硫酸鹽含量對(duì)全固廢材料固化鹽漬土抗壓強(qiáng)度的影響

宮經(jīng)偉，王 亮，慈 軍，付英杰，林浩然

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

1 研究背景

受內(nèi)陸干旱氣候的影響，鹽漬土在新疆分布廣泛，且以硫酸鹽漬土為主，鹽漬土中易溶鹽含量多為0.3%～5.0%。硫酸鹽漬土作為工程填料時(shí)，受溫度和含水量的變化，極易發(fā)生鹽凍漲、溶險(xiǎn)和翻漿等工程問題[1]?，F(xiàn)行改良鹽漬土的方法多以水泥、石灰、粉煤灰等膠凝材料按一定比例組成固化劑固化鹽漬土。但受水文和地質(zhì)條件的影響，區(qū)域之間土壤中硫酸鹽含量有較大的差異。深入開展硫酸鹽含量對(duì)固化鹽漬土力學(xué)性能的影響研究，是固化改良鹽漬土所亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

目前，眾多學(xué)者針對(duì)含鹽量對(duì)固化鹽漬土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了一定的研究，楊曉明[2]分析了3種離子(Mg2+、Cl-、SO42-)含量對(duì)水泥固化土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果顯示SO42-含量對(duì)水泥固化土抗壓強(qiáng)度影響最為顯著。儲(chǔ)誠(chéng)富等[3]、呂擎峰等[4]分別研究了硫酸鹽含量對(duì)水泥固化土、石灰粉煤灰固化土抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著硫酸鹽含量的增加，固化鹽漬土的抗壓強(qiáng)度均先增加后降低，抗壓強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)硫酸鹽含量分別為3.5%和1.8%。Lv等[5]研究了硫酸鹽含量對(duì)水玻璃與石灰粉煤灰復(fù)合固化鹽漬土抗壓強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明當(dāng)硫酸鹽含量超過1.8%時(shí)，水玻璃與石灰粉煤灰復(fù)合固化鹽漬土的抗壓強(qiáng)度會(huì)顯著降低。

上述研究為固化鹽漬土的工程應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。然而，上述學(xué)者使用的固化材料多為水泥和石灰等高能耗產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品，探索全固廢組成的綠色鹽漬土固化材料是一種新方向。另一方面，以往的研究多是從宏觀角度分析含鹽量對(duì)固化土力學(xué)性能的影響，而對(duì)固化硫酸鹽漬土的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物及其數(shù)量的分析有待進(jìn)一步研究。

為此，選取電石渣、粉煤灰和礦渣組成一種全固廢膠凝材料，用來固化不同硫酸鹽含量(0.3%～2.7%)的鹽漬土，對(duì)固化鹽漬土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并結(jié)合掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)、X射線衍射(XRD)和熱重分析等微觀測(cè)試結(jié)果，從固化鹽漬土的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物及其數(shù)量等角度分析硫酸鹽含量對(duì)固化鹽漬土力學(xué)性能演化的影響。研究成果不僅使工業(yè)廢渣得到合理利用，還對(duì)不同硫酸鹽漬土地區(qū)應(yīng)用全固廢材料固化鹽漬土提供了理論依據(jù),對(duì)環(huán)境保護(hù)也有積極貢獻(xiàn)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

土樣為新疆昌吉市周邊粒徑<2 mm的黃土(非鹽漬土)，在土樣中摻加無水硫酸鈉粉末(純度為99%)配制不同硫酸鹽含量的鹽漬土。土樣的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，土樣的基本物理指標(biāo)如表1所示。

圖1 土樣顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of soil sample

表1 土樣的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of soil samples

全固廢材料由電石渣、粉煤灰和礦渣按一定比例混合而成。電石渣選用新疆天山水泥有限公司用于生產(chǎn)水泥的電石渣;粉煤灰選用瑪納斯電場(chǎng)生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰;礦渣選用新疆寶鑫盛源有限公司生產(chǎn)的S75級(jí)礦渣。試驗(yàn)材料化學(xué)組成如表2所示。

表2 試驗(yàn)材料化學(xué)組成Table 2 Chemical compositions of test material

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

固化鹽漬土擊實(shí)試驗(yàn)參照規(guī)程[6]進(jìn)行，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)儀器選用STDJ-3型數(shù)顯多功能電動(dòng)擊實(shí)儀，測(cè)試不同試驗(yàn)組固化鹽漬土的最優(yōu)含水率和最大干密度。

2.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水率和最大干密度制作固化鹽漬土抗壓強(qiáng)度試件(試件為圓柱體，尺寸為Φ50 mm×50 mm)，試件成型后靜置3 h后脫模，將脫模后的試件裝到密封袋中并置于標(biāo)養(yǎng)室中養(yǎng)護(hù)28 d(養(yǎng)護(hù)條件為溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度≥95%)。用RGM-4300型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)養(yǎng)護(hù)到28 d齡期的試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組試件不得少于6個(gè)，同一組試驗(yàn)的變異系數(shù)Cv≤6%，控制軸向變形速度為1 mm/min。

2.2.3 SEM-EDS分析

采用Quanta FEG 250型電子掃描顯微鏡觀察固化鹽漬土的微觀形貌并對(duì)水化產(chǎn)物進(jìn)行EDS分析。所測(cè)試樣為無側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后試件的中心樣，將試樣取出后放在60 ℃環(huán)境下風(fēng)干12 h，然后用鍍膜機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行噴金鍍膜處理，將處理好的試樣放置到測(cè)試臺(tái)上測(cè)試。

2.2.4 XRD分析

采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Xpert Pro MPD型X射線衍射儀對(duì)固化鹽漬土的物相組成進(jìn)行分析，掃描角度為10°～80°，掃描速度為4°/min。

2.2.5 TG-DTA測(cè)試

采用梅特勒-托利多TGA/DSC型熱重及熱分析儀對(duì)固化鹽漬土試件進(jìn)行分析，測(cè)試溫度為25～ 800 ℃，升溫速率為10 K/min。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案

本地區(qū)硫酸鹽漬土中易溶鹽含量多在0.3%～3%之間，為便于分析本地區(qū)硫酸鹽含量對(duì)全固廢膠凝材料固化鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，按照本地區(qū)易容鹽含量的分布選擇硫酸鹽含量在0.3%～2.7%。根據(jù)以往的研究成果[7-8]，全固廢膠凝材料中電石渣的摻量選為4%，火山灰質(zhì)材料(由粉煤灰和礦渣組成)摻量為24%，在火山灰質(zhì)材料摻量不變的情況下分別改變粉煤灰和礦渣的摻量，用以研究不同硫酸鹽含量條件下全固廢膠凝材料固化鹽漬土的固化效果，并分析硫酸鹽含量對(duì)固化鹽漬土微觀形貌的影響，試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 全固廢材料固化鹽漬土試驗(yàn)方案Table 3 Test scheme for solidified saline soil with all-solid waste materials

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 硫酸鹽含量對(duì)擊實(shí)性能的影響

圖2(a)為不同硫酸鹽含量對(duì)A3組試驗(yàn)方案擊實(shí)參數(shù)的影響，圖2(b)為硫酸鹽含量為1.8%，不同膠凝材料摻量對(duì)固化土擊實(shí)參數(shù)的影響。

由圖2(a)可知，隨著硫酸鹽含量的增加，固化鹽漬土的最優(yōu)含水率隨之增大，最大干密度隨之減小。這是因?yàn)樵诹蛩猁}漬土中，溶于水中的鈉離子會(huì)與土壤吸著水中原有的陽離子發(fā)生交換作用，鈉離子水化后離子半徑擴(kuò)大為原來的2.5倍，鈉離子的強(qiáng)烈水化，致使其擴(kuò)散層厚度增加，擴(kuò)散層厚度增加意味著含水率增大。隨著擴(kuò)散層厚度的增加，促使土壤顆粒發(fā)生分散，而顆粒分散會(huì)導(dǎo)致在相同擊實(shí)功下土樣不易被壓實(shí)，造成最大干密度的降低。由圖2(b)可知，隨著膠凝材料中礦渣摻量的增加，固化鹽漬土最大干密度度隨之減小，這是由于礦渣顆粒呈不規(guī)則形狀，無法如粉煤灰顆粒一樣起到集料的堆積作用。

圖2 硫酸鹽含量和膠凝材料摻量對(duì)固化鹽漬土擊實(shí)性能的影響Fig.2 Influences of sulfate content and cementitious material content on compaction performance of solidified saline soil

3.2 硫酸鹽含量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖3為不同膠凝材料摻量條件下硫酸鹽含量對(duì)固化鹽漬土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。由圖3(a)可知，硫酸鹽含量在0.3%～2.7%時(shí)，不同膠凝材料摻量條件下固化鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨硫酸鹽含量的變化規(guī)律基本一致，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均先增大后減小，抗壓強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的硫酸鹽含量為1.8%；由圖3(b)可知，當(dāng)硫酸鹽含量恒定時(shí)，隨著礦渣摻量的增多，固化鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)硫酸鹽含量較高時(shí)(為1.8%)，礦渣摻量低于12%時(shí)，礦渣摻量每增加6%，固化鹽漬土抗壓強(qiáng)度平均增加1.16倍。當(dāng)?shù)V渣摻量高于12%時(shí)，礦渣摻量每增加6%，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均增加1.03倍，強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于平緩。由此可知，當(dāng)硫酸鹽含量高于1.8%時(shí)，可以通過適當(dāng)增加礦渣摻量來提升固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以此解決高硫酸鹽含量對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低的影響。

圖3 硫酸鹽含量和膠凝材料摻量對(duì)固化土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Influences of sulfate content and cementitious material content on unconfined compressive strength of solidified soil at 28-d age

3.3 SEM-EDS分析微觀形貌分析

為了分析不同硫酸鹽含量對(duì)全固廢材料固化鹽漬土微觀形貌的影響，以電石渣摻量為4%、粉煤灰摻量為12%和礦渣摻量為12%的全固廢材料固化土為例，對(duì)硫酸鹽含量為0.3%、1.8%、2.7%的28 d固化鹽漬土試件進(jìn)行了SEM電鏡掃描分析，并對(duì)火山灰產(chǎn)物進(jìn)行EDS圖譜分析，固化鹽漬土SEM圖像和EDS圖譜如圖4所示。

圖4 固化鹽漬土SEM圖像和EDS圖譜Fig.4 SEM image and EDS spectrum of solidified saline soil

由圖4可知，當(dāng)硫酸鹽含量在0.3%～1.8%時(shí)，隨著硫酸鹽含量的增加，固化鹽漬土孔隙內(nèi)火山灰反應(yīng)產(chǎn)物逐漸增多。這是因?yàn)殡S著硫酸鹽含量的增加，電石渣提供的Ca(OH)2與Na2SO4反應(yīng)生成NaOH，增強(qiáng)了體系的堿性環(huán)境，加速了全固廢材料中火山灰質(zhì)材料的火山灰應(yīng)速度，增加了火山灰反應(yīng)產(chǎn)物含量[9-11]，致使試件的大孔徑孔隙和孔隙總體積逐漸減少。因此，當(dāng)硫酸鹽含量低于1.8%時(shí)，隨著含鹽量的增加，火山灰反應(yīng)產(chǎn)物含量增加，固化土抗壓強(qiáng)度增大。但當(dāng)硫酸鹽含量高于1.8%時(shí)，固化鹽漬土部分孔隙被火山灰反應(yīng)產(chǎn)物完全填充并發(fā)生脹裂，產(chǎn)生了由孔隙向外延伸的裂縫。因此當(dāng)硫酸鹽含量為1.8%～2.7%時(shí)，固化土抗壓強(qiáng)度隨硫酸鹽含量的增加而減小，這與賈夢(mèng)雪[12]的研究結(jié)果相一致。

對(duì)圖4(b)中孔隙中針棒狀產(chǎn)物(區(qū)域1)和粉煤灰球體表面的絮凝狀產(chǎn)物(區(qū)域2)進(jìn)行EDS能譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4(d)和表4所示?；鹕交曳磻?yīng)產(chǎn)物種類可以通過相應(yīng)元素質(zhì)量比來確定。

表4 區(qū)域1和區(qū)域2的能譜分析結(jié)果Table 4 Energy spectra analysis results of area 1 and area 2

由表4可知，火山灰反應(yīng)產(chǎn)物的元素組成以Ca、Si、Al、S、O等為主，其中Si元素含量較多，說明火山灰反應(yīng)產(chǎn)物中有C-S-H凝膠存在[13]，計(jì)算其它火山灰反應(yīng)產(chǎn)物元素質(zhì)量比時(shí)應(yīng)剔除C-S-H凝膠帶來的影響。由水泥和混凝土化學(xué)[14]可知，C-S-H凝膠的n(Ca)/n(Si)(物質(zhì)的量之比)大多在0.8～1.3之間，假設(shè)所有Si元素均生成n(Ca)/n(Si)=1.2的C-S-H凝膠，將C-S-H凝膠的Si元素與Ca元素含量從元素組成中除去，并計(jì)算剩余元素Al、S、Ca、O質(zhì)量比，結(jié)果如表5所示。

表5 區(qū)域1和區(qū)域2的元素質(zhì)量比Table 5 Mass ratios of different elements at zone 1 and zone 2

如果火山灰反應(yīng)產(chǎn)物是3CaO·Al2O3·3CaSO4·32 H2O，則其Al、S、Ca、O元素質(zhì)量比為1∶1.79∶4.44∶14.81，如果火山灰反應(yīng)產(chǎn)物是3CaO·Al2O3· CaSO4·32H2O，則其Al、S、Ca、O元素質(zhì)量比為1∶0.59∶2.96∶12.44。由表5的各元素質(zhì)量比可知，區(qū)域1和區(qū)域2與3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O的元素質(zhì)量比較接近，與3CaO·Al2O3·CaSO4·32H2O的元素質(zhì)量比相差較大。由此可以得知區(qū)域1和區(qū)域2的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物為C-S-H凝膠和AFt。

3.4 XRD分析

圖5為4%電石渣、12%粉煤灰和12%礦渣固化不同硫酸鹽含量鹽漬土28 d齡期的XRD圖譜。由圖5可知，固化鹽漬土的主要晶相為石英、方解石、鈉長(zhǎng)石、Ca(OH)2和AFt。在衍射角25°～35°范圍內(nèi)出現(xiàn)了隆起的小峰，說明有C-S-H凝膠生成[9]。對(duì)比不同硫酸鹽含量固化土AFt衍射峰可知，AFt的衍射峰值隨含鹽量的增加而增大，這是由于硫酸鈉水解為Na+和SO42-離子，與體系中電石渣提供的Ca(OH)2水解的Ca2+共同作用，并與粉煤灰和礦渣提供的活性Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成AFt，隨著硫酸鹽含量的增加，Na+和SO42-離子濃度隨之增大，使反應(yīng)向著AFt生成的方向進(jìn)行，增加了AFt的生成量。由于AFt具有一定的膨脹性，可以填充固化土內(nèi)在的孔隙，使固化土密實(shí)度提高，因此隨著硫酸鹽含量的增加，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增長(zhǎng)，這一研究結(jié)果與邱軼兵等[15]的研究結(jié)果相同。

圖5 固化不同硫酸鹽含量鹽漬土的XRD譜Fig.5 XRD spectra of solidified saline soil with varied sulfate contents

3.5 TG-DTA分析

與XRD圖譜分析相比，熱重分析-差熱分析(TG-DTA)可以測(cè)出全固廢材料固化鹽漬土的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物增量，并分析不同硫酸鹽含量對(duì)火山灰反應(yīng)產(chǎn)物生成量的影響。圖6為4%電石渣、12%粉煤灰和12%礦渣固化不同硫酸鹽含量鹽漬土28 d的TG-DTA曲線。

圖6 固化鹽漬土28 d的TG-DTA曲線Fig.6 TG-DTA curves of solidified saline soil at 28-d age

由圖6可知，水化反應(yīng)28 d時(shí)的固化鹽漬土試件，有3個(gè)吸熱峰，分別位于90 ℃、430 ℃、700 ℃附近，其中位于90 ℃附近的波峰為AFt和C-S-H脫水的吸熱峰[16]。由于C-S-H是不定型非晶體產(chǎn)物，試件加熱時(shí)，C-S-H受熱會(huì)丟失多個(gè)結(jié)合水，難以用水分質(zhì)量損失定量分析AFt和C-S-H在固化土試件中的含量，因此，AFt和C-S-H含量用50～200 ℃的TG質(zhì)量損失來表征。硫酸鹽含量為0.3%、1.8%、2.7%的固化土試件內(nèi)AFt和C-S-H的含量分別為3.33%、3.53%、3.64%，由此可知，固化鹽漬土試件中AFt和C-S-H的含量隨著硫酸鹽含量的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與XRD衍射結(jié)果相同。

在430 ℃附近的吸熱峰為Ca(OH)2分解吸熱所致[17]，700 ℃附近的放熱峰為CaCO3分解所致[18]。Ca(OH)2含量的計(jì)算可通過400～500 ℃范圍內(nèi)TG曲線質(zhì)量損失獲得。在該溫度范圍內(nèi)，Ca(OH)2受熱分解為CaO和H2O，即74 g的Ca(OH)2受熱會(huì)失去18 g的H2O[19]。硫酸鹽含量為0.3%、1.8%和2.7%的固化鹽漬土試件內(nèi)Ca(OH)2的含量分別為3.95%、3.54%和3.08%，TG曲線總失重分別為11.03%、11.16%和11.40%。由此可知當(dāng)硫酸鹽含量為0.3%～2.7%時(shí)，隨著含鹽量的增加，固化土試件內(nèi)的Ca(OH)2含量隨之減少，固化土試件中火山灰反應(yīng)產(chǎn)物的含量不斷增加。

綜上分析可知，在全固廢膠凝材料固化不同硫酸鹽含量漬土體系中，硫酸鈉水解后形成SO42-和Na+，增強(qiáng)了體系的堿性環(huán)境，促進(jìn)了全固廢膠凝體系的火山灰反應(yīng)，促使火山灰反應(yīng)產(chǎn)物大量生成。當(dāng)硫酸鹽含量為0.3%～1.8%時(shí)，隨著硫酸鹽含量的增加，孔隙被大量火山灰產(chǎn)物填充，使得固化鹽漬土試件抗壓強(qiáng)度提升，但當(dāng)硫酸鹽含量為1.8%～2.7%時(shí)，過多的火山灰產(chǎn)物將孔隙填滿且發(fā)生脹裂現(xiàn)象，致使固化鹽漬土抗壓強(qiáng)度降低。由此可知，一定量的硫酸鹽含量有助于固化土抗壓強(qiáng)度的提升。

4 結(jié) 論

(1)在全固廢材料固化鹽漬土體系中，硫酸鹽含量的變化，對(duì)固化鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大的影響，當(dāng)硫酸鹽含量在0.3%～2.7%范圍內(nèi)，固化鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著硫酸鹽含量的增加呈先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)硫酸鹽含量為1.8%時(shí)，固化鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有最大值。

(2)由微觀試驗(yàn)分析可知，全固廢膠凝材料固化硫酸鹽漬土的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠和AFt，硫酸鹽含量從0.3%增加至1.8%時(shí)，火山灰產(chǎn)物含量增長(zhǎng)6%，試件內(nèi)部孔隙被火山灰反應(yīng)產(chǎn)物填充，致使固化土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)。當(dāng)硫酸鹽含量從1.8%增加至2.7%時(shí)，火山灰反應(yīng)產(chǎn)物增長(zhǎng)3.3%，固化鹽漬土試件的孔隙被膨脹性AFt完全填充并發(fā)生脹裂現(xiàn)象，使得固化土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，這是固化鹽漬土抗壓強(qiáng)度隨硫酸鹽含量增加先增大后減小的主要原因。