飛灰強(qiáng)化水泥土在地基加固中的應(yīng)用研究

滕 沖

(興義市水務(wù)局，貴州 興義 562400)

0 引言

軟土地基在施工過程中會(huì)引起許多嚴(yán)重的問題，如不均勻沉降、失穩(wěn)和變形，從而危及生命安全[1]。利用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基加固是軟土地基處理的主要方法之一。水泥土采用硅酸鹽水泥作為粘結(jié)劑與軟土混合，在攪拌過程中，發(fā)生化學(xué)水化、凝固等反應(yīng)，在地基中形成具有足夠強(qiáng)度的水泥土混合物，使原有的軟基得到明顯加固[2]。近年來，由于水泥土具有原土利用率高、成本相對(duì)較低、施工方便、加固靈活等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到推廣。

近年來，城市生活垃圾產(chǎn)生量不斷增加，2006—2020年，我國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量從1.48億噸增長(zhǎng)至2.35億噸[3]。城市生活垃圾焚燒既可以消除垃圾帶來的污染，又可以用來發(fā)電，通過焚燒處置生活垃圾日益成為無(wú)害化主流處置方式[4]。城市生活垃圾焚燒后的飛灰中有大量的重金屬元素。為了減輕垃圾焚燒飛灰對(duì)環(huán)境的污染，許多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。例如在路面材料中加入垃圾焚燒飛灰可以提高土的彈性模量和膨脹性能，延長(zhǎng)路面的疲勞壽命[5]。由于垃圾焚燒飛灰和水泥的化學(xué)成分相似，已被廣泛用作水泥熟料的部分替代品[6]。

為了穩(wěn)定軟土，人們廣泛研究了利用各種材料如石灰、石膏、礦渣和粉煤灰作為水泥添加劑[7]。垃圾焚燒飛灰也直接用于軟土的穩(wěn)定，因?yàn)樗行У靥岣吡送恋牧W(xué)性能，特別是不排水抗剪強(qiáng)度、滲透性和壓縮指數(shù)[8]。但垃圾焚燒飛灰預(yù)處理后作為添加劑使用的報(bào)道較少，垃圾焚燒飛灰在軟土穩(wěn)定中的作用和機(jī)制仍不清楚，有待進(jìn)一步研究。

本研究中，采用乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA-2Na)、磷酸鈉(NaPO3)、硫化鈉(Na2S)和硫酸亞鐵(FeSO4)對(duì)垃圾焚燒飛灰進(jìn)行了水洗后的浸出試驗(yàn)。通過無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和壓密不排水三軸壓縮試驗(yàn)研究了水泥土的力學(xué)性能。旨在探討垃圾焚燒飛灰作為水泥土添加劑的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料

垃圾焚燒飛灰采集于垃圾填埋場(chǎng)。垃圾焚燒飛灰呈灰白色粉末狀，無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象，密度為0.763g/cm3，含水率為0.41%。軟土來自鄭州市白沙鎮(zhèn)，密度為1.56g/cm3，含水率為62.35%，比重為2.69，液限為63.8%，塑限為33.6%。根據(jù)統(tǒng)一的土壤分類體系，土壤分類為沙質(zhì)黏土。軟土的主要礦物成分為石英、伊利石和蒙脫石。

本文使用的水泥為P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，比重為3.12。采用的化學(xué)品有乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA-2Na)、磷酸鈉(NaPO3)、硫化鈉(Na2S)、硫酸亞鐵(FeSO4)、硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)。

1.2 垃圾焚燒飛灰的預(yù)處理方法

1.2.1水洗處理

為了制備洗滌后的垃圾焚燒飛灰樣品，將垃圾焚燒飛灰與蒸餾水以6∶1(L/kg)的液固比混合，并置于振蕩器中，以30r/min的速度振動(dòng)30分鐘后用固液分離裝置進(jìn)行固液分離。固液分離后，固體放入105°C的烘箱中烘干24小時(shí)，收集用于后續(xù)處理。

1.2.2化學(xué)處理

將洗凈的垃圾焚燒飛灰放入錐形燒瓶中，與去離子水和相應(yīng)比例的化學(xué)物質(zhì)混合，靜置6小時(shí)。反應(yīng)完成后，在50°C下干燥垃圾焚燒飛灰，收集用于后續(xù)測(cè)試。

1.3 水泥土的制備

根據(jù)試驗(yàn)要求的配比，將軟土、水泥、預(yù)處理的垃圾焚燒飛灰放入烘箱中烘干，混合均勻。水量由兩部分組成，一是軟土含水率，二是水灰比0.55，參考JGJ/T 233—2011《中國(guó)水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》的推薦值(0.45～2.0)。將去離子水倒入混合物中，在水泥攪拌機(jī)中攪拌。將產(chǎn)生的混合料倒入模具。每次添加混合料時(shí)，將模具放在振動(dòng)臺(tái)上2分鐘，充分排出氣泡。將模具放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為25±2℃，濕度為90±2%，直到水泥土無(wú)明顯變形，并能在后續(xù)養(yǎng)護(hù)中保持良好完整性。將脫模后的水泥土再次放入養(yǎng)護(hù)箱中，在7天、14天和28天齡期進(jìn)行測(cè)試。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1浸出試驗(yàn)

浸出試驗(yàn)按照HJ/T 299—2007《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固體廢物浸出毒性硫酸硝酸法萃取規(guī)程》進(jìn)行。使用了垃圾焚燒飛灰樣品(未處理、水洗處理和化學(xué)處理的)和破碎、研磨和篩分的水泥土樣品(28天)。將濃硫酸和濃硝酸按照2∶1的質(zhì)量比例在水中混合，制備pH約為3的萃取液。以10∶1(L/kg)的液固比，將樣品與萃取液在錐形燒瓶中混合。塞上塞子后，在水平振蕩裝置上以30r/min的速度，25°的傾斜角振動(dòng)24小時(shí)。隨后，用固液分離裝置將浸出液收集在離心管中，并利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行分析。

1.4.2無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 50123—1999《中國(guó)土壤試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。采用TSZ-3A型應(yīng)變控制式三軸儀。試驗(yàn)在軸向線應(yīng)變速率為1.0mm/min時(shí)進(jìn)行，當(dāng)軸向線應(yīng)變達(dá)到峰值時(shí)結(jié)束，以2%的應(yīng)變繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。水泥土的數(shù)據(jù)來自與該裝置相連的計(jì)算機(jī)。

1.4.3三軸試驗(yàn)

本文采用的三軸試驗(yàn)為壓密不排水三軸壓縮試驗(yàn)。在本次試驗(yàn)前，將養(yǎng)護(hù)至28天齡期的樣品固定在飽和器中并放入桶中。桶中裝滿去離子水，直到樣品完全浸透，然后密封并泵送。樣品在負(fù)壓飽和后，放入TSZ-3A型應(yīng)變控制式三軸儀中，在要求的圍壓下固結(jié)，圍壓分別為100kPa、200kPa和300kPa。固結(jié)結(jié)束后，試樣在0.5mm/min的軸向線應(yīng)變速率下承受剪應(yīng)力，直至軸向線應(yīng)變達(dá)到峰值，繼續(xù)以2%的應(yīng)變進(jìn)行固結(jié)。

2 結(jié)果和討論

2.1 垃圾焚燒飛灰的預(yù)處理

2.1.1水洗處理

水洗處理后的垃圾焚燒飛灰的浸出性見表1。垃圾焚燒飛灰水洗處理后，鉻的浸出濃度有所增加，其余的重金屬浸出濃度顯著降低。鉛的浸出濃度降低了72.9%，但仍超過限值。鉻的浸出濃度提高了25.8%，比較接近極限值。鉻的浸出濃度增長(zhǎng)歸因于垃圾焚燒飛灰中含有不溶于水的鉻的化合物，水洗后垃圾焚燒飛灰樣品的總重量從30g下降到19.28g，共下降了35.7%，所以鉻在垃圾焚燒飛灰中的濃度相應(yīng)增加。在水洗處理的垃圾焚燒飛灰中，除鉛和鉻以外，其余重金屬浸出濃度均遠(yuǎn)低于限值。因此，將根據(jù)鉛和鉻的浸出濃度，對(duì)水洗處理后垃圾焚燒飛灰進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)處理。

表1 垃圾焚燒飛灰水洗處理前后浸出濃度對(duì)比

2.1.2化學(xué)處理

對(duì)化學(xué)藥劑(EDTA-2Na、NaPO3、Na2S和FeSO4)處理垃圾焚燒飛灰的重金屬(鉻和鉛)浸出濃度進(jìn)行了比較評(píng)估。垃圾焚燒飛灰重金屬浸出濃度如圖1—2所示。

圖1 化學(xué)處理垃圾焚燒飛灰中鉻的浸出濃度

如圖1所示，鉻的浸出濃度隨著NaPO3用量的增加呈顯著上升趨勢(shì)，NaPO3用量為8%時(shí)，鉻的浸出濃度達(dá)到了26.98mg/L。與表1中水洗處理相比，鉻的浸出濃度提高了90.4%。隨著EDTA-2Na、Na2S和FeSO4用量的增加，鉻的浸出濃度總體呈下降趨勢(shì)。EDTA-2Na處理垃圾焚燒飛灰后鉻的浸出濃度仍高于水洗處理垃圾焚燒飛灰的浸出濃度，Na2S和FeSO4處理后鉻的浸出濃度低于限值。Na2S對(duì)鉻的固化影響顯著，與水洗處理相比，鉻的浸出濃度降低了78.1%～92.4%。FeSO4處理后，與水洗處理相比，鉻的浸出濃度降低了53.4%～79.7%。

如圖2所示，與水洗處理相比，四種化學(xué)藥劑均降低了鉛的浸出濃度?？傮w來看，鉛的浸出濃度隨著四種化學(xué)藥劑均含量的增加均有降低的趨勢(shì)。EDTA-2Na和Na2S固化后浸出濃度雖有一定下降，但仍不能滿足要求。而NaPO3和FeSO4對(duì)鉛的固化效果較好，鉛的浸出濃度分別降低了56.4%～60.6%和37.1%～79.9%，均低于限值。

圖2 化學(xué)處理垃圾焚燒飛灰中鉛的浸出濃度

根據(jù)四種化學(xué)藥劑的固化效果和標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)圖1—2中鉻和鉛的浸出濃度，選擇5%劑量的FeSO4作為水洗處理的垃圾焚燒飛灰的最佳化學(xué)處理方案，與水洗處理相比，化學(xué)處理后垃圾焚燒飛灰中鉻和鉛的浸出濃度分別降低62.8%和58.2%。

2.1.3化學(xué)成分

水泥和垃圾焚燒飛灰(未處理、水洗處理和化學(xué)處理)的化學(xué)成分見表2。垃圾焚燒飛灰(未處理、水洗處理和化學(xué)處理)的主要化學(xué)成分為CaO、Al2O3和SiO2，與水泥等具有火山灰性質(zhì)的膠凝材料的主要化學(xué)成分相似。3種垃圾焚燒飛灰的燒失量(LOI)都很高，可能是由于未燃燒的碳顆粒中含有大量的碳質(zhì)物質(zhì)。水洗處理后，氯化物含量顯著降低，由11.76%降低至5.05%。

表2 水泥和垃圾焚燒飛灰(未處理、水洗處理和化學(xué)處理)的化學(xué)成分

2.2 在水泥土中的應(yīng)用

2.2.1無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

在實(shí)際工程中，水泥土的水泥摻量一般為7%～15%，因此本研究選擇水泥摻量分別為7%、11%和15%，預(yù)處理垃圾焚燒飛灰摻量為0%、4%和8%，制備了九組水泥土，測(cè)量了水泥土在7天、14天和28天齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖3—5分別表示了各組水泥土在7天、14天和28天齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從圖中可以看出，摻入預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期、水泥含量和預(yù)處理垃圾焚燒飛灰含量的增加而明顯增加。對(duì)于水泥含量為7%的樣品，摻入4%預(yù)處理垃圾焚燒飛灰后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與僅含11%的水泥樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度接近，但在水泥含量為11%的樣品中，摻入4%預(yù)處理垃圾焚燒飛灰沒有達(dá)到同樣的效果。但摻入8%預(yù)處理垃圾焚燒飛灰后，水泥含量為7%和水泥含量為11%的樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到了提高，分別達(dá)到了水泥含量為11%和水泥含量為15%的樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)添加4%預(yù)處理垃圾焚燒飛灰時(shí)，水泥含量為7%的樣品在不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均提高了一倍以上，但水泥含量為11%和15%時(shí)，添加4%預(yù)處理垃圾焚燒飛灰對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。除水泥摻量為15%的樣品外，當(dāng)預(yù)處理垃圾焚燒飛灰摻量增加到8%時(shí)，水泥摻量為7%和11%的樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均顯著增加。上述結(jié)果表明，在降低水泥含量的同時(shí)，加入預(yù)處理垃圾焚燒飛灰替代水泥可以保持水泥土的強(qiáng)度，水泥含量與預(yù)處理垃圾焚燒飛灰相近時(shí)，強(qiáng)度提升效果較為顯著[9]。

圖3 水泥土在7天齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖4 水泥土在14天齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖5 水泥土在28天齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2.2抗剪強(qiáng)度參數(shù)

選取養(yǎng)護(hù)28天的水泥土進(jìn)行三軸試驗(yàn)。圖6—7分別表示水泥土的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著混凝土和飛灰摻量的變化規(guī)律?？梢钥闯?，摻入預(yù)處理垃圾焚燒飛灰后抗剪強(qiáng)度有所提高。水泥土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨著水泥含量和預(yù)處理垃圾焚燒飛灰含量的增加而增大。加入4%的預(yù)處理垃圾焚燒飛灰后，粘聚力和內(nèi)摩擦角平均增加了35.8%和20.1%。加入8%的預(yù)處理垃圾焚燒飛灰后，粘聚力和內(nèi)摩擦角平均增加了97.5%和52.1%。通過比較粘聚力和內(nèi)摩擦角的增加比例，可以看出預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的摻入更有效地提高了粘聚力，提高水泥土的力學(xué)性能。

圖6 水泥土在28天齡期的粘聚力

圖7 水泥土在28天齡期的內(nèi)摩擦角

2.2.3浸出性能

從表3可以看出，摻入預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的水泥土中鉻和鉛的浸出濃度遠(yuǎn)低于預(yù)處理垃圾焚燒飛灰。隨著飛灰含量的增加，鉻浸出濃度增加，低于限值。水泥土中鉛的浸出濃度均小于0.0062mg/L，低于限值。

表3 鉻和鉛在摻入預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的水泥土中的浸出濃度

3 結(jié)論

本文研究了垃圾焚燒飛灰在水洗處理和化學(xué)處理后作為水泥土添加劑的可行性。主要研究結(jié)果總結(jié)如下。

(1)垃圾焚燒飛灰水洗處理后，只有鉛的浸出濃度超過限值，鉻的浸出濃度接近限值。

(2)EDTA-2Na處理的水洗垃圾焚燒飛灰后，鉻和鉛的浸出濃度均高于限值。使用NaPO3處理鉻的浸出濃度高于限值。使用Na2S處理鉛的浸出濃度高于限值。只有FeSO4能同時(shí)有效固化鉻和鉛，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨預(yù)處理垃圾焚燒飛灰含量、水泥含量和齡期的增加而增大。

(4)垃圾種類可能對(duì)焚燒后的飛灰成分有影響，因此，本文研究結(jié)果需要應(yīng)用中進(jìn)一步研究證實(shí)。