淤泥質土固化與強度特性試驗研究

楊小玲 胡湛波 涂曉杰

摘 要：為了實現(xiàn)淤泥質土的大規(guī)模有效固化，解決水泥土早期強度低、淤泥質土易造成環(huán)境污染等問題，將水泥作為主固化劑，粉煤灰、聚羧酸高效減水劑（減水劑）、鋁酸鈣和鈣基膨潤土（膨潤土）作為外摻劑固化淤泥質土。通過無側限抗壓強度、pH值、含水率以及電導率試驗，探究固化土的特性變化規(guī)律，確定復合固化劑的最佳配比。結果表明，水泥、粉煤灰、減水劑、鋁酸鈣和膨潤土摻量為22%（質量分數(shù)，下同）、5%、0.20%、2%、6%時，固化土固化效果達到最優(yōu)。微觀結構表明，復合固化劑的摻入有利于強度高、難溶、具有膨脹性的礦物晶體以及膠凝物質的生成，使得固化土的結構更加緊密、強度提高。

關鍵詞：淤泥質土;水泥;無側限抗壓強度;復合固化劑;微觀結構

中圖分類號：X705 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.007

Abstract：In order to achieve large-scale and effective solidification of silt soil and solve the problems of early low strength of cement soil and easy environmental pollution caused by silty soil， cement was used as the main curing agent， fly ash， polycarboxylic acid efficient water reducing agent （water reducing agent）， calcium aluminate and calcium based bentonite （bentonite） as the external mixing agent to solidify the silt soil. Through unconfined compression strength， pH， moisture content and conductivity test， the characteristic change law of solidified soil was investigated， and the optimal ratio of compound curing agent was determined. The results show that when the content of cement， fly ash， water reducing agent， calcium aluminate and bentonite is 22%， 5%， 0.20%， 2% and 6%， the solidifying effect of solidified soil is optimal. The microstructure indicates that the addition of compound curing agent facilitates the generation of mineral crystals with high strength， insoluble， dilatancy and gelation， which makes the structure of solidified soil closer and increases the strength of solidified soil.

Key words： silty soil; cement; unconfined compression strength; composite curing agent; microstructure

淤泥及淤泥質土通常是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積并含有有機質的細粒土。河道、湖泊中淤泥的大量積累，不僅影響正常河道功能，而且加劇了水質的惡化。由于其具有含水率大、強度低、可壓縮性高、富含污染物等特點，因此難以直接在工程中被利用，如將淤泥作為填土材料，會造成地面沉降并腐蝕金屬材料等[1-2]。為了解決上述問題，實現(xiàn)淤泥的資源化、無害化利用，淤泥固化穩(wěn)定化技術被廣泛應用[3]。

目前，在淤泥固化穩(wěn)定化技術的研究中，大多采用單一硅酸鹽類水泥作為固化淤泥的添加劑，使固化后的淤泥能廣泛應用于軟土地基處理[4]。由于水泥固化土存在早期強度不足以及后期變形等問題，同時水泥的生產過程中會產生大量的CO2，加劇溫室效應，因此研究人員試圖以復合添加劑如粉煤灰、石灰、硅粉等代替部分水泥來改善固化土的性質[5-13]，但仍然不能滿足某些工程對其強度、滲透性等的要求。在廢料資源化利用方面，利用粉煤灰、磷石膏堿渣、電爐渣及鋼渣粉等廢料作為固化劑，不僅可以滿足軟土地基應用，而且還能有效縮短淤泥固化時間[14-16]。由于這些廢料難以大量獲得且成本較高，而且工業(yè)廢渣中含有較多有害物質，容易對周邊環(huán)境造成二次污染，因此選擇易獲得、成本低、不產生二次污染、效果好的添加劑對于固化淤泥能否在實際工程中大量應用顯得十分關鍵。

為了解決以上問題，以淤泥質土為研究對象，選定了幾種固化材料，通過室內試驗，得出不同齡期及不同摻量下各固化材料對固化土固化特性的影響規(guī)律，并通過正交試驗得出5種材料的最佳配比。最后通過掃描電鏡試驗分析固化土的微觀結構特性，為尋找適合在實際工程中大量應用的復合固化材料提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥質土天然含水率為62.08%，密度為1 530 kg/m3，有機質含量為20～30 mg/kg，中性土。用Mastersizer 3000超高速智能粒度分析儀測定淤泥質土粒徑組成，如圖1所示，顆粒大小主要集中在1～100 μm，淤泥由黏粒、粉粒和細砂組成。試驗用水泥（#32.5硅酸鹽水泥）、粉煤灰和膨潤土的主要成分見表1，減水劑主要成分及性質見表2，鋁酸鈣主要是二鋁酸鈣和一鋁酸鈣的混合物，水為普通的自來水。

1.2 試樣制備

按配比稱量材料并進行混合，將混合后的試樣裝入無側限抗壓強度試模中擊實，制成直徑50 mm、高50 mm的試塊。試樣放入試模24 h后脫模，將脫模后的試樣放入溫度25 ℃、濕度90%的標準養(yǎng)護箱內養(yǎng)護至齡期，其中每一個齡期和每一個摻量配制3個平行樣。

1.3 試驗設備與方法

采用無側限抗壓試驗機（YSH-2）進行無側限抗壓強度測試;取試樣中間部分放入鋁盒，用電熱恒溫鼓風干燥箱（XMTD-8222）烘干試樣然后測定相對含水率;稱取10 g過2 mm篩的風干試樣，根據(jù)《固體廢物 浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》（HJ 557—2010）中的浸出毒性浸出方法，加入50 mL去離子水，振蕩8 h，靜置16 h，取上清液離心10 min，使用梅特勒多參數(shù)測試儀測定pH值與電導率，pH值的精度為0.001，電導率的精度為0.1 μs/cm。

2 試驗方案與結果分析

2.1 單摻與雙摻試驗方案

將淤泥質土含水率（含水量/濕淤泥質土質量）40%，水泥摻量（水泥質量/水泥與濕淤泥質土質量之和）10%，水灰比（加水量/固化材料質量）0.5作為基準配比，加入0%、10%、20%和30%的水泥進行單摻試驗。在基準配比的基礎上，加入不同摻量的粉煤灰、鋁酸鈣、減水劑和膨潤土進行雙摻試驗，摻入量見表3，得出5種材料進行正交試驗的最佳摻量范圍。

2.2 水泥單摻試驗

水泥與淤泥中的水發(fā)生水解和水化反應，生成Ca（OH）2、水泥桿菌、水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣等物質，隨著水化反應的繼續(xù)，發(fā)生硬凝反應和團粒化作用等，持續(xù)增加固化土的強度。不同水泥摻量固化土特性變化如圖2所示。由圖2（a）可知，隨著水泥摻量以及養(yǎng)護齡期的增加，固化土的無側限抗壓強度增大;水泥摻量在20%和30%之間的固化土強度增幅較大，當水泥摻量超過30%時，固化土強度增長緩慢;在7 d養(yǎng)護齡期下，30%水泥摻量的固化土強度較20%水泥摻量的增加了133.89%，40%水泥摻量的固化土強度較30%水泥摻量的僅增加了14.23%。

由圖2（b）可知，隨著齡期的增加，固化土的pH值呈下降趨勢;隨著水泥摻量的增加，固化土的pH值升高，這說明水泥與水發(fā)生硬凝反應，水泥在水化反應過程中會生成氫氧根離子，使得pH值上升。

由圖2（c）可知，隨著水泥摻量的增加固化土的電導率呈上升趨勢，而隨著固化天數(shù)的增加電導率逐漸下降，固化土中的可溶性鹽類物質隨齡期增加而減少。

由圖2（d）可知，水泥固化土養(yǎng)護早期含水率迅速下降，中期下降速度變緩，后期基本維持不變;隨著水泥摻量的增加，早期固化土含水率下降速率增大，7 d之后，下降速率隨水泥摻量的增加而降低;當水泥摻量增加至30%時，固化土含水率隨齡期變化基本一致，這說明固化前期水泥與淤泥發(fā)生水化反應，大量消耗了水分，之后水化反應停止，而水泥具有一定的保水能力。

2.3 水泥加外加劑雙摻試驗

2.3.1 水泥加粉煤灰固化試驗

粉煤灰中的SiO2及Al2O3等物質與水泥水化反應生成的Ca（OH）2反應生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等，使得固化土的抗壓強度增大。不同粉煤灰摻量固化土特性變化如圖3所示。由圖3（a）可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，固化土的無側限抗壓強度先增加后降低，這是因為當粉煤灰摻量超過一定量時，水泥水化反應生成的Ca（OH）2不足以與粉煤灰反應，多余的粉煤灰會使固化土的結構變得松散，從而使固化土強度降低，粉煤灰的最佳摻量于5%～15%之間。

由圖3（b）可知，隨著齡期的增加，固化土的pH值呈下降趨勢。隨著粉煤灰摻量的增加，固化土的pH值隨之降低，這說明粉煤灰與水泥在水化反應過程中生成的氫氧根離子反應，隨著粉煤灰摻量的增加，氫氧根離子被消耗完，固化土的pH值下降。

由圖3（c）可知，固化土的電導率隨著固化天數(shù)的增加而下降。由圖3（d）可知，固化土的含水率在14 d養(yǎng)護齡期前呈直線下降，之后趨于平緩。隨著粉煤灰摻量的增加，7 d固化天數(shù)之前固化土的含水率下降速率也增大，說明粉煤灰吸水性能較好。

2.3.2 水泥加減水劑固化試驗

減水劑具有分散作用，可以增大水泥在水化期間的反應面積，使水泥水化反應更加充分，提高固化土的早期和后期強度，在淤泥質土與固化材料混合期間提高其流動性，使其更容易攪拌混勻。不同減水劑摻量下固化土特性變化如圖4所示。由圖4（a）可知，隨著減水劑摻量的增加，固化土的無側限抗壓強度先增大后降低，于0.1%處達到峰值，隨著養(yǎng)護齡期的增加，固化土的強度增大，減水劑的最佳摻量在0.1%～0.2%之間。由圖4（b）可知，隨著齡期的增加，固化土的pH值呈下降趨勢。由圖4（c）和（d）可知，固化土的電導率與含水率在14 d養(yǎng)護齡期前呈直線下降，之后隨著齡期增加趨于平緩。

2.3.3 水泥加鋁酸鈣固化試驗

鋁酸鈣具有一定的活性，一般作為凈水材料。不同鋁酸鈣摻量固化土特性變化如圖5所示。由圖5（a）可知，加入鋁酸鈣在一定程度上也可以增強固化土的強度，7 d養(yǎng)護齡期時，只添加1%的鋁酸鈣固化土強度達到707 kPa，較基準強度提高了71.80%。隨著養(yǎng)護齡期的增大，固化土的強度增大。由圖5（b）可知，隨著齡期的增加，固化土的pH值呈下降趨勢，不同摻量固化土的pH值差別不大。由圖5（c）可知，固化土的電導率隨著固化天數(shù)的增加而下降并趨于平緩。由圖5（d）可知，固化土的含水率在14 d養(yǎng)護齡期前呈直線下降，之后趨于平緩。

2.3.4 水泥加膨潤土固化試驗

膨潤土具有較大的有效孔容以及較強的吸附能力和容量，熱穩(wěn)定性較好，對于淤泥中的污染物等具有較好的吸附作用。膨潤土具有較強的吸濕性，吸水后體積膨脹填充孔隙，與水化硅酸鈣一起構成空間結構，使得固化土強度增大。不同膨潤土摻量下固化土特性變化如圖6所示。由圖6（a）可知，固化土強度于膨潤土摻量為4%時達到峰值，在7 d養(yǎng)護齡期下，4%膨潤土摻量的固化土強度為723 kPa，較基準強度提高了75.54%。隨著養(yǎng)護齡期的增大，固化土的強度也增大，膨潤土的最佳摻量在2%～8%之間。由圖6（b）、（c）可知，隨著齡期的增加，固化土的pH值和電導率都呈直線下降，14 d之后下降趨勢趨于平緩。由圖6（d）可知，14 d固化齡期前添加膨潤土的固化土的含水率下降速率較無添加的快，說明固化過程中膨潤土與固化土中的水發(fā)生反應，消耗了固化土中的水分。