水玻璃-堿渣-礦渣固化高含水率淤泥的強(qiáng)度性質(zhì)*

何 俊 石小康 栗志翔

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院 武漢 430068)

0 引 言

我國(guó)水利和水環(huán)境治理、城市建設(shè)等工程的大規(guī)模開展，產(chǎn)生大量疏浚淤泥急需處理處置。通常情況下，疏浚淤泥含水率高、強(qiáng)度低，并含有有機(jī)質(zhì)和一些污染物質(zhì)。

表 1 疏浚淤泥、堿渣和礦渣的主要化學(xué)組成(%)Table 1 Bulk chemistry of dredged silt， SR and GGBS(%)

常規(guī)處置方法如海洋傾倒和陸地拋填等不可避免地侵占大量土地資源，而且對(duì)周圍環(huán)境造成污染風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。在眾多處理利用技術(shù)中，固化技術(shù)由于其適用性強(qiáng)、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。利用固化劑與淤泥中水和土顆粒的反應(yīng)，可降低和轉(zhuǎn)化水分含量，增強(qiáng)顆粒間的聯(lián)結(jié)力，便于淤泥的運(yùn)輸和填埋，從而將疏浚淤泥轉(zhuǎn)化為填土工程、水利工程、道路工程的良好土工材料。目前對(duì)于高含水率淤泥的固化，常用的固化劑以水泥為主(湯怡新等， 2000; 朱偉等， 2005； 張春雷等， 2007； 王鵬等， 2015)，為獲得高強(qiáng)度固化淤泥，需要增加水泥的摻入比，造價(jià)較高； 為改善淤泥固化處理成本偏高問題，粉煤灰(Jongpradist et al.，2010)、磷石膏(桂躍等， 2014； Ahmed，2015)、廢石膏(丁建文等， 2012)等工業(yè)廢渣常被作為疏浚淤泥的輔助固化劑，這些廢渣有助于降低淤泥的含水率，并與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)形成新的產(chǎn)物，起到提高固化淤泥強(qiáng)度的作用； 在水泥系固化材料中加入快速吸收水分的高分子添加劑，可有效降低淤泥含水率并提高固化淤泥的強(qiáng)度(Bian et al.，2016)； 用粉煤灰和礦粉代替水泥來固化淤泥時(shí)，采用水玻璃等堿激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰和礦渣的活性，也取得了較好的效果(孫秀麗等， 2017)。

堿渣(Soda Residue， SR)是鹽化工產(chǎn)業(yè)氨堿法生產(chǎn)純堿過程中產(chǎn)生的堿性固體廢棄物，通常采用地表堆存的方式處置，容易造成土壤鹽漬化、空氣粉塵和地下水污染。堿渣資源化利用主要有用作填筑工程土(嚴(yán)馳等， 2007)、廢棄鹽腔回填材料(冀國(guó)棟等， 2015)、建筑材料(楊醫(yī)博等， 2017)等，但存在銹蝕鋼筋、回填材料結(jié)構(gòu)疏松等問題。在用作固化材料方面，以堿渣、礦渣、粉煤灰等為主要原材料，摻入脫硫石膏和激發(fā)劑制成新型無熟料堿渣固化劑，可用于固化淤泥質(zhì)土，摻量為20%的固化效果與10%的水泥固化土相當(dāng)(孫家瑛等， 2014)； 堿渣中活性組分可強(qiáng)化骨架效應(yīng)，提高改性土強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并降低重金屬浸出量(楊朝旭等， 2010)。但目前堿渣的應(yīng)用量遠(yuǎn)低于排出量，利用率較低。

本研究為擴(kuò)展堿渣的資源化利用途徑，以堿渣和礦渣(Ground granulated blastfurnace slag， GGBS)作為高含水率疏浚淤泥的固化劑，并選用水玻璃為激發(fā)劑，開展正交試驗(yàn)，探討不同齡期固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)合固化土物相分析，研究堿渣、礦渣和水玻璃對(duì)固化土強(qiáng)度的影響機(jī)制，以期達(dá)到將堿渣和疏浚淤泥兩種廢棄物轉(zhuǎn)化為良質(zhì)土資源的目的。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣為武漢巡司河疏浚淤泥，顏色為灰黑色，呈流塑狀態(tài)。土樣的液塑限分別為55.0和38.7%，為高液限黏土； 淤泥的主要化學(xué)成分和礦物成分分別見表 1和圖 1所示。可以發(fā)現(xiàn)，疏浚淤泥中SiO2、Al2O3和 Fe2O3總量高達(dá)88.6%，主要礦物成分為石英、高嶺石、白云母和伊利石等。

圖 1 試驗(yàn)材料的XRD圖譜Fig. 1 XRD diffractograms of raw materials1. 石英; 2. 高嶺石; 3. 白云母; 4. 伊利石; 5. 碳酸鈣; 6. 半水硫酸鈣; 7. 二水硫酸鈣; 8. 硅酸鈣

試驗(yàn)所用堿渣和礦渣分別取自湖北雙環(huán)科技股份有限公司和中建三局商品混凝土公司，其主要化學(xué)成分和礦物成分見表 1和圖 1?？梢园l(fā)現(xiàn)，堿渣中除CaO外，SO3和Cl含量也較高，主要礦物成分為碳酸鈣(CaCO3)和硫酸鈣(CaSO4)以及少量的氫氧化鈣(Ca(OH)2)等，在105℃烘干24h后堿渣中的二水硫酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨蛩徕}； 礦渣中CaO、MgO、SiO2和Al2O3總量高達(dá)95.3%，主要礦物成分為硅酸鈣(CaSiO3)和CaCO3等。試驗(yàn)所用硅酸鈉水玻璃為無色半透明黏稠狀液體，參考孫秀麗等(2017)研究成果，試驗(yàn)時(shí)將其模數(shù)調(diào)整為1.0后使用。

表 2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Orthogonal test scheme and results

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)初步試驗(yàn)確定固化劑摻量范圍，采用3因素3水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，套用L9(33)正交試驗(yàn)表，以3d、7d和28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為檢測(cè)指標(biāo)，正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見表 2所示，其中摻量為堿渣、礦渣和水玻璃各自的質(zhì)量與淤泥干質(zhì)量的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果選定較優(yōu)摻量，改變?cè)嚇映跏己侍接懞蕦?duì)固化土性質(zhì)的影響。

1.3 試驗(yàn)方法

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表 2中所示無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析見表 3所示?？梢钥闯?，試驗(yàn)中影響固化土3d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度因素的主次關(guān)系為堿渣>水玻璃>礦渣，而影響7d和28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度因素的主次關(guān)系變?yōu)樗Ａ?堿渣>礦渣。各齡期3個(gè)因素的優(yōu)水平組合均為A1B1C1，即現(xiàn)有固化劑水平下堿渣、礦渣和水玻璃的摻量越高，強(qiáng)度越大。

表 3 正交試驗(yàn)極差分析表Table 3 Orthogonal extreme difference analysis

k為各水平的平均值，R為極差

研究表明，固化材料對(duì)淤泥的固化作用可分為短期作用和長(zhǎng)期作用，前者包括吸水、絮凝和碳化等，后者主要是水化反應(yīng)(Ahmed， 2015)。正交試驗(yàn)中由于堿渣摻量較多，將其摻入淤泥能有效降低含水率，與淤泥及孔隙水反應(yīng)迅速； 且堿渣顆粒粒徑大于淤泥及礦渣，其骨架作用較明顯，因此3d時(shí)堿渣的影響最大。水玻璃在7d和28d時(shí)影響更明顯，表明水玻璃對(duì)礦渣的堿激發(fā)作用是需要一定時(shí)間的，孫秀麗等(2017)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

表 4 正交試驗(yàn)方差分析表Table 4 Orthogonal variance analysis

F0.10(2， 2)=9.00，F(xiàn)0.05(2， 2)=19.0正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果見表 4所示?？梢钥闯觯?3d時(shí)F值大小為FA>FC>FB，表明各因素對(duì)3d強(qiáng)度影響顯著性差異中堿渣影響最大，礦渣影響最小，均不顯著； 7d時(shí)F值大小為FC>FA>FB，水玻璃的影響超過了堿渣，但仍不顯著； 28d時(shí)F值大小仍為FC>FA>FB，水玻璃的F值為17.89，超出F0.10(2， 2)=9.00較多，影響顯著，而堿渣和礦渣的影響不顯著。

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期和固化劑摻量的影響

圖 2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及破壞應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化Fig. 2 Effect of curing time on unconfined compressive strength and failure straina. 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；b. 破壞應(yīng)變

固化淤泥試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和破壞應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化見圖 2所示?？梢钥闯觯核性嚇拥膹?qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。大部分試樣的破壞應(yīng)變表現(xiàn)出隨齡期的增加而減小。強(qiáng)度較高的試樣脆性較強(qiáng)，破壞應(yīng)變也較小，且隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化不明顯。例如強(qiáng)度最大的序號(hào)(1)試樣破壞應(yīng)變最小，為1.25%～1.5%； 強(qiáng)度第二的序號(hào)(6)試樣破壞應(yīng)變也較小，為2%～2.5%。強(qiáng)度較低的試樣破壞應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小的趨勢(shì)較為顯著，例如序號(hào)(9)和序號(hào)(7)等試樣。序號(hào)(3)和序號(hào)(5)試樣養(yǎng)護(hù)28d時(shí)破壞應(yīng)變低于養(yǎng)護(hù)3d和7d時(shí)的破壞應(yīng)變，但可能由于試驗(yàn)誤差等原因，從3d到7d時(shí)破壞應(yīng)變有所增大。張春雷等(2007)在研究疏浚淤泥固化筑堤的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究中指出， 28d強(qiáng)度200kPa以上、破壞應(yīng)變?cè)?.8%以下的固化土可以滿足一般填土工程的要求。因此，序號(hào)(1)、(2)、(4)和(6)的試樣可滿足一般填土工程的要求，其優(yōu)劣順序?yàn)?1)>(6)>(2)>(4)。

通過各試樣強(qiáng)度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水玻璃摻量一定而堿渣和礦渣總摻量相同時(shí)，堿渣對(duì)固化淤泥的作用強(qiáng)于礦渣。例如，對(duì)于序號(hào)(3)、(5)和(7)試樣，水玻璃摻量都為5%，堿渣和礦渣總摻量均為40%(3種試樣中堿渣和礦渣摻量分別為30%、10%， 25%、15%和20%、20%)，強(qiáng)度大小為(3)>(5)>(7)，且強(qiáng)度較低(均低于100kPa)； 對(duì)于序號(hào)(2)和(4)試樣，水玻璃摻量都為10%，堿渣和礦渣的總摻量均為45%(堿渣和礦渣摻量序號(hào)(2)試樣為30%和15%，序號(hào)(4)試樣為25%和20%)，各齡期下強(qiáng)度均為(2)>(4)； 對(duì)于序號(hào)(6)和(8)試樣，其中水玻璃摻量都為15%，堿渣和礦渣的總摻量都為35%(堿渣和礦渣摻量序號(hào)(6)試樣為25%和10%，序號(hào)(8)試樣為20%和15%)，各齡期下強(qiáng)度(6)>(8)。烘干堿渣中含有的半水硫酸鈣具有膠凝性，在高含水率淤泥中吸水后轉(zhuǎn)變?yōu)槎蛩徕}，其具有很好的提高強(qiáng)度的作用，是造成這種現(xiàn)象的原因之一。

部分試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖 3所示，其中序號(hào)(9)、(2)和(1)試樣分別對(duì)應(yīng)于強(qiáng)度的最低、中等和最高值。可以看出：對(duì)于固化劑摻量較少的試樣(如序號(hào)(9))，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，破壞應(yīng)變很大，應(yīng)力降很小，表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性破壞特征； 當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期增加時(shí)，應(yīng)變軟化現(xiàn)象變得顯著。對(duì)于固化劑摻量較大的試樣(如序號(hào)(2)和序號(hào)(1)試樣)，3個(gè)齡期下應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征，其中序號(hào)(1)試樣應(yīng)變軟化和脆性破壞特征更明顯。

圖 3 部分試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Stress-strain curves for some samplesa. 序號(hào)(9)試樣；b. 序號(hào)(2)試樣；c. 序號(hào)(1)試樣

圖 4 含水率對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響Fig. 4 Effect of water content on stress-stain curvesa. 3d；b. 7d；c. 28d

圖 5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及破壞應(yīng)變與含水率的關(guān)系Fig. 5 Effect of water content on unconfined compressive strength and failure straina. 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；b. 破壞應(yīng)變

2.3 含水率的影響

由于序號(hào)(2)試樣堿渣摻量較高且滿足一般填土的要求，從提高堿渣利用率的角度考慮，選擇序號(hào)(2)所對(duì)應(yīng)的摻量，改變淤泥初始含水率進(jìn)行試驗(yàn)，所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖 4和圖 5?？梢钥闯觯蕦?duì)固化淤泥的力學(xué)性質(zhì)影響顯著。當(dāng)含水率越低、養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)時(shí)，試樣的強(qiáng)度越高，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越顯著。當(dāng)含水率從110%降低到90%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，但增大幅度較??； 當(dāng)含水率從90%降低到70%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅增加。破壞應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減??； 3d時(shí)破壞應(yīng)變隨含水率的變化規(guī)律性不強(qiáng)，但7d和28d時(shí)破壞應(yīng)變隨含水率的減小而減小。

含水率對(duì)固化土性質(zhì)的影響，可從以下3個(gè)方面來分析：(1)初始含水率為110%、90%和70%的土樣的液性指數(shù)分別為4.4、3.1和1.9，都處于流塑狀態(tài)。加入固化劑和激發(fā)劑后，混合土樣的含水率分別降為77.4%、64.5%和51.6%。當(dāng)不考慮土樣液塑限的變化時(shí)，初始含水率為70%土樣混合后液性指數(shù)降為0.8，處于可塑狀態(tài)，其他兩種含水率的土樣仍處于流塑狀態(tài)，故土樣強(qiáng)度差別較大。(2)固化劑與土顆粒及水之間將發(fā)生水化反應(yīng)生成水化產(chǎn)物(圖 6)，將進(jìn)一步降低含水率。由于固化劑和激發(fā)劑的摻量是相對(duì)于干土的質(zhì)量，在摻量相同和水量充足的情況下，生成水化產(chǎn)物的總量是相同的，反應(yīng)所需水量也是相同的。初始含水率為70%土樣固化后，存在于水化產(chǎn)物中的水相對(duì)于總水量所占比例較高，孔隙水比例較低，強(qiáng)度自然較高。(3)水化反應(yīng)形成的水化產(chǎn)物起到增強(qiáng)土顆粒之間的膠結(jié)和填充孔隙作用。初始含水率低的土樣中水化產(chǎn)物在單位體積固化土中的量較多，強(qiáng)度也就能得到顯著提高。

圖 6 固化土XRD圖譜Fig. 6 XRD diffractograms of stabilized soils1：石英; 3：白云母; 4：伊利石; 5：碳酸鈣; ◇：水化氯鋁酸鈣; #：鈣礬石; *：水鈣沸石; ▼：水化硅酸鈣

3 礦物成分分析及討論

選擇強(qiáng)度最低、中等和最高值的3種試樣(分別對(duì)應(yīng)序號(hào)(9)、序號(hào)(2)和序號(hào)(1))，進(jìn)行XRD測(cè)試所得結(jié)果見圖 6所示?？梢钥闯?，固化劑和養(yǎng)護(hù)齡期變化對(duì)礦物成分有一定影響。與原材料XRD圖譜相比，礦渣中CaSiO3和堿渣中CaSO4峰消失，淤泥中高嶺石、伊利石等黏土礦物峰減弱，表明這些物質(zhì)發(fā)生了反應(yīng)； 與序號(hào)(9)養(yǎng)護(hù)3d試樣相比，其他固化土中石英的峰減弱，表明這些試樣中有更多的活性SiO2參與反應(yīng)； 序號(hào)(9)養(yǎng)護(hù)3d和序號(hào)(2)養(yǎng)護(hù)3d試樣中水化氯鋁酸鈣(Fs)和鈣礬石(Aft)的峰不明顯，而序號(hào)(1)試樣中Fs和Aft的峰明顯，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加峰值也增加，表明有更多的Fs和Aft生成。另外，在固化淤泥中檢測(cè)到水鈣沸石、水化硅酸鈣(C-S-H)、水鋁鈣石等物質(zhì)，其中序號(hào)(9)養(yǎng)護(hù)3d時(shí)水鈣沸石峰值最高，而其他試樣峰值較小。

礦渣水化反應(yīng)形成及堿渣中的Ca(OH)2，與堿渣中氯鹽和硫酸鹽形成Fs和Aft：

Ca(OH)2+Al2O3+Cl-+H2O →

Ca(OH)2+Al2O3+CaSO4+H2O→

Fs能在固化土中起到填充孔隙作用(Talero et al.，2011)。而由Aft化學(xué)分子式可知，它可將土中大量的自由水以結(jié)合水的形式固定下來，且在形成過程中固相體積增加120%左右(黃新等， 1998)，從而有效降低軟土含水率，填充于孔隙中，使結(jié)構(gòu)更加致密。

除了具有激發(fā)作用外，水玻璃本身與反應(yīng)劑、堿土金屬鹽(包括淤泥中存在的和堿渣及礦渣所提供的)等發(fā)生化學(xué)作用，生成C-S-H(呂擎峰等， 2016)，在高含水率淤泥固化中起到顯著地提高強(qiáng)度的作用，因此在正交試驗(yàn)中水玻璃在7d和28d時(shí)對(duì)強(qiáng)度的影響較大。

淤泥中活性SiO2和Al2O3與Ca(OH)2反應(yīng)還可生成水鈣沸石(段曉牧等， 2014)：

隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，硅和鋁不斷溶出，堿性環(huán)境逐漸改變，部分水鈣沸石開始逐步分解，其中的Ca2+與新溶出的Si4+和Al3+發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步生成C-S-H(段曉牧等， 2014)，這是導(dǎo)致試樣(9)中水鈣沸石峰值較高而其他試樣中較低的原因。

4 結(jié) 論

(1)在正交試驗(yàn)中，堿渣、礦渣和水玻璃的摻量越多固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，影響固化土3d強(qiáng)度的因素主次關(guān)系為堿渣>水玻璃>礦渣，而7d和28d時(shí)變?yōu)樗Ａ?堿渣>礦渣，水玻璃對(duì)28d強(qiáng)度的影響顯著。

(2)隨著齡期的增加，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大、破壞應(yīng)變減小。根據(jù)一般填土28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和破壞應(yīng)變的要求，確定了滿足條件的4種固化方案。當(dāng)水玻璃摻量一定而堿渣與礦渣總摻量相同時(shí)，由于堿渣摻量較多且半水硫酸鈣吸水轉(zhuǎn)變?yōu)槎蛩徕}等作用，導(dǎo)致堿渣對(duì)固化淤泥的作用強(qiáng)于礦渣。

(3)含水率對(duì)固化淤泥的力學(xué)性質(zhì)影響顯著。含水率越低，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越顯著； 當(dāng)含水率從110%降低至90%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所增加，而從90%降低至70%時(shí)強(qiáng)度大幅增加。

(4)淤泥中的活性SiO2和高嶺石、伊利石等黏土礦物、堿渣中Ca(OH)2和CaSO4，礦渣中的CaSiO3等參與水化反應(yīng)，吸收了大量的水分，生成了鈣礬石、水化氯鋁酸鈣、水鈣沸石等物質(zhì)。水玻璃與堿渣對(duì)礦渣的激發(fā)、水玻璃與堿土金屬鹽等的反應(yīng)、水鈣沸石的分解等作用，可生成水化硅酸鈣等膠結(jié)物質(zhì)。水化產(chǎn)物的填充和膠結(jié)作用提高了淤泥的強(qiáng)度。