粉煤灰基復(fù)合材料固化泥漿力學(xué)特性試驗研究

許皇瑞,王 強,2,葛單單,吳劉燕

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院(蕪湖)，安徽 蕪湖 241003)

隨著城市化進程不斷加快，越來越多的高層建筑、高速道路、大型橋梁等土木工程建設(shè)得到快速發(fā)展，鉆孔灌注樁技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[1]。但施工過程中產(chǎn)生的廢棄泥漿、淤泥和渣土，相對稠度較大，一般呈黏稠流體或半流體狀態(tài)，難以自然沉淀分離，處理不當(dāng)會造成河道淤積、污染水源及土地[2]。目前，泥漿處理的研究主要集中在石油鉆井廢液、道路橋梁廢棄泥漿、河湖淤泥和活性污泥資源化等領(lǐng)域，處理方法有：土地耕作法、化學(xué)絮凝固液分離處理法[1]、機械脫水處理法、快速排水固結(jié)[3]、化學(xué)固化法等。采用化學(xué)固化技術(shù)可以降低泥漿和淤泥的含水率、提高強度，固化土可用于道路、堤防、地基填筑等各種填方用土[4]。石振明等[5]摻入10%的固化劑處理廈門某隧道的廢棄泥漿，28 d抗壓強度達1.5 MPa，是水泥固化泥漿的4倍。楊愛武等[6]對天津濱海新區(qū)吹填泥漿進行固化，發(fā)現(xiàn)其蠕變特征與結(jié)構(gòu)性軟黏土接近。目前最常用的固化劑為水泥[7-8]和石灰[9]，但水泥生產(chǎn)過程中存在高能耗、高污染問題以及石灰穩(wěn)定土溫縮性易引起道路基層開裂。

基于低碳經(jīng)濟的綠色發(fā)展理念，眾多學(xué)者致力于將電石渣、粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢料再生為固化材料的研究應(yīng)用。方春林[10]以水泥和粉煤灰等固化材料摻入工程廢棄泥漿，24 d的固化泥漿壓實度、CBR值滿足路床和路堤填料的要求。朱偉[11]以高爐礦渣微粉為主的綠色膠凝材料固化工程廢棄泥漿和渣土漿。Du等[12]采用電石渣穩(wěn)定軟質(zhì)公路路基土。Horpibulsuk等[13]以電石渣-粉煤灰提高泰國劣性粉質(zhì)黏土的強度，指出強度影響因素有含水量、固化劑摻量、CCR/FA比和固化時間。Phummiphan等[14]用粉煤灰為地質(zhì)聚合物的前體穩(wěn)定粒化高爐礦渣和磚紅土共混物，開發(fā)低碳路面基層材料。王東星等[15]認為活性MgO-粉煤灰可有效提高固化淤泥抗壓強度和抗凍融、抗干濕及水穩(wěn)性等耐久性能。吳俊等[16]采用“一步法”制備礦渣-粉煤灰基地質(zhì)聚合物固化淤泥質(zhì)黏土。

基于以廢治廢的思想，采用電石渣、粉煤灰、脫硫石膏3種工業(yè)廢料固化建筑廢棄泥漿，對建筑泥漿的固化效果和力學(xué)特性進行試驗研究，探討外摻電石渣和脫硫石膏對固化泥漿強度的影響及摻量范圍，分析不同電石渣摻量下應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律，揭示3種工業(yè)廢料固化泥漿的反應(yīng)機理，實現(xiàn)工業(yè)廢料和廢棄泥漿的資源化利用，以期獲得良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用鈉基膨潤土預(yù)配制鉆孔灌注樁泥漿，膨潤土含高純度的皂土和多種天然礦物質(zhì)，主要成分是蒙脫石，膨脹倍數(shù)高達30倍，成分見表1。配比為水膨潤土純堿=100120.22[17]，純堿主要成分為碳酸鈉，以調(diào)節(jié)泥漿pH和改善泥漿的稠度。然后在預(yù)制泥漿中按質(zhì)量比(土/預(yù)制泥漿)為0.6添加淮南本地基坑廢棄土配制廢棄泥漿。取土深度為2～5 m，素土經(jīng)烘干、碾碎、過2 mm土篩、密封備用。試驗用土最大干密度1.95 g/cm3，液限44.5%，塑限22.5%，塑性指數(shù)22，為低液限黏土。試驗用電石渣和粉煤灰購自河南省鄭州市。電石渣是乙炔氣廠的副產(chǎn)物，主要成分為Ca(OH)2，含一定水量的電石渣液呈強堿性。試驗用電石渣呈灰白色，密度為1.8 g/cm3，烘干、粉碎后過0.075 mm的標準篩。粉煤灰是電廠燃煤的副產(chǎn)物，含有大量SiO2，具有很高的火山灰活性。試驗用粉煤灰比表面積為430 m2/kg，密度為2.42 g/cm3，細度為11.5。脫硫石膏是排煙脫硫的產(chǎn)物，呈淺黃色，密度為2.34 g/cm3，主要成分為CaSO4·2H2O，烘干后過0.075 mm篩。各材料化學(xué)成分及含量見表1。

表1 試驗材料成分含量表 %

續(xù)表1

1.2 試驗方案與步驟

為研究電石渣和脫硫石膏的摻量對固化泥漿的力學(xué)特性的影響，粉煤灰摻量設(shè)定為12%(占廢棄泥漿總質(zhì)量的百分比)，然后分別加入不同摻量的電石渣和脫硫石膏，方案設(shè)計如表2。

表2 試驗方案設(shè)計

先把稱量好的配制泥漿和固化劑倒入攪拌機的容器內(nèi)，手動預(yù)拌后接通電源開動攪拌機，轉(zhuǎn)速為30 r/min，攪拌時間為3 min，取出漿料后分3層倒入50 mm×50 mm×50 mm的砂漿抗壓模具中，并置于混凝土振動臺上不斷振搗。漿料頂部抹平后用保鮮膜覆蓋，待試塊成型后進行脫模，放入養(yǎng)護室中養(yǎng)護，溫度設(shè)定為(20±3)℃，相對濕度設(shè)定為95%，分別養(yǎng)護至7 d、28 d后進行無側(cè)限抗壓強度測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 脫硫石膏摻量影響

圖1表示粉煤灰摻入比為12%、電石渣摻入比為14%時，不同脫硫石膏摻入比下7 d、28 d齡期無側(cè)限抗壓強度的變化?？梢钥闯?，固化泥漿的抗壓強度隨脫硫石膏摻量的增加先增大后減小。當(dāng)養(yǎng)護齡期為7 d，脫硫石膏摻量為0%、2%、4%、6%、8%、10%時試塊的無側(cè)限抗壓強度分別為0.14 MPa、0.23 MPa、0.43 MPa、0.41 MPa、0.33 MPa、0.28 MPa?？箟簭姸仍诿摿蚴鄵搅繛?%時達到最大值0.43 MPa，較未摻脫硫石膏增加了207%，較2%摻量增加了87%，但當(dāng)摻量超過4%時強度開始逐漸下降。養(yǎng)護齡期為28 d時，隨著摻量的增加強度分別為0.93 MPa、1.59 MPa、2.03 MPa、2.53 MPa、2.07 MPa、2.04 MPa。當(dāng)摻入6%脫硫石膏時抗壓強度達到最大值2.53 MPa，較未摻脫硫石膏增加了172%，較2%摻量增加了59%，較4%摻量增加了30%。同樣當(dāng)摻量超過6%時強度開始下降。結(jié)果表明，外摻脫硫石膏對泥漿強度有明顯的改善效果。

2.2 電石渣摻量影響

圖2表示粉煤灰摻量為12%、脫硫石膏摻量為4%時，不同電石渣摻量下7 d、28 d齡期的無側(cè)限抗壓強度的變化。當(dāng)養(yǎng)護齡期為7 d，電石渣摻量為6%～18%時，試塊的無側(cè)限抗壓強度與電石渣摻量近似呈線性增長關(guān)系。電石渣摻量為18%時強度達到最大值0.53 MPa，較6%的摻量增加了43%。繼續(xù)增加電石渣的摻量后強度明顯下降。當(dāng)養(yǎng)護齡期為28 d，電石渣摻量為6%、10%、14%、18%、22%、26%時強度分別為1.33 MPa、1.86 MPa、2.03 MPa、2.30 MPa、2.39 MPa、2.30 MPa。當(dāng)電石渣摻量由6%增至10%時，強度增加了40%，當(dāng)電石渣摻量由6%增至18%時，強度增加了73%，繼續(xù)增加電石渣摻量強度增加很小后開始下降。

圖1 無側(cè)限抗壓強度與脫硫石膏摻量的關(guān)系

圖2 無側(cè)限抗壓強度與電石渣摻量的關(guān)系

圖3 不同電石渣摻量應(yīng)力-應(yīng)變曲線(7 d)

圖4 不同電石渣摻量應(yīng)力-應(yīng)變曲線(28 d)

圖5 固化泥漿破壞應(yīng)變與抗壓強度的關(guān)系(28 d)

3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

圖3和圖4分別是固化泥漿在7 d、28 d養(yǎng)護齡期時不同電石渣摻量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線大致分為4個階段：①壓密階段，固化泥漿土顆粒間孔隙被壓密，應(yīng)變快速增長，應(yīng)力增加較慢；②彈性變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，彈性模量保持不變；③塑性上升階段，在強度達到峰值前應(yīng)變隨應(yīng)力的增加而明顯增大，不再保持彈性關(guān)系，試塊開始出現(xiàn)微小裂縫；④破壞階段，試塊裂縫變大，應(yīng)變增加，應(yīng)力不斷減小。

隨著電石渣摻量的增加峰值應(yīng)力先增加后減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性變形階段的斜率大致先增加后減小，即固化泥漿的變形模量隨著電石渣摻量的增加也先增大后減小。同時固化泥漿峰值應(yīng)力所對應(yīng)的破壞應(yīng)變大致隨峰值應(yīng)力的增大而減小，說明隨著峰值應(yīng)力的增加，試樣的塑性減小、脆性增加。

當(dāng)養(yǎng)護齡期為7 d時，峰值應(yīng)力所對應(yīng)的破壞應(yīng)變?yōu)?.3%～3.75%。其中，電石渣摻量為22%和26%時，即強度低于0.3 MPa時，試塊破壞后塑性變形較大，曲線緩慢下降。隨著應(yīng)變的增加，殘余強度降低幅度較小。當(dāng)養(yǎng)護齡期增加至28 d時，峰值應(yīng)力大幅增加，破壞應(yīng)變減小至2%～2.8%。應(yīng)力達到峰值后，應(yīng)變增加不大時應(yīng)力迅速減小，表現(xiàn)為脆性破壞。

破壞應(yīng)變是衡量材料變形特性的重要指標之一。破壞應(yīng)變大，則材料韌性較好，反之，材料則表現(xiàn)為脆性破壞[18]。脆性破壞造成的危害往往是突發(fā)的、嚴重的。圖5為固化泥漿在養(yǎng)護齡期為28 d時抗壓強度與破壞應(yīng)變的關(guān)系曲線，其關(guān)系為y=3.092x-0.434(y為破壞應(yīng)變，x為28 d的抗壓強度)，表明破壞應(yīng)變隨著抗壓強度增大呈減小的趨勢。28 d時破壞應(yīng)變都大于2%，表明固化泥漿具有較好的韌性。

4 固化機制分析

固化泥漿強度少部分來自粉煤灰的黏結(jié)吸附和填充作用：粉煤灰顆粒多為不規(guī)則的多孔形狀，還有些是球形，吸附土顆粒并填充孔隙，二者構(gòu)成了包裹物與膠結(jié)物。同時，電石渣的主要成分為Ca(OH)2，其Ca2+能夠置換黏土顆粒雙電層中的單價陽離子Na+、K+而進入吸附層，使雙電層中反離子價位升高，對顆粒表面離子吸引力加強，從而削弱雙電層的厚度，減少土顆粒間的排斥[19]，有利于將致密性不足的土顆粒凝結(jié)成團。

粉煤灰作為火山灰質(zhì)材料，僅靠自身不能提供足夠的固化強度，與電石渣間發(fā)生火山灰反應(yīng)是固化泥漿強度提高的主要原因。粉煤灰玻璃體的表面有一層致密的保護層薄膜，水化反應(yīng)初期只有少量可溶的Al2O3和SiO2與Ca(OH)2進行反應(yīng)。但是玻璃體的保護層與顆粒之間存在縫隙，含有K+、Na+、SiO32-以及AlO33-等，當(dāng)液相中OH-濃度不斷增高，使Si-O-Si和Si-O-Al發(fā)生解聚，破壞Si-O鍵，使Si和Al分離活化，并與之結(jié)合生成各種水化鋁硅酸鹽和水化硅酸鹽[20-21]。具有火山灰性質(zhì)的粉煤灰發(fā)生火山灰二次反應(yīng)，使得泥漿中的游離氫氧化鈣含量極大地降低，生成絮狀、網(wǎng)狀產(chǎn)物水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠和水化鋁酸鈣(C-A-H)凝膠，起到填充土顆粒中孔隙，包裹土顆粒的作用。這些水化產(chǎn)物相互連結(jié)形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，固化產(chǎn)物會變得更加密實。但當(dāng)電石渣摻量過多時，游離的氫氧化鈣無法使強度繼續(xù)增長，甚至?xí)斐蓮姸认陆礫13]。因此，當(dāng)養(yǎng)護齡期為7 d，電石渣摻量超過18%時固化泥漿強度逐漸下降。隨著固化時間的增加，固化體的強度后期逐漸增強，同樣當(dāng)電石渣摻量超過18%時強度幾乎不再隨電石渣摻量的增加而增加。

脫硫石膏作為火山灰反應(yīng)的硫酸鹽激發(fā)劑，使固化泥漿抗壓強度大幅增加。由于C-A-H強度較低，在有脫硫石膏存在時，可進一步反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣(簡稱鈣礬石AFt)，其化學(xué)反應(yīng)式為[18]：

3CaO·Al2O3·nH2O+3CaSO4·2H2O + (26-n)H2O → 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(1)

鈣礬石為一種針棒狀晶體，在形成過程中其固相體積增加120%左右，可以填充土顆粒間孔隙，使固化體空間結(jié)構(gòu)更加密實。但隨著脫硫石膏摻量的增加，過多的鈣礬石會破壞膠結(jié)體，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強度的降低。因此脫硫石膏的最優(yōu)摻量在養(yǎng)護齡期為7d、28d時分別為4%、6%。

5 結(jié)論

通過對不同脫硫石膏和不同電石渣摻入比共同作用下，粉煤灰基材料對建筑泥漿的固化效果和應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析，得出以下結(jié)論：

(1)電石渣-粉煤灰-脫硫石膏復(fù)合固化劑可有效增加廢棄建筑泥漿的強度，為廢棄泥漿和3種工業(yè)廢料的處理再利用提供一種新思路。當(dāng)摻入18%電石渣、12%粉煤灰、4%脫硫石膏時，其7 d抗壓強度可達到0.53 MPa，滿足固化類路面底基層路基填土的要求。

(2)單因素分析表明隨著電石渣或脫硫石膏摻量的增加，固化泥漿的強度分別都先增加后減小。脫硫石膏對固化泥漿強度有明顯增強效果。

(3)不同電石渣摻量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，大致分為壓密、彈性變形、塑性上升和破壞4個階段。隨著峰值應(yīng)力的增加，試樣的塑性減小、脆性增加。

(4)隨著電石渣摻量的增加，固化泥漿的峰值應(yīng)力先增加后減?。环逯祽?yīng)力對應(yīng)的破壞應(yīng)變?yōu)?%～3.75%，且大致隨峰值應(yīng)力的增加而降低。28 d時抗壓強度與破壞應(yīng)變的關(guān)系近似為y=3.092x-0.434，破壞應(yīng)變大于2%，表明固化泥漿具有較好的韌性。