復合固化劑固化河道淤泥力學性能研究及微觀分析

李廣金，向舟海，李豐江，高鴻，亞洲，操子明，張國柱

（1.中建四局第三建設有限公司，貴州 遵義 563000；2.東南大學 巖土工程研究所，江蘇 南京 211189）

0 前言

河道淤泥是一種天然含水量大于液限、天然孔隙比≥1.5的黏性土[1]。其主要由細粒土組成，富含有機質(zhì)并含有部分污染物，具有含水率高、壓縮性大、承載力低、滲透性差等特點，因此河道淤泥若在工程中應用必須經(jīng)過固化處理。目前，常用的河道淤泥固化方法有物理固化、化學固化和微生物固化等[2-4]。研究發(fā)現(xiàn)[5-6]，對淤泥進行固化處理后，可以使得淤泥的巖土特性得到顯著改善，包括密度、最佳含水率、流動狀態(tài)、無側限抗壓強度和耐久性等。目前，隨著河道水質(zhì)和航道疏浚的不斷改善，河道疏浚工作也在大規(guī)模開展，導致大量淤泥堆積。同時，隨著城市化進程加快，對污水處理設施建設和污泥處置水平要求的不斷提高，計劃到2030年，消除城市建成區(qū)的黑臭水。這對污泥的固化處理提出了更高的要求，需要更專業(yè)、更細致的研究。

以往對淤泥固化改性的研究發(fā)現(xiàn)，不同固化劑處理污泥的機理和變化規(guī)律不同。何俊等[7]通過無側限抗壓強度試驗及X射線衍射試驗研究了水玻璃、堿渣和礦渣固化河道淤泥的機理，結果表明，養(yǎng)護齡期較短時，堿渣含量對強度的影響較為明顯，而隨著齡期的延長，水玻璃對試件強度增長的影響變大。Lang等[8]研究了水泥和鋼渣粉混合固化的淤泥強度變化特征及其微觀機理，結果表明，水泥固化淤泥的無側限抗壓強度隨著鋼渣粉摻量的增加呈先提高后降低的趨勢；當鋼渣粉摻量為5%～10%時，固化淤泥的無側限強度提高最顯著；對于含腐殖酸的固化淤泥，采用15%～20%鋼渣粉作為水泥固化劑的外加劑是最好的選擇。談云志等[9]對長齡期養(yǎng)護的試件（60、80、120 d）進行無側限抗壓強度測試，結果表明，淤泥中有機質(zhì)分解產(chǎn)生的腐殖酸會溶蝕固化淤泥中生成的凝膠物質(zhì)，導致使其強度降低。加入偏高嶺土可以提高水泥-石灰固化淤泥的耐久性，且使得固化淤泥不易受腐殖酸的侵蝕，進而提高固化淤泥的長期強度。Wang等[10]以水泥、粉煤灰及短聚丙烯纖維作為淤泥的固化劑，養(yǎng)護28 d后進行無側限抗壓強度測試，結果表明，固化劑的摻入可提高固化淤泥的剛度和脆性，但粉煤灰含量過高會抑制固化淤泥強度的發(fā)展，最佳纖維含量為0.1%。

考慮到成本效益、環(huán)境保護和廢物利用，本研究分別采用水泥-粉煤灰、水泥-高爐礦粉作為固化劑固化淤泥，研究固化劑種類及摻量，以及養(yǎng)護齡期對固化淤泥無側限抗壓強度的影響，并對固化淤泥的微觀結構進行分析，揭示水泥-粉煤灰及水泥-高爐礦粉對淤泥的固化機理。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）淤泥：取自貴州省遵義市蝦子河治理工程蝦子河干流（黑塘子水庫下游與湘江匯流處），原狀土表層呈黃褐色，內(nèi)層黑色，有明顯的汽油味，有機質(zhì)含量豐富。原狀淤泥的初始含水率為35.2%，但由于淤泥長期堆積在江邊，在長期堆積和運送到實驗室過程中蒸發(fā)了大量的水分。因此，淤泥樣品的初始含水率略低于天然含水率。淤泥的基本物理性能見表1。

（2）水泥：P·O42.5，貴州遵義某水泥廠產(chǎn)，比表面積381 m2/kg，3、28 d抗壓強度分別為26.1、54.1 MPa，3、28 d抗折強度分別為5.4、8.3MPa，初、終凝時間分別為150、210min。

（3）粉煤灰：貴州遵義某電廠，F(xiàn)類Ⅰ級，主要化學成分見表2。

（4）高爐礦粉：貴州遵義某鋼鐵廠，主要化學成分見表2，其中CaO含量達到37.20%，遠高于試驗用粉煤灰。

表2 試驗用粉煤灰和礦粉的主要化學成分 %

1.2 試驗方法

試樣制備前，將淤泥用錘子壓碎，切成小塊，置于陽光下風干曝曬48 h，然后粉碎，過2 mm篩，去除其中的大顆粒雜質(zhì)。在干燥狀態(tài)下，按照表3的設計比例將不同種類、不同配比的固化劑與淤泥粉末混合。

表3 固化淤泥的配比

為了模擬河道淤泥在天然狀態(tài)下的固化情況，將其含水率調(diào)整為40%，將各試樣所需的蒸餾水用噴壺均勻噴灑在淤泥與固化劑的混合物上，并通過自動混合器再次混合，充分攪拌，為保證淤泥和固化劑完全混合，攪拌時間定為5min。當所有攪拌工序完成后，適當采取養(yǎng)護措施，以保持水分平衡，再將混合物放入模具制樣。無側限抗壓強度試件尺寸為φ50 mm×100 mm，在模具中壓實至少5層，脫模后在標準養(yǎng)護室中分別養(yǎng)護至1、7、28d。此外，將另一組試樣標準養(yǎng)護7 d后放置在室溫[（25±2）℃]去離子水中24 h，作為對照組。之后測試每個試樣的無側限抗壓強度，取標準養(yǎng)護1、7、28 d以及對照組試樣的內(nèi)部碎塊在105℃烘箱中烘干，取5 mm左右、斷面平整不受擾動的方形試塊進行SEM試驗。

固化淤泥的無側限抗壓強度采用南京同科技術有限公司深（淺）平板載荷試驗荷載-位移傳感器進行測試，軸向變形速率為1 mm/min，每組3個試件，取平均值。

采用FEI公司的場發(fā)射掃描電鏡（QUANTA FEG650）觀察固化淤泥的微觀結構，SEM土樣均保存在干燥機中進行干燥處理。然后將掃描電鏡土壤樣品經(jīng)濺射鍍金后置于掃描電鏡下觀察，防止因電荷積聚使得表面產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

2 試驗結果與分析

測試不同固化劑種類及摻量的固化淤泥無側限抗壓強度，并利用強度差、強度比以及強度增長率評價齡期對固化淤泥無側限抗壓強度的影響。強度差（ΔUCSm-n）和強度增長率（UCSgr（m-n））的定義如式（1）和式（2）所示：

式中：ΔUCSm-n——養(yǎng)護齡期m天與n天的強度差，kPa；

UCSm、UCSn——養(yǎng)護齡期為m天、n天時試件的無側限抗壓強度，kPa。

不同固化劑種類及摻量對固化淤泥無側限抗壓強度、強度差及強度增長率的影響如表4所示。

表4 不同固化劑種類及摻量對固化淤泥無側限抗壓強度、強度差及強度增長率的影響

2.1 不同齡期時無側限抗壓強度的變化

由表4可見：

（1）采用2種復合固化劑固化的淤泥無側限抗壓強度均隨齡期的延長而提高。

（2）采用15%水泥+10%粉煤灰固化淤泥（2#試樣），1 d無側限抗壓強度僅為137.6kPa，而7、28 d無側限抗壓強度已經(jīng)分別達到了428.0、1024.2 kPa，強度差ΔUCS7-1和ΔUCS28-7分別為290.4、596.2 kPa。采用15%水泥+30%高爐礦粉固化淤泥（10#試樣），ΔUCS7-1和ΔUCS28-7分別為438.2、1824.2 kPa。這主要是由于水泥、粉煤灰以及高爐礦粉不斷進行水化反應，生成了許多膠凝物質(zhì)，隨著齡期的延長，水化產(chǎn)物不斷增多，對淤泥中的土顆粒起到了良好的粘結作用，并且水化產(chǎn)物也適當填補了固化淤泥中的孔隙，從而提高了固化淤泥的無側限抗壓強度。

（3）采用粉煤灰的固化淤泥1～7d的強度增長率要高于7～28 d的強度增長率。這主要是由于固化淤泥養(yǎng)護的早期強度來源主要為水泥的水化作用，而粉煤灰的水化作用以及火山灰作用在早期并不能得到充分發(fā)揮，這致使粉煤灰對于固化淤泥的早期強度增長并不明顯，這也印證了激發(fā)劑濃度增大，會降低粉煤灰固化的工作性能，但有利于固化物強度提高的結論[11]。

2.2 固化劑種類對固化淤泥強度的影響

由表4可見，當養(yǎng)護齡期較短時，水泥和粉煤灰的協(xié)同作用相較于水泥和高爐礦粉更強，可使得固化淤泥的早期強度增長較快；但隨著齡期逐漸延長，采用水泥-高爐礦粉的固化淤泥強度提高更顯著，逐漸遠超水泥-粉煤灰固化淤泥。

1 d齡期時，相同固化劑摻量下，水泥-粉煤灰固化淤泥的無側限抗壓強度均高于水泥-高爐礦粉固化淤泥。固化劑摻量分別為5%、10%、15%、20%、30%時，水泥-粉煤灰固化淤泥的無側限抗壓強度分別為水泥-高爐礦粉固化淤泥的1.06、1.35、1.35、1.04、1.03倍。

7 d齡期時，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側限抗壓強度已經(jīng)超過了同等摻入比例的水泥-粉煤灰固化淤泥，如固化劑摻量為5%時，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側限抗壓強度6 d內(nèi)提高了366.9 kPa，而水泥-粉煤灰固化淤泥提高了265.0 kPa，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側限抗壓強度增幅更大，強度更高。

28 d齡期時，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側限抗壓強度要遠高于水泥-粉煤灰固化淤泥。固化劑摻量分別為5%、10%、15%、20%、30%時，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側限抗壓強度分別為水泥-粉煤灰固化淤泥的1.46、2.07、2.00、1.91、1.78倍。這主要是由于高爐礦粉中的Al2O3、CaO和MgO含量較粉煤灰中的多，齡期足夠長時，體系內(nèi)的水化反應充分發(fā)生，所以水泥-高爐礦粉固化淤泥中的膠凝物質(zhì)含量更多，使得土體的粘聚力更強、孔隙更少、更加密實，從而使得長期齡期下的無側限抗壓強度更高。

2.3 固化劑摻量對固化淤泥強度的影響

由表4可見：

（1）當水泥摻量不變時，隨粉煤灰摻量的增加，固化淤泥的無側限抗壓強度不斷提高。對于養(yǎng)護齡期1 d和7d的固化淤泥，無側限抗壓強度雖有提高，但變化幅度不大，而對于養(yǎng)護齡期28 d的固化淤泥，當粉煤灰摻量為5%時，其無側限抗壓強度為749.0 kPa，隨著粉煤灰摻量逐步增加至10%、15%、20%、30%，試樣的無側限抗壓強度分別提高了36.7%、41.5%、55.1%、82.3%。這表明粉煤灰摻量的增加對于固化淤泥的無側限抗壓強度提升具有顯著的促進作用。采用水泥、粉煤灰等無機膠凝材料對淤泥進行固化時，其主要發(fā)生的是膠凝材料的水化反應，膠凝材料生成的水化產(chǎn)物可以對土壤顆粒起到膠結作用，并且填補原始淤泥中的部分孔隙，從而提高了強度，當粉煤灰摻量為10%～15%時，水化反應的程度基本相同，所以生成的水化產(chǎn)物數(shù)量以及對應固化土的無側限抗壓強度也基本相同。當粉煤灰摻量增加至20%～30%時，水化反應又會進一步發(fā)生，水化產(chǎn)物生成量增加，使土顆粒之間的粘結作用更強，從而提高強度。

（2）采用水泥-高爐礦粉對淤泥進行固化，隨著高爐礦粉摻量的增加，固化淤泥的無側限抗壓強度不斷提高，28 d齡期時，摻30%高爐礦粉的固化淤泥無側限抗壓強度較摻5%高爐礦粉的固化淤泥提高了1.23倍。

2.4 固化淤泥的水穩(wěn)定性

摻入固化劑后，標準養(yǎng)護7 d浸水24 h的淤泥試樣形態(tài)如圖1所示。

由圖1可見，摻入固化劑后，標準養(yǎng)護7 d的固化淤泥完全浸水24 h后形態(tài)沒有任何破損，表面并未觀察到氣泡產(chǎn)生、明顯的破壞崩解現(xiàn)象[12]，以及文中所提的崩解破壞和散沙狀分布。粉煤灰和高爐礦粉對固化淤泥水穩(wěn)定性的改善作用主要是由于水泥和粉煤灰、高爐礦粉等反應生成的膠凝材料，將分散的土顆粒粘聚在一起，形成具有整體性的空間結構骨架，并在一定程度上填補了原有固化淤泥的孔隙，從而提高了固化淤泥的水穩(wěn)定性。

表5為不同粉煤灰與高爐礦粉摻入比例下標養(yǎng)7 d以及標養(yǎng)7 d后浸水24h的無側限抗壓強度對比。

表5 不同粉煤灰與高爐礦粉摻量下固化淤泥浸水前后的無側限抗壓強度對比

由表5可見，標養(yǎng)7 d后浸水24 h，試樣的無側限抗壓強度明顯提高。對于水泥固化的淤泥而言，粉煤灰和高爐礦粉的摻入有助于提高水泥固化淤泥的耐水性能，與現(xiàn)有的研究[9]，水泥作為堿性激發(fā)劑，激發(fā)粉煤灰潛在的火山灰特性，從而改善淤泥的強度耐久性的結論一致。摻入5%粉煤灰和高爐礦粉，標養(yǎng)7 d后浸水24 h使得固化淤泥的無側限抗壓強度提高至514.6、1008.9 kPa，提高幅度分別為46.4%、125.0%；摻入30%粉煤灰和高爐礦粉，標養(yǎng)7 d后浸水24 h使得固化淤泥試樣的無側限抗壓強度分別提高至825.5、2063.7 kPa，提高幅度分別達到了51.4%、237.5%。以上分析證明，粉煤灰和高爐礦粉的摻入可明顯改善水泥固化淤泥的水穩(wěn)定性，并且可以使得復合固化淤泥的無側限抗壓強度得到顯著提高。一方面，粉煤灰和高爐礦粉的摻入填補了的水泥固化淤泥殘存的孔隙，進而提高了土體的密實度，從而提高強度；另一方面，粉煤灰和高爐礦粉的摻入顯著增加了水化產(chǎn)物的數(shù)量，粘結更多的土顆粒，從而達到增強的效果。

2.5 微觀分析

原狀淤泥的SEM照片如圖2所示，可以明顯觀察到顆粒較為分散，且其間存在這大量孔隙，這也是致使原狀淤泥無側限抗壓強度極低的原因。

15%水泥+10%高爐礦粉固化淤泥、15%水泥+10%粉煤灰固化淤泥、15%水泥+30%粉煤灰固化淤泥在不同水化齡期的SEM照片見圖3。

由圖3（a）、（b）可見，對于15%水泥+10%高爐礦粉固化淤泥，7、28 d齡期時體系中水化產(chǎn)物的數(shù)量存在明顯差異，28 d齡期產(chǎn)生的水化產(chǎn)物要遠多于7 d齡期的。這說明，養(yǎng)護齡期越長，生成的水化產(chǎn)物也就越多，導致無側限抗壓強度也就越高，這與抗壓強度試驗得出的結論一致。

對比圖3（a）、（c）可見，養(yǎng)護齡期為7 d時，用高爐礦粉固化的淤泥，水化反應相對更強，產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)也更多，固化淤泥之間的孔隙結構也更加密實，相比于粉煤灰固化的試樣更具有整體性，分散的土顆粒被水化生成的CSH和CAH緊密地膠結起來，對淤泥的宏觀力學性能起到了增強作用。

由圖3（d）～（f）可見，對于15%水泥+30%粉煤灰固化淤泥，在養(yǎng)護初期（1 d齡期），體系內(nèi)孔隙數(shù)目相對較多，體系內(nèi)分布著許多光滑的球形塊體，即粉煤灰顆粒，在球形塊體的表面生成很多較細、較短的針棒狀晶體結構，為初期發(fā)育的鈣礬石晶體，此外，體系內(nèi)還分布著片狀結構，為水化反應生成的Ca（OH）2。7d齡期時，體系內(nèi)依然存在未反應的粉煤灰球體顆粒，淤泥顆粒逐漸被片狀及針棒狀結構團聚在一起，形成較大的團狀結構。同時，針棒狀的鈣礬石晶體也逐漸聚集變粗變長，填補土顆粒的孔隙。養(yǎng)護齡期為28 d時，體系內(nèi)已經(jīng)幾乎沒有未反應的粉煤灰顆粒，水化反應生成物逐步增多，使得淤泥顆粒與水化產(chǎn)物粘聚形成的團聚體數(shù)目更多，針棒狀的鈣礬石相互交錯形成，形成空間網(wǎng)絡狀的晶體結構，填補了固化淤泥體系中的孔隙，相比1 d與7 d時，結構明顯更加致密，因而強度得到顯著提高。

3 結論

（1）水泥-粉煤灰及水泥-高爐礦粉的加入，對于不同齡期的固化淤泥均有增強作用。隨著粉煤灰和高爐礦粉摻量的增加，在30%摻量范圍內(nèi)均有良好的增強作用。

（2）隨著養(yǎng)護齡期的延長，固化淤泥的無側限抗壓強度不斷提高。水泥-粉煤灰固化前7 d無側限抗壓強度的增長速率相較后21 d后更快，主要是由于水泥的水化作用起到主導作用。

（3）當水泥摻量相同時，粉煤灰、高爐礦粉2種固化劑相比，早期粉煤灰固化淤泥的強度增長較快，而后隨著齡期延長，高爐礦粉固化淤泥的強度會逐步反超同摻量的粉煤灰固化淤泥，養(yǎng)護齡期為28 d時，高爐礦粉固化淤泥強度遠高于粉煤灰固化淤泥。

（4）粉煤灰和高爐礦粉的摻入有效改善了水泥固化淤泥的水穩(wěn)定性，使得固化淤泥的無側限抗壓強度得以顯著提高。