高摻量粉煤灰淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

程強(qiáng)強(qiáng)，姚越，崔胥陽，陰琪翔，3

（1．江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑建造學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.江蘇省現(xiàn)代建筑工業(yè)化技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116；3．徐州市新型建筑工業(yè)化與信息化工程研究中心，江蘇徐州 221116；4.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑智能學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引 言

我國是產(chǎn)煤大國，目前仍使用煤炭作為電力生產(chǎn)基本燃料。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國粉煤灰總量呈逐年增加趨勢：1995年約為1.25 億t，2000 年約為1.5 億t，2010 年約為3 億t，2015 年約為6.2 億t，2017 年達(dá)6.86 億t，預(yù)計(jì)在未來仍會保持增長的趨勢，到2024 年將達(dá)到9.25 億t[10]。如此規(guī)模且不斷增長的粉煤灰如不妥善處理，會污染環(huán)境甚至?xí)：θ梭w和生物。與發(fā)達(dá)國家相比，我國粉煤灰綜合利用率還較低，這給國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)造成巨大的壓力。

在傳統(tǒng)的水泥、二灰固化淤泥的基礎(chǔ)上，開發(fā)高摻量粉煤灰淤泥固化土，減少普通硅酸鹽水泥用量，有利于降低生產(chǎn)成本、改善生態(tài)環(huán)境。本文以不同粉煤灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期為影響因素，重點(diǎn)研究高摻量粉煤灰條件下淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、變形模量及破壞模式，以期為固廢粉煤灰、淤泥的資源化利用提供新的路徑，同時(shí)為淤泥固化工程實(shí)踐降低成本提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

淤泥：新加坡某地鐵車站工程，其基本物理性質(zhì)如表1 所示?，F(xiàn)場挖取海相淤泥時(shí)可見較明顯的貝殼、碎石等雜物，將挖取的淤泥樣本放入PVC 塑料桶運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室備用。

表1 淤泥的物理性質(zhì)

固化材料：CEM II/B-V 型復(fù)合水泥，其物理力學(xué)性能如表2 所示。CEM II/B-V 型復(fù)合水泥中普通硅酸鹽水泥占比65.5%，粉煤灰質(zhì)量占比34.5%。復(fù)合水泥的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。

表2 復(fù)合水泥的物理力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)以粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期為變量，重點(diǎn)研究不同摻量粉煤灰對淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。BS EN197-1：2000 規(guī)定粉煤灰復(fù)合水泥中水泥質(zhì)量占比為65%~79%，粉煤灰質(zhì)量占比最大為35%[11]。試驗(yàn)配合比為m（淤泥）∶m（粉煤灰）∶m（普通硅酸鹽水泥）∶m（水）=5∶0.345∶0.655∶6、2∶0.345∶0.655∶3、1∶0.345∶0.655∶2；對應(yīng)粉煤灰摻量分別為6.9%、17.25%、34.5%，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、14、28、90 d。

依據(jù)文獻(xiàn)[12-13]中海相淤泥的重塑和三軸試樣制備方法，首先對海相淤泥重塑，然后按照粉煤灰摻量分別為6.9%、17.25%、34.5%，制備直徑為50 mm、高度為100 mm 的圓柱體試樣，試樣成型后在去離子水中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、14、28、90 d 進(jìn)行試驗(yàn)。采用Wykeham Farrance 三軸試驗(yàn)設(shè)備，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用恒定加載速率1 mm/min，每組3 個(gè)試樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土的強(qiáng)度

各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1 所示。

圖1 各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖1 可以看出：

中華民族自古以來是一個(gè)自信的民族。中華文明是世界上唯一不曾中斷的文明，在相當(dāng)長的歷史階段中，中華民族的硬實(shí)力和軟實(shí)力都是世界一流的，中華文明是世界上先進(jìn)的文明形態(tài)，中華民族是世界上強(qiáng)盛的民族，這些是中華民族自信形成的客觀基礎(chǔ)。中華民族的自信是在自我肯定中內(nèi)生的，是在與其他民族的交流和相互比較中強(qiáng)化的。隨著歷史的發(fā)展，這種民族自信內(nèi)化為中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的一部分，并且沉淀為中華民族的文化基因，長期深刻影響著中華文明的發(fā)展走勢。

（1）粉煤灰摻量為6.9%時(shí)，14 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度是7 d的1.2 倍，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度是14 d 的1.9 倍，90 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度是28 d 的1.5 倍。粉煤灰摻量為17.25%時(shí)，14 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度是7 d 的1.5 倍，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度是14 d的1.2 倍，90 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度是28 d 的2.1 倍。粉煤灰摻量為34.5%時(shí)，14 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度是7 d 的1.4 倍，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度是14 d 的1.4 倍，90 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度是28 d 的2.0倍。

（2）7 d 養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，17.25%粉煤灰摻量淤泥固化土的強(qiáng)度是6.9%摻量時(shí)的2.0 倍，34.5%粉煤灰摻量淤泥固化土的強(qiáng)度是17.25%摻量時(shí)的2.1 倍。14 d 養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，17.25%粉煤灰摻量淤泥固化土的強(qiáng)度是6.9%摻量時(shí)的3.0 倍，34.5%粉煤灰摻量淤泥固化土的強(qiáng)度是17.25%摻量時(shí)的2.0 倍。28 d 養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，17.25%粉煤灰摻量淤泥固化土的強(qiáng)度是6.9%摻量時(shí)的1.9 倍，34.5%粉煤灰摻量淤泥固化土的強(qiáng)度是17.25%摻量時(shí)的2.2 倍。90 d 養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，17.25%粉煤灰摻量淤泥固化土的強(qiáng)度是6.9%摻量時(shí)的3.0 倍，34.5%粉煤灰摻量淤泥固化土的強(qiáng)度是17.25%摻量時(shí)的2.2 倍。

（3）隨著粉煤灰摻量的增加、養(yǎng)護(hù)齡期的延長，淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高且表現(xiàn)出相同的增長趨勢：養(yǎng)護(hù)齡期在28~90 d 時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅最為顯著。主要原因是粉煤灰淤泥固化土中粉煤灰在養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)的火山灰作用未充分發(fā)揮，養(yǎng)護(hù)齡期延長至28~90 d 時(shí)，粉煤灰的火山灰活性充分顯現(xiàn)，對提高淤泥固化土的強(qiáng)度產(chǎn)生積極作用。

（4）無論養(yǎng)護(hù)齡期長短，粉煤灰摻量越多，淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高，且隨粉煤灰摻量的倍數(shù)增加而倍數(shù)增加。直接原因是粉煤灰的填充效應(yīng)，高摻量粉煤灰填充淤泥固化土的內(nèi)部細(xì)小孔隙，使淤泥固化土的結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度提高。6.9%低摻量粉煤灰的淤泥固化土峰值強(qiáng)度較低；17.25%中等摻量粉煤灰的淤泥固化土峰值強(qiáng)度較低，但90 d 養(yǎng)護(hù)齡期峰值強(qiáng)度較28 d 增幅顯著；34.5%高摻量粉煤灰的淤泥固化土峰值強(qiáng)度較低摻量粉煤灰增幅明顯，90 d 養(yǎng)護(hù)齡期較28 d 增幅顯著，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)增幅不明顯。表明34.5%高摻量粉煤灰、90 d 長齡期條件下，粉煤灰淤泥固化土的強(qiáng)度改性效果好。

2.2 淤泥固化土的變形模量

各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土的變形模量E50如圖2 所示。

圖2 各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土的變形模量E50

從圖2 可以看出，對于淤泥固化土，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期從7 d 延長至90 d 時(shí)，不同粉煤灰摻量時(shí)的變形模量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。6.9%低摻量、7~14 d 短齡期時(shí)E50增幅較少；34.5%高摻量、7~14 d 短齡期時(shí)E50增幅較小，28~90 d 長齡期時(shí)E50增幅較大。主要由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)或水化反應(yīng)短期效應(yīng)不明顯，且摻量少時(shí)對淤泥固化土的強(qiáng)度提高效果不佳。28~90 d 長齡期粉煤灰的火山灰效應(yīng)或水化反應(yīng)作用顯現(xiàn)，致使淤泥固化土的骨架結(jié)構(gòu)致密，宏觀上表現(xiàn)為淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量E50提高。

2.3 淤泥固化土的破壞模式

6.9%低摻量、34.5%高摻量粉煤灰淤泥固化土的破壞照片如圖3、圖4 所示。

圖3 6.9%低摻量粉煤灰淤泥固化土的破壞照片

圖4 34.5%高摻量粉煤灰淤泥固化土的破壞照片

從圖3、圖4 結(jié)合前文分析可以看出：

（1）隨粉煤灰摻量增加、養(yǎng)護(hù)齡期延長，淤泥固化土的強(qiáng)度及剛度提高，7～90 d 齡期呈現(xiàn)出韌性減小、脆性增大的趨勢。

（2）粉煤灰摻量為6.9%時(shí)，隨齡期的延長強(qiáng)度提高不明顯，淤泥固化土的強(qiáng)度較低呈現(xiàn)塑性破壞，說明6.9%低摻量時(shí)無論養(yǎng)護(hù)齡期長短，粉煤灰改良淤泥固化土的效果不佳。

（3）粉煤灰摻量為34.5%時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期7、14、28、90 d 的淤泥固化土試樣強(qiáng)度增幅較大，短齡期14 d 較7 d 增幅不明顯，長齡期90 d 較28 d 增幅最顯著，表明高摻量粉煤灰淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高的同時(shí)韌性和延展性隨之降低。因此，高摻量粉煤灰在長養(yǎng)護(hù)齡期條件下，淤泥固化土的改性效果顯著，從室內(nèi)試驗(yàn)研究的角度分析高摻量粉煤灰具有淤泥固化工程應(yīng)用的可行性。

3 結(jié) 論

（1）隨養(yǎng)護(hù)齡期延長，淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之提高，不同粉煤灰摻量7~28 d 齡期強(qiáng)度的增幅不明顯，28~90 d 齡期的強(qiáng)度增幅明顯。

（2）低摻量粉煤灰淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低，隨齡期增加幅度較小；高摻量粉煤灰淤泥固化土在28~90 d 齡期的強(qiáng)度和變形模量增幅最為顯著。粉煤灰早期火山灰效應(yīng)和水化效應(yīng)對淤泥固化土的強(qiáng)度特性改善效果不明顯，28~90 d 齡期改善效果顯著。

（3）隨粉煤灰摻量的增加、養(yǎng)護(hù)齡期的延長，淤泥固化土試件破壞由塑性變形向脆性變形轉(zhuǎn)變，7 d 齡期未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，28 d、90 d 齡期出現(xiàn)不同程度的剝落現(xiàn)象。

（4）34.5%高摻量粉煤灰淤泥固化土在90 d 長齡期強(qiáng)度改性效果較好，說明在高摻量長齡期條件下，固廢粉煤灰淤泥固化土具有潛在的工程應(yīng)用前景，這為工業(yè)廢料粉煤灰用于治理廢棄淤泥提供了以廢治廢的思路。