侵蝕環(huán)境中堿渣-礦渣固化淤泥的力學(xué)性質(zhì)

何 俊，栗志翔，石小康，王小琦

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

水泥土攪拌樁法[1]具有適用土質(zhì)廣、施工工期短和機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但在處理高含水率淤泥時(shí)為了提高強(qiáng)度需增加水泥摻量，工程成本高，且水泥等固化劑存在環(huán)境效益差、能源消耗高、固化時(shí)間長(zhǎng)等弊端[2]。解決以上問(wèn)題常用的方法主要有：(1)往水泥土中摻入高性能添加劑，如石膏、礦粉、水泥窯灰、粉煤灰和偏高嶺土等[3-5]。(2)利用礦渣等工業(yè)固體廢棄物代替水泥進(jìn)行軟土加固，如利用電石渣、MgO、堿渣等激發(fā)礦渣固化軟土[6-8]。(3)開(kāi)發(fā)其他攪拌樁代替水泥土攪拌樁，如利用活性MgO和CO2氣體作為聯(lián)合固化劑提出的碳化攪拌樁法[2]。

堿渣作為鹽化工產(chǎn)業(yè)氨堿法生產(chǎn)純堿過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，是一種強(qiáng)堿性材料，對(duì)礦渣具有堿激發(fā)作用，堿渣-礦渣可對(duì)軟土起到較好的固化效果[6]。為擴(kuò)展堿渣和礦渣等工業(yè)固體廢棄物的資源化利用途徑，探討堿渣-礦渣固化淤泥在復(fù)雜環(huán)境下耐久性，本文在已有和前期研究的基礎(chǔ)上，選取幾種代表性的侵蝕性溶液開(kāi)展浸泡模擬試驗(yàn)，研究堿渣-礦渣固化淤泥的表觀和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律，并結(jié)合微觀測(cè)試初步探討其機(jī)理，以期為擴(kuò)展工業(yè)固體廢棄物固化淤泥的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)土樣為國(guó)道319線漳州段流傳特大橋處海積軟土，呈流塑—軟塑狀，為欠固結(jié)土。土樣基本物理指標(biāo)如表1所示，屬高液限黏土。堿渣取自湖北雙環(huán)科技股份有限公司，礦渣取自中建三局商品混凝土公司。材料的化學(xué)成分見(jiàn)表2所示。淤泥中SiO2、Al2O3和 Fe2O3總量高達(dá)92.1%；堿渣中CaO含量高達(dá)66.5%，且SO3和Cl含量也較高，主要礦物成分為碳酸鈣和硫酸鈣等；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、碳酸鈣以及鎂鋁硅酸鈣等。淤泥、堿渣和礦渣的平均粒徑分別為0.026、0.145和0.018 mm，堿渣的平均粒徑大于淤泥和礦渣。

試驗(yàn)時(shí)，將淤泥105 ℃烘干后研磨過(guò)2 mm篩，與堿渣和礦渣混合均勻，其比例根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，選為干土﹕堿渣﹕礦渣的質(zhì)量比為100∶42.8∶11.4。根據(jù)淤泥天然含水率的范圍將其初始含水率設(shè)為80%，由干土質(zhì)量和初始含水率計(jì)算加入的水量，將自來(lái)水或溶液加入混合料中攪拌均勻后浸潤(rùn)24 h。其中，溶液選用30 g/L NaCl、15 g/L MgSO4和30 g/L NaCl +15 g/L MgSO4，自來(lái)水和溶液分別用N0+M0、N30+M0、N0+M15和N30+M15表示，用以模擬典型的海水環(huán)境[12]。采用分層擊實(shí)法制樣，將攪拌好的混合土分層裝入內(nèi)徑3.91 cm、高8.0 cm的鋼模中，分5層擊實(shí)，制樣過(guò)程中注意排出氣泡。在溫度為20±2 °C、濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d后脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d。養(yǎng)護(hù)后的試樣浸泡在自來(lái)水或溶液中，定期輕輕攪拌浸泡液，并測(cè)量試樣的尺寸和質(zhì)量，其中尺寸測(cè)量是選取上、中、下不同部位用游標(biāo)卡尺測(cè)量后取平均值。根據(jù)質(zhì)量和體積計(jì)算試樣密度。浸泡28 d或42 d后，采用YSH-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，變形速率為1.18 mm/min，每組試樣測(cè)定2個(gè)平行樣取平均值。將試驗(yàn)結(jié)束后的試樣取完整試塊，切成1 cm3左右，采用液氮凍干法干燥后選新鮮斷面進(jìn)行SEM觀測(cè)。

表1 試驗(yàn)所用淤泥基本物理指標(biāo)

表2 淤泥、堿渣和礦渣的主要化學(xué)組成(%)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試樣外觀及物理指標(biāo)變化

部分試樣外觀隨浸泡時(shí)間的變化如圖1所示?？梢钥闯觯谧詠?lái)水和NaCl溶液浸泡環(huán)境中，試樣的完整性好，表面基本沒(méi)有變化；而在MgSO4和混合溶液浸泡環(huán)境中，試樣外觀發(fā)生明顯變化，浸泡時(shí)間為7 d時(shí)試樣表面已開(kāi)始出現(xiàn)起皮現(xiàn)象，隨著浸泡時(shí)間的增加侵蝕程度逐漸加深，試樣表面的散落和破碎現(xiàn)象也更為顯著。相對(duì)而言，MgSO4溶液對(duì)試樣的侵蝕程度略大于混合溶液。

圖1 試樣外觀隨浸泡時(shí)間的變化

相對(duì)于28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后試樣的體積、質(zhì)量和密度與浸泡時(shí)間的關(guān)系如圖2所示，可以看出：

(1)隨著浸泡時(shí)間的增加，試樣相對(duì)體積減小，在自來(lái)水和NaCl溶液浸泡環(huán)境中體積減小幅度較小，浸泡42 d時(shí)平均體積減小為原體積的98%左右。

圖2 試樣體積、質(zhì)量和密度隨浸泡時(shí)間的變化

雖然在MgSO4和混合溶液浸泡環(huán)境中試樣表面出現(xiàn)侵蝕后不再是光滑圓柱體，體積測(cè)量有一定誤差，但整體規(guī)律性較強(qiáng)，即試樣體積隨浸泡時(shí)間的增加而大幅減小，尤其是在21 d及以后體積明顯減小，浸泡42 d時(shí)平均體積減小為原體積的93%左右。

(2)在自來(lái)水和NaCl溶液浸泡環(huán)境中，試樣質(zhì)量隨浸泡時(shí)間變化較??；在MgSO4和混合溶液浸泡環(huán)境中，試樣質(zhì)量隨浸泡時(shí)間的增加顯著減小，浸泡42 d時(shí)試樣平均質(zhì)量減小為原質(zhì)量的92%～93%。

(3)在自來(lái)水和NaCl溶液浸泡環(huán)境中，由于體積減小而質(zhì)量變化不大，導(dǎo)致試樣密度隨浸泡時(shí)間的增加而增大，浸泡42 d時(shí)試樣密度增加為原密度的102%左右；在MgSO4和混合溶液浸泡環(huán)境中，試樣密度變化規(guī)律性不強(qiáng)，且由于體積測(cè)量結(jié)果誤差造成密度的誤差相對(duì)較大，但在MgSO4溶液浸泡35 d和42 d時(shí)試樣平均密度減小為原密度的98.8%左右。

在自來(lái)水和NaCl溶液浸泡環(huán)境中，試樣外觀上是完整的，但試樣的體積減小，其可能原因在于有部分肉眼無(wú)法觀察到的物質(zhì)發(fā)生溶解[18]。同時(shí)，由于土樣初始含水率較大、孔隙比較大，有足夠的空間提供給膨脹性的水化產(chǎn)物發(fā)展(如鈣礬石，圖6)，在孔隙中起到填充和加筋作用，表現(xiàn)出試樣的體積沒(méi)有發(fā)生膨脹。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所得結(jié)果如圖3所示。其中，變形系數(shù)是表征材料變形特性的一個(gè)參數(shù)，定義為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上破壞應(yīng)變的一半所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的割線模量[2]。可以看出：(1)隨著浸泡時(shí)間的增加，在自來(lái)水浸泡環(huán)境中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所增大，其他3種浸泡環(huán)境中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化較??；與自來(lái)水和NaCl溶液相比，MgSO4和混合溶液浸泡時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較小。例如，當(dāng)浸泡時(shí)間為28 d時(shí)，前兩種浸泡環(huán)境下試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為1 970 kPa和2 356 kPa，而后兩種浸泡環(huán)境下試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為1 135 kPa和1 024 kPa，只有前兩種環(huán)境下強(qiáng)度的一半左右。(2)浸泡時(shí)間為28 d時(shí)破壞應(yīng)變?yōu)?.8～1.2%，浸泡時(shí)間為42 d時(shí)破壞應(yīng)變有所增大，為1.5～2%。(3)變形系數(shù)隨浸泡時(shí)間的增加而減小，表明試樣抵抗變形的能力有所降低；自來(lái)水和NaCl溶液浸泡環(huán)境下變形系數(shù)大于MgSO4和混合溶液浸泡環(huán)境，表明后兩種浸泡環(huán)境下抵抗變形的能力較差，其原因在于MgSO4和混合溶液對(duì)試樣的侵蝕作用較強(qiáng)，不僅試樣表面有嚴(yán)重的散落和破碎現(xiàn)象，試樣內(nèi)部也有微裂隙發(fā)展，使結(jié)構(gòu)變得疏松(圖6)。

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和變形系數(shù)隨浸泡時(shí)間的變化

試樣典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞照片如圖4和圖5所示，可以看出：

(1)試樣大都表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征，有明顯的應(yīng)力降；但在MgSO4溶液浸泡環(huán)境中試樣有塑性流動(dòng)特征，峰值后應(yīng)力降相對(duì)較小。

(2)試樣的破壞模式主要有剪切破壞和張裂破壞兩種，其中在自來(lái)水和NaCl溶液浸泡環(huán)境中多為剪切破壞模式(圖5a，圖5b)，在MgSO4和混合溶液浸泡環(huán)境中則以張裂破壞為主(圖5c，圖5d)，其原因在于試樣受到侵蝕的程度較大，試樣在產(chǎn)生剪切破壞之前由于試樣表面及內(nèi)部缺陷的存在而發(fā)生張裂破壞，而固化土的抗拉強(qiáng)度較低，因此表現(xiàn)出無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也較前兩種環(huán)境下有大幅減小。

圖4 試樣典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 試樣典型破壞模式

3 微觀結(jié)構(gòu)特征及討論

部分固化土的SEM照片如圖6所示，可以看出：

(1)在自來(lái)水和NaCl溶液環(huán)境中，固化土的顆粒以團(tuán)聚狀為主，針狀或纖維狀的鈣礬石晶體填充在孔隙中，起到膠結(jié)和加筋作用(圖6a，圖6d)。

(2)與圖6a相比，當(dāng)在自來(lái)水中的浸泡時(shí)間增加時(shí)，生成的鈣礬石和一些硅酸鹽水化物增多，膠結(jié)和加筋作用增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更顯致密(圖6b，圖6c)，因此固化土的強(qiáng)度比浸泡28 d時(shí)有所增加。

(3)當(dāng)在MgSO4及混合溶液中浸泡28 d時(shí)，試樣中有較多的鈣礬石附著于顆粒表面(圖6e，圖6g，圖6h)，片狀顆粒較多(圖6f，圖6h)，微觀上出現(xiàn)一些的裂縫(圖6e)，與圖6c相比土的結(jié)構(gòu)較為疏松，造成其強(qiáng)度和變形系數(shù)低于自來(lái)水和NaCl溶液環(huán)境中浸泡的試樣。固化土的微觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀力學(xué)性質(zhì)具有一致的規(guī)律。

圖6 固化土SEM照片

Ca(OH)2+Al2O3+CaSO4+H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·(30-32)H2O

(1)

由化學(xué)分子式可知，鈣礬石可將土中大量的自由水固定下來(lái)，在形成過(guò)程中固相體積增加120%左右，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[4,19]。軟土的高含水率和大孔隙比為膨脹性鈣礬石提供生成所需的空間。而且固化土中鈣礬石呈針狀或纖維狀(圖6)，其比表面積大，可起到較好的加筋作用，從而有效提高土的強(qiáng)度[20]。

在堿渣提供Cl-的情況下，可生成水化氯鋁酸鈣：

Ca(OH)2+Al2O3+Cl-+H2O→

3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O

(2)

水化氯鋁酸鈣能在固化土中起到填充孔隙作用[21]。而礦渣的火山灰反應(yīng)生成水化鋁酸鈣，能提高對(duì)Cl-結(jié)合能力，從而抵抗氯侵蝕[20-22]。因此，固化土在NaCl溶液中仍有較高的強(qiáng)度。

MgSO4+Ca(OH)2+H2O→

CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

(3)

C-S-H+MgSO4+H2O→

Mg(OH)2+ CaSO4·2H2O + H2SiO4

(4)

C-A-H+MgSO4+Ca(OH)2→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Mg(OH)2

(5)

固化土在MgSO4及混合溶液中浸泡的過(guò)程中，水化硅酸鈣等物質(zhì)的分解、膨脹性二水硫酸鈣和鈣礬石的生成，導(dǎo)致固化土出現(xiàn)微裂隙和疏松結(jié)構(gòu)，從而造成較嚴(yán)重的侵蝕。

4 結(jié)論

(1)在自來(lái)水和30 g/L的NaCl溶液浸泡情況下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的固化土表面完整性較好，試樣密度隨浸泡時(shí)間的增加而增大；在15 g/L的MgSO4溶液和混合溶液浸泡情況下，固化土表面受到明顯侵蝕，隨著浸泡時(shí)間的增加，侵蝕程度逐漸加深，試樣體積、質(zhì)量和密度呈減小趨勢(shì)。

(2)當(dāng)浸泡時(shí)間從28 d增至42 d時(shí)，自來(lái)水浸泡試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度略有增大，溶液浸泡試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本保持不變；浸泡導(dǎo)致試樣的延性增強(qiáng)，抵抗變形的能力減弱。

(3)在浸泡時(shí)間相同的條件下，自來(lái)水和NaCl溶液浸泡時(shí)固化土強(qiáng)度較高，試樣以剪切破壞模式為主；MgSO4和混合溶液浸泡時(shí)強(qiáng)度約為前兩種環(huán)境下的一半，變形系數(shù)也較小，試樣以張裂破壞模式為主。堿渣-礦渣固化淤泥抗NaCl侵蝕能力強(qiáng)，但抗MgSO4侵蝕能力較弱。

(4)固化土中生成的針狀或纖維狀的鈣礬石晶體及一些硅酸鹽水化產(chǎn)物，在孔隙中起到填充和加筋作用。在MgSO4和混合溶液環(huán)境中，土中形成微觀裂隙，結(jié)構(gòu)變得疏松，是導(dǎo)致堿渣-礦渣固化淤泥抗MgSO4侵蝕能力較弱的原因。