3種因素影響下固化廢棄淤泥的微觀特性研究

楊 浩 ，朱劍鋒 ，陶燕麗,2,3

（1.浙江科技學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院, 浙江 杭州 310023；2.南京工業(yè)大學(xué), 江蘇 南京 211816；3.浙江五洲工程項目管理有限公司, 浙江 杭州 310023）

我國東南沿海地區(qū)城市地鐵、地下快速路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中出現(xiàn)了大量的廢棄淤泥，以寧波地區(qū)為例，每年產(chǎn)生工程廢棄渣土、淤泥高達(dá)2 200多萬噸[1]。這些廢棄淤泥具有典型的高含水量、高孔隙比、高壓縮性及低強(qiáng)度的特性，無法直接作為工程材料。近年來淤泥固化技術(shù)得到了迅速發(fā)展，除傳統(tǒng)石灰、水泥固化劑得到實際應(yīng)用之外[2-6]，粉煤灰復(fù)合固化劑[7]、電石渣與生物灰復(fù)合固化劑[8]、鎂質(zhì)水泥復(fù)合固化劑[9-17]以其節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)引起了學(xué)者們的濃厚興趣。

作為影響固化土力學(xué)性能的重要因素，初始含水率、固化劑摻量、齡期對固化土力學(xué)性狀影響規(guī)律的研究得到廣泛關(guān)注。Lorenz等[2]建立了固化土剪切模量與含水率之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。Lee等[3]提出了水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。董邑寧等[6]認(rèn)為固化劑強(qiáng)度與齡期、摻入比關(guān)系密切。王宏偉等[9]發(fā)現(xiàn)淤泥固化土壓縮性隨著MgO摻量和齡期增加呈逐漸減小趨勢。楊愛武等[16]試驗研究表明：城市污泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加而增大，含水率越高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低，超過50%之后強(qiáng)度低于100 kPa。Vichan等[8]、朱劍鋒等[12-13]認(rèn)為固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比和齡期分別呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系和對數(shù)函數(shù)關(guān)系。綜上，固化劑摻量和齡期的增加或含水率的減少均會引起固化土孔隙率的減小，改善固化土的結(jié)構(gòu)性，進(jìn)而提高其強(qiáng)度和剛度。然而，上述研究結(jié)論均是基于唯象的試驗結(jié)果提出的，含水率、固化劑摻量、齡期并非誘發(fā)固化土力學(xué)性狀變化的根本誘因。

與天然土體類似，固化土的宏觀力學(xué)性質(zhì)主要受其微觀結(jié)構(gòu)特征（如顆粒形狀、大小、微觀孔隙等）控制。張亭亭等[14]掃描電鏡試驗結(jié)果表明固化劑摻量的增加會減少孔徑大于1 μm 的孔隙體積，進(jìn)而提高固化土的強(qiáng)度并降低滲透特性。劉松玉等[15]研究發(fā)現(xiàn)含水率會引起固化土的微觀孔隙率和孔隙分布。熊路等[18]核磁共振試驗和三維顯微鏡觀測發(fā)現(xiàn)水泥摻量越高，孔徑范圍越小，試樣整體的平整度和密實性越好，強(qiáng)度越高。因此，開展固化土微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的研究可以從本質(zhì)上揭示3種因素（含水率、固化劑摻量、齡期）影響下固化土宏觀力學(xué)性能演化規(guī)律。

鑒于掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）和圖像處理技術(shù)（Image Pro Plus，IPP）在探究材料的微觀結(jié)構(gòu)特性中優(yōu)勢明顯[19-22]，本文以硫氧鎂水泥復(fù)合固化劑[10-13]固化淤泥的微觀特性為研究對象，通過開展含水率（w）、固化劑摻量（Wg）和齡期（T）的SEM試驗獲取固化淤泥微觀圖像，分析含水率、固化劑摻量和齡期對固化淤泥微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（平均面積接觸率RCA、豐度C及平均豐度Cm、分形維數(shù)D）的影響規(guī)律。

1 固化淤泥SEM試驗

1.1 試驗材料

選用寧波地鐵某標(biāo)段的廢棄淤泥為試驗用土，相應(yīng)的天然含水率為43.6%；孔隙比為1.16；液、塑限分別為39.2%和21.6%，煅燒測得的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，所用固化劑為鎂質(zhì)水泥復(fù)合固化劑（硫酸鎂水泥∶水玻璃∶熟料∶硅灰=3.5∶1.2∶1∶1.1）[10]。

1.2 試樣制備

按照設(shè)計好的配比稱取過篩后的干土、水、硫氧鎂水泥復(fù)合固化劑，將其充分混合攪拌均勻，分3層裝入三瓣模（39.1 mm×80 mm）中，每層振搗2～3 mim排出氣泡。移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境（溫度20±5 °C）、恒濕（相對濕度70%±5%）[23]下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計齡期。

采用低溫液氮干燥法獲取SEM試驗用干燥樣品，用橡膠榔頭把試樣敲碎，選擇截面為1 cm×1 cm的自然斷裂面為觀察面，將樣品固定在金屬托盤并用導(dǎo)電膠相連，把金屬托盤放置到真空噴射儀中進(jìn)行抽真空噴金處理完成后，先用低倍數(shù)尋找合適的觀察截面，獲取具有代表性的微觀結(jié)構(gòu)圖像，然后逐漸從低倍到高倍拍攝試樣樣品的微觀表面。

1.3 試樣方案

如表1所示，以含水率w=50%、固化劑摻量Wg=15%和齡期T=7 d為基準(zhǔn)（編號S0），開展相應(yīng)的SEM試驗并與廢棄淤泥（編號SS0）的SEM結(jié)果進(jìn)行對比，獲取固化淤泥的加固特點(diǎn)，然后分別開展固化淤泥在不同w（編號S1—S4）、Wg（編號S5—S8）和T（編號S9—S13）時的SEM試驗。

表1 SEM試驗方案Table 1 Test plan of the SEM

1.4 固化淤泥微觀參數(shù)

IPP可同時選擇顆粒和孔隙，測量多種材料微觀參數(shù)。本文選取固化淤泥顆粒進(jìn)行研究，并采用平均接觸面積率[20-21]、豐度[24]、分形維數(shù)[25-27]等3個微觀參數(shù)來描述其微觀特征，進(jìn)而揭示其固化機(jī)理，其中平均接觸面積率反應(yīng)孔隙體積大小，豐度評價顆粒形狀的整體特征，分形維數(shù)用于衡量固化淤泥顆粒分形特征的表現(xiàn)形式，主要分析顆粒單元體的粗糙程度。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 廢棄淤泥和基準(zhǔn)配比下固化淤泥SEM圖

圖1為廢棄淤泥（SS0）和標(biāo)準(zhǔn)配比（S0）下固化淤泥的SEM圖（5 000倍）。由圖1（a）可知，淤泥顆粒主要礦物為石英和伊利石，呈扁片狀，且孔隙密布，而固化淤泥（圖1b）的SEM圖像表明：扁圓狀白色物質(zhì)顯著增加，且覆蓋在淤泥顆粒表面。另外還有硅灰和熟料（呈橢球狀）填充淤泥顆粒之間，提高了固化淤泥的密實度。

圖1 廢棄淤泥和固化淤泥的SEM圖Fig.1 SEM graph of the waste sludge and solidified sludge

2.2 不同含水率下固化淤泥的SEM圖

圖2是不同含水率下固化淤泥的SEM圖（1 000倍），從圖中可明顯看出：隨著含水率的增加，白色固化產(chǎn)物減少，其主要原因在于改性硫氧鎂水泥屬于氣硬性膠凝材料，含水率的增加降低了固化劑的濃度，進(jìn)而減小了固化產(chǎn)物產(chǎn)量。因此，含水率的升高對固化淤泥的固化起抑制作用。

圖2 不同含水率下固化淤泥的SEM圖Fig.2 SEM of the solidified sludge under different moisture content

2.3 不同固化劑摻量下固化淤泥的SEM圖

由圖3可知：當(dāng)固化劑摻量較小時，淤泥中土顆粒主要呈碎散狀態(tài)，顆粒聯(lián)結(jié)較弱，孔隙較大且白色固化產(chǎn)物較少。隨著固化劑摻量的增加，白色固化產(chǎn)物逐漸增多，并包裹土顆粒，進(jìn)而形成縱橫交織的網(wǎng)絡(luò)，使其排列越來越緊密。

圖3 不同固化劑摻量下固化淤泥的SEM圖Fig.3 SEM of the solidified sludge with different content of the curing agent

2.4 不同齡期下固化淤泥的SEM圖

圖4是不同齡期下固化淤泥的SEM圖像（1 000倍）。隨著齡期的增長，白色固化產(chǎn)物增多，淤泥顆粒間排列更加緊湊，顆粒之間孔隙被水化產(chǎn)物填充而更加密實。從圖4（e）中可以看出，14 d的固化淤泥顆粒排列比較密實，形成了明顯的土骨架。

綜上，硫氧鎂水泥固化淤泥的微觀結(jié)構(gòu)受含水率、固化劑摻量和齡期影響顯著，且與普通硅酸鹽水泥固化土變化規(guī)律一致[6,16]。隨著固化劑摻量和齡期的增加，固化產(chǎn)物增多，固化淤泥微觀結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)。然而含水率的增加抑制廢棄淤泥的固化作用，從而減弱了其結(jié)構(gòu)性。

3 固化淤泥微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律

為定量研究固化淤泥微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)受含水率、固化劑摻量和齡期的影響規(guī)律，現(xiàn)利用IPP6.0軟件對圖2—圖4所示固化淤泥的SEM圖像進(jìn)行處理，獲得不同含水率、固化劑摻量和齡期下固化淤泥的微觀接觸面積率（RCA）、豐度（C、平均豐度Cm）和分形維數(shù)（D）等微觀參數(shù)。

圖4 不同齡期下固化淤泥的SEM圖Fig.4 SEM of the solidified sludge at different ages

3.1 不同含水率下固化淤泥的微觀特性

3.1.1 對固化淤泥微觀接觸面積率的影響

表2為與圖2對應(yīng)的不同含水率下固化淤泥的微觀接觸面積率統(tǒng)計表。其中Z為閾值，其他參數(shù)同前。由表2可知：固化淤泥的RCA隨著w的增大逐漸減小，且當(dāng)w由40%增至60%，RCA從14.5%降低至8.2%，降低幅度高達(dá)43.4%。其主要原因在于：一方面w越大，固化淤泥的初始孔隙比越大，接觸面積率越?。涣硪环矫?，w的增加抑制了廢棄淤泥的固化，固化產(chǎn)物減少，固化淤泥結(jié)構(gòu)疏松，接觸面積率顯著減小。

表2 不同含水率下固化淤泥的接觸面積比Table 2 Contact area ratio of the solidified sludge under different moisture content

3.1.2 對固化淤泥豐度的影響

圖5對應(yīng)的是不同w下固化淤泥豐度柱狀圖和平均豐度曲線。由圖5（a）可知，固化淤泥的C值主要介于0.4～0.8范圍內(nèi)，因此，固化淤泥微觀顆粒接近扁圓形。由圖5（b）所示，隨著w的增加，Cm逐漸減小，其主要原因在于w的增加抑制了固化淤泥的水化反應(yīng)，降低了扁圓狀固化產(chǎn)物數(shù)量，進(jìn)而減小固化淤泥的Cm，但w的變化對Cm的影響并不顯著，w由40%增至60%，Cm僅降低了3.5%。

圖5 不同含水率下固化淤泥豐度Fig.5 Abundance of the solidified sludge under different moisture content

3.1.3 對固化淤泥分形維數(shù)的影響

圖6為與圖2對應(yīng)的不同含水率下固化淤泥的分形維數(shù)。由圖6可知，固化淤泥的D隨著w的增加而非線性增大，尤其是當(dāng)w＞50%后，固化淤泥D值增加幅度顯著提高。其主要原因在于：w越大則固化淤泥的初始孔隙比越大，排列越疏松，結(jié)構(gòu)性越弱。與此同時，w的增加對固化淤泥的水化起抑制作用，尤其是當(dāng)w＞50%時，過多的自由水降低了固化劑的濃度，惡化了硫氧鎂水泥的硬化環(huán)境，降低了固化產(chǎn)物產(chǎn)量，從而減弱了固化淤泥的結(jié)構(gòu)性。二者耦合作用使得固化淤泥的D值隨w的增加而增大，固化淤泥的結(jié)構(gòu)愈發(fā)松散，與前述w對Cm影響幅度類似，w對D影響也較小，當(dāng)w由40%增至60%，D僅增長了2.5%。

圖6 不同含水率下固化淤泥的形態(tài)分布分形維數(shù)Fig.6 Fractal dimension of morphology distribution of the solidified sludge under different moisture content

3.2 不同固化劑摻量下固化淤泥的微觀特性

3.2.1 對固化淤泥微觀接觸面積率的影響

表3為不同Wg下固化淤泥的RCA統(tǒng)計表。由表3可知：隨著Wg的增加，RCA逐漸增大且增長幅度顯著。當(dāng)Wg由5%增長至25%時，RCA由7.6%增至14.0%，增長幅度高達(dá)84.2%。這是由于Wg增加促進(jìn)了固化產(chǎn)物的生成，減小了土體的孔隙比，增加了顆粒間的接觸面積。另外，復(fù)合固化劑中硅灰和熟料也對孔隙起到了填充作用。上述2種因素共同影響下，固化淤泥RCA隨Wg的增加而增長。

表3 不同固化劑摻量下固化土的接觸面積率Table 3 Contact area ratio of the solidified soil under different dosage of the curing agent

3.2.2 對固化淤泥豐度的影響

圖7為不同Wg下固化淤泥的C值柱狀圖和Cm變化規(guī)律。由圖7（a）可知，固化前淤泥顆粒的C值主要集中在[0.2, 0.4]、[0.4, 0.6]以及[0.6, 0.8]3個區(qū)間，而在C＜0.2和C＞0.8范圍的顆粒含量較少（二者合計約占10%）。其中在C∈[0.4, 0.6]范圍內(nèi)含量最多（約占45%），而在C∈[0.2, 0.4]與[0.6, 0.8]區(qū)間，固化淤泥顆粒的含量分別達(dá)到了約23%和25%。隨著Wg增加，固化淤泥顆粒在小豐度范圍（C＜0.4）的含量逐漸減小，而大豐度區(qū)域（C＞0.6）的含量逐漸增加。這是由于Wg的增加一方面促進(jìn)扁圓狀固化產(chǎn)物的生成，另一方面復(fù)合固化劑中起填充作用的硅灰和熟料呈橢圓狀，二者的共同影響下固化淤泥圓形顆粒數(shù)量顯著增加，從而提高了大豐度區(qū)域的顆粒含量。從圖7（b）可得，固化前淤泥（Wg=0）顆粒Cm約為0.5，Cm隨Wg的增加非線性增長，當(dāng)Wg＜5%時Cm隨Wg的增加大幅度增加，而后隨著Wg的增加Cm增長幅度明顯減小，當(dāng)Wg＞15%時，Cm增長幅度再次增大。當(dāng)Wg增至25%時，Cm約為0.58，增長幅度達(dá)15%。因此，Wg的增加促進(jìn)了扁圓狀顆粒的發(fā)展，使得固化淤泥的Cm顯著提高。

圖7 不同固化劑摻量下固化淤泥的豐度Fig.7 Abundance of the solidified sludge under different dosage of the curing agent

3.2.3 對固化淤泥分形維數(shù)的影響

圖8為不同Wg下固化淤泥的D值變化規(guī)律。由圖8可知：隨著Wg的增加，D值逐漸減小，這是因為Wg的增加提高了固化產(chǎn)物產(chǎn)量，推動了對孔隙的填充作用，形成了更為密實的結(jié)構(gòu)，從而降低了固化淤泥的D值。但Wg對D值影響有限，當(dāng)Wg由0增至25%時，D值僅降低了3%，且當(dāng)Wg在10%～15%范圍內(nèi)時，D值幾乎無波動。

圖8 不同固化劑摻量下固化淤泥的分形維數(shù)Fig.8 Fractal dimension of the solidified sludge under different content of the curing agent

3.3 不同齡期下固化淤泥的微觀特性

3.3.1 對固化淤泥微觀接觸面積率的影響

表4是不同T下固化淤泥的RCA統(tǒng)計表。由表4可知，固化淤泥的RCA隨著T的增長而增大，且當(dāng)T由3 d增長至14 d時，RCA約增長了111%，固化淤泥的孔隙率顯著降低。這是由于T的增長使得硫氧鎂水泥水化反應(yīng)更充分，新生成的固化產(chǎn)物填充于固化淤泥顆粒間的孔隙，增大了粒間接觸面積。

表4 不同齡期下固化淤泥的接觸面積率Table 4 Contact area ratio of the solidified sludge at different ages

3.3.2 對豐度的影響

圖9為固化淤泥的C柱狀圖和Cm隨T的變化規(guī)律。圖9（a）表明：隨著T的增加，固化淤泥的C值在[0, 0.2]區(qū)間內(nèi)是逐漸減小，而在[0.8, 1.0]區(qū)間是增加的，其主要原因在于T越長，固化反應(yīng)越充分，扁圓狀固化產(chǎn)物顯著增加，從而使得高豐度區(qū)間（[0.8, 1.0]）固化淤泥顆粒比重增加，而低豐度區(qū)間（[0, 0.2]）的固化淤泥顆粒比重降低。由圖9（b）可知，當(dāng)T由3 d增長至14 d時，固化土的Cm從0.536 4提高至0.569 9，增長幅度約為6.2%。這是由于T的增長有利于扁圓狀固化產(chǎn)物的生成，從而使得固化淤泥的Cm隨著T的增長而提高，且Cm隨T的先增加，在T=9 d后增加幅度趨于平緩，主要原因在于改性硫氧鎂水泥在T=9時完成了主要的水化反應(yīng)。

圖9 不同齡期下固化淤泥的豐度Fig.9 Abundance of the solidified sludge at different ages

3.3.3 對固化淤泥分形維數(shù)的影響

圖10為固化淤泥的D值隨T的變化規(guī)律。由圖10可知，固化淤泥的D隨著T的增長而減小，與3 d齡期的固化淤泥D值（約1.408 3）相比，當(dāng)T增長至14 d時，D值減小至1.3，降低幅度約為5.7%。這是由于T的增加，促進(jìn)了固化反應(yīng)的發(fā)展，提高了顆粒的團(tuán)?；潭?，形成更為嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)體系，從而使得D不斷減小[26-27]。

圖10 不同齡期下固化淤泥的分形維數(shù)Fig.10 Fractal dimension of the solidified sludge at different ages

4 結(jié)論

（1）含水率的增加抑制了固化淤泥的水化反應(yīng)，增加了固化淤泥的初始孔隙比，減小了固化淤泥顆粒的微觀接觸面積率，降低了扁圓狀固化產(chǎn)物數(shù)量，進(jìn)而減小固化淤泥的平均豐度值，減弱了固化淤泥的結(jié)構(gòu)性，提高了固化淤泥的分形維數(shù)。

（2）固化劑摻量增加有利于固化產(chǎn)物的生成，減小了土體的孔隙比，提高了固化淤泥的微觀接觸面積率，促進(jìn)了扁圓狀顆粒的發(fā)展，使得固化淤泥的平均豐度值增大，增強(qiáng)了其結(jié)構(gòu)性，從而降低了分形維數(shù)。

（3） 齡期的增長使得水泥水化反應(yīng)更充分，扁圓狀固化產(chǎn)物顯著增加，結(jié)構(gòu)性顯著提高，從而使得固化淤泥的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)微觀接觸面積率，平均豐度值增加而分形維數(shù)減小。

（4）含水率、固化劑摻量、齡期3種因素對固化淤泥的微觀接觸面積率影響最為顯著，對平均豐度值影響次之，而對分形維數(shù)影響最小，其中固化淤泥的微觀接觸面積率和分形維數(shù)對齡期最為敏感（最大變化率分別為111%和6.2%），而平均豐度值易受固化劑摻量的影響（最大變化率約15%）。