的pH值最低，其固化淤泥環(huán)境污染風險相對較低。

2.1.3 固化淤泥無側(cè)限抗壓強度的變化

分別摻 25%、22%、19%、16%、13%的 FB、PC、LM 固化劑后固化淤泥不同齡期無側(cè)限抗壓強度的變化見圖3。

圖3 摻FB、PC、LM固化劑后固化淤泥在不同齡期無側(cè)限抗壓強度的變化

從圖3可知：固化劑摻量相同時，各齡期下固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度均為摻FB的最高，摻PC的次之，摻LM的最低。摻13%～25%LM的固化淤泥，其無側(cè)限抗壓強度隨齡期的延長增長緩慢，除摻量為25%時其21 d無側(cè)限抗壓強度達到1.65 MPa外，其它摻量均未超過1.5 MPa，并有波動現(xiàn)象；摻FB固化淤泥的抗壓強度則隨著齡期的延長迅速增長，尤其在14 d前增長迅速，高摻量時7 d抗壓強度增長更明顯；摻PC固化淤泥的抗壓強度也隨著齡期的延長而增長，但增幅明顯弱于摻FB的。

進一步分析可得：固化劑摻量為25%時，摻FB和摻PC的固化淤泥14 d無側(cè)限抗壓強度分別是摻LM的4.22、2.24倍；固化劑摻量為22%時，摻FB和摻PC的固化淤泥14 d無側(cè)限抗壓強度分別是摻LM的6.52、4.51倍；固化劑摻量為19%時，摻FB和摻PC的固化淤泥14 d無側(cè)限抗壓強度分別是摻LM的7.14、4.03倍；固化劑摻量為16%時，摻FB和摻PC的固化淤泥14 d無側(cè)限抗壓強度分別是摻LM的5.75、2.88倍；固化劑摻量為13%時，摻FB和摻PC的固化淤泥14 d無側(cè)限抗壓強度分別是摻LM的4.85、2.19倍。

2.2 固化淤泥的SEM分析

采用JSM-5610LV掃描電子顯微鏡，對原狀淤泥和摻19%FB、PC、LM固化淤泥的微觀形貌進行分析，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出：原狀淤泥呈現(xiàn)大團塊狀，摻固化劑后細化了淤泥顆粒，小的孔隙增多。摻FB的固化淤泥被絲狀、針狀、長片狀物質(zhì)所分割膠結(jié)，以0.5～5.0 μm顆粒居多，淤泥團聚體小，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定；而摻LM和摻PC固化淤泥仍存在直徑在10～15 μm的大塊顆粒，且大孔隙較多，膠結(jié)效果較差，這可能是摻FB固化淤泥無側(cè)限抗壓強度高于摻LM和摻PC的原因之一。

3 結(jié)論

（1）摻FB、LM和PC固化淤泥的含水率隨著齡期延長呈現(xiàn)冪函數(shù)下降趨勢，其中摻FB的固化淤泥擬合方程相關(guān)系數(shù)最高。從含水率降低程度上分析，F(xiàn)B固化淤泥比LM或PC更有優(yōu)勢。

（2）齡期相同時，摻LM和PC的固化淤泥pH值較高，摻而FB的固化淤泥pH值最低，其固化淤泥環(huán)境污染風險相對較低。

（3）相同摻量時，摻FB的固化淤泥各齡期無側(cè)限抗壓強度最高，摻PC的次之，摻LM的最低。摻FB的固化淤泥無側(cè)限抗壓強度則隨著齡期延長而迅速增長，尤其在14 d前增長迅速。

（4）原狀淤泥摻固化劑后，淤泥形態(tài)呈現(xiàn)不同程度細化現(xiàn)象，淤泥團聚體變小。相比摻LM和PC，摻FB的固化淤泥中碎片狀、絲狀淤泥形態(tài)多，淤泥被分割成更為細小的團聚體，大塊團聚體少，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，固化強度較高。

[1]Xing Haofeng，Xiong Feng，Zhou Feng.Improvement for the strength of salt-rich soft soil reinforced by cement[J].Marine Georesources&Geotechnology，2017，35（7）：1028-1032.

[2] Anggraini Vivi，Asadi Afshin，Huat Bujang BK，et al.Effects of coir fibers on tensile and compressive strength of lime treated soft soil[J].Measurement，2015，59：372-381.

[3]Cristelo Nuno，Glendinning Stephanie，F(xiàn)ernandes Lisete，et al.Effects of alkaline-activated fly ash and Portland cementon soft soil stabilisation[J].Acta Geotechnica，2013，8（4）：395-405.

[4]Edil TB，Acosta HA，Benson CH.Stabilizing soft fine-grained soils with fly ash[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2006，18（2）：283-294.

[5] 莊心善，王功勛，田苾.含工業(yè)廢料加固土的特性研究[J].土木工程學(xué)報，2005，38（8）：114-117.

[6] Ahmed A.Compressive strength and microstructure of soft clay soil stabilized with recycled bassanite[J].Applied Clay Science，2015，104：27-35.

[7] Ahmed A，Issa U H.Stability of soft clay soil stabilised with recycled gypsum in a wet environment[J].Soils and Foundations，2014，54（3）：405-416.

[8] 桂躍，余志華，張慶，等.固化磷石膏-疏浚淤泥混合土的工程性質(zhì)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2014，46（3）：147-153.

[9] De Rezende Lilian Ribeiro，Curado Tallyta da Silva，Silva Millena Vasconcelos，et al.Laboratory study of phosphogypsum，stabilizers，and tropical soil mixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2017，29（1）：04016188.

[10]Degirmenci N，Okucu A，Turabi A.Application of phosphogypsum in soil stabilization[J].Building and Environment.2007，42（9）：3393-3398.

[11] 袁聚云，景路，李陽，等.脫硫石膏土體增強劑用于深層攪拌樁的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2011，33（S1）：16-21.

[12]Yao Yan，Yang Dao-wu，Tong Hai-xia，et al.Modification of waste fluorgypsum and its applications as a cement retarder[J].Journal of Central South University of Technology，2011，18（5）：1402-1407.

[13]Singh M，Garg M.Activation of fluorogypsum for building materials[J].Journal of Scientific& Industrial Re search，2009，68（2）：130-134.