粉煤灰和礦渣含量對河道疏浚淤泥固化特性影響研究

金軍華

(江蘇高盛建設(shè)工程有限公司,南京 210015)

1 概 述

河道的建設(shè)和維護(hù)往往會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥,而淤泥的存放和處理都會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。為了避免環(huán)境污染,必須對疏浚淤泥進(jìn)行有效處理。為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。王礦山等[1]對湖底淤泥固化土的環(huán)境耐久性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,水泥固化淤泥受硫酸鹽侵蝕后,鈣礬石會呈現(xiàn)簇狀發(fā)展而產(chǎn)生膨脹開裂,導(dǎo)致強度下降。季林等[2]對永嘉三江淤泥固化土強度發(fā)展與微觀進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,固化土孔隙率與含水率成正比關(guān)系。姜赟等[3]對脫硫灰-水泥固化淤泥強度特性與固化-抽濾聯(lián)合加固應(yīng)用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,脫硫灰的加入會使土的液限和塑性指數(shù)顯著下降。傅英坤[4]對鋼渣協(xié)同橡膠固化濱海港口淤泥的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,隨著鋼渣摻量的增加,試樣的阻尼比逐漸降低,抗震性能逐漸減弱。吳亞玉[5]對河道淤泥固化土干濕耐久性試驗進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,通過摻加固化劑改造淤泥固化土,可有效提升其工程性能。?，B等[6]對黃河淤泥固化改性材料力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)試驗進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,試件抗壓強度隨著改性劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。

本文參考以上學(xué)者的研究成果,通過河道淤泥的固化試驗,分析粉煤灰和礦渣含量對疏浚淤泥固化特性的影響,確定最優(yōu)效果時的固化劑成分比例。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

研究使用的河道疏浚淤泥取自某城市內(nèi)河河道,污泥從河岸邊移除0.3m表層土后,從1.8m深處挖掘。

淤泥樣品被包裝在聚乙烯袋中,以避免在運輸過程中以及在測量河流污泥的天然含水量之前出現(xiàn)水分損失。根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019),在實驗室對河道淤泥的基本物理性質(zhì)進(jìn)行測試,研究使用的疏浚淤泥詳細(xì)特性見表1。由表1可知,河流淤泥的含水量為89.2%,表明其柔軟且抗剪強度低;由于72%以上的顆粒小于0.01mm,河流淤泥主要由細(xì)粒黏土組成。

表1 河道淤泥樣品的性能指標(biāo)

在本次研究中,水泥是主要的固化劑,而粉煤灰和礦渣是輔助固化劑。選取的粉煤灰為F類粉煤灰,選取的礦渣為s95級高爐礦渣。

2.2 試驗方法

為了比較不同配比的復(fù)合固化劑對污泥的影響,本文對9個試驗樣品進(jìn)行優(yōu)化組合。固化劑的具體比例見表2。在試驗過程中,為了解水泥體系中的固化效果和機理,對各組的固化效果進(jìn)行分析和比較。A1-A5試驗組比較了粉煤灰含量對凝固的影響,而A6-A9試驗組比較了礦渣含量對凝固的影響。

表2 不同固化方案和混合物質(zhì)量配合比

首先使用攪拌器將污泥均勻攪拌約10min,再將固化劑倒入污泥中并充分混合15min,然后再次攪拌均勻,最后倒入內(nèi)壁涂有凡士林的模具內(nèi),在自然條件下固化。將固化后的污泥混合物分3層裝入模具內(nèi),然后放在振動臺上,每層振動6～12min,以便污泥排出氣泡。振動結(jié)束后,用保鮮膜將污泥密封24h,之后將其從模具中取出,放入溫度20±2℃、濕度大于95%的養(yǎng)護(hù)箱中,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,在105℃溫度下的烘箱中,通過對固化污泥樣品進(jìn)行24h加熱來測量水含量。同時,為了比較粉煤灰和礦渣復(fù)合固化劑對固化污泥性能的影響,采用電動四聯(lián)直剪儀進(jìn)行直剪試驗。

試驗在養(yǎng)護(hù)期第1、第6、第9、第18和第28天測量含水量,養(yǎng)護(hù)效果可通過觀察水分含量的變化來分析。

根據(jù)污泥試驗規(guī)則,采用環(huán)刀試樣進(jìn)行抗剪強度試驗。將4個試件安裝在直剪機上,在60、120、240和420kPa的法向應(yīng)力下,對試件進(jìn)行剪切,剪切位移8mm,并在第9、第18和第28天測量剪切強度參數(shù)。

使用掃描電子顯微鏡(SEM),檢查固化前后污泥表面的物理和化學(xué)性質(zhì),以確定固化反應(yīng)的增強效果,并在固化后28天進(jìn)行液體塑性極限和顆粒尺寸分析。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 粒度分析

固化28天后固化污泥的粒度分布見圖1。固化污泥和未固化污泥(US)的粒度分布曲線存在明顯差異。由圖1可知,加入粉煤灰和礦渣后,A1-A9試驗組的固化污泥顆粒均比未固化污泥顆粒大。由于固化劑導(dǎo)致污泥顆粒團(tuán)聚,在固化劑的膠結(jié)作用下,污泥顆粒凝結(jié)成大顆粒,而水合作用產(chǎn)生的水合硅酸鈣膠體,附著在污泥顆粒表面或使其重疊,從而增大顆粒尺寸,使污泥顆粒凝結(jié)成大顆粒,從而增大顆粒尺寸。

圖1 固化污泥的顆粒分布

由圖1(a)可知,未固化污泥中12.86%的顆粒大于0.02mm;隨著固化后粉煤灰含量的增加,A1-A5中大于0.02mm的顆粒量分別增加至15.76%、19.01%、19.74%、22.33%和23.94%,與未固化污泥相比增加了2.90%、6.15%、6.88%、9.47%和11.08%。由圖1(b)可知,A6-A9試驗組的礦渣含量增加,大于0.02mm的污泥顆粒百分比分別增加至15.56%、24.39%、28.62%和31.54%,與未固化污泥相比增加2.71%、11.54%、15.74%和18.68%。由此可知,固化劑含量增加,會增加固化污泥顆粒的尺寸,污泥顆粒越小,污泥的比表面積就越大。因此,固化劑的加入改變了顆粒度級配,提高了固化污泥的承載能力。

3.2 界限含水量分析

未固化污泥(US)和使用不同比例固化劑固化28天污泥的液限、塑限和塑性指數(shù)測試結(jié)果見圖2。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)組中阿太堡界限的變化

由圖2可知,固化污泥的阿太堡界限發(fā)生了顯著變化。A1-A5和A6-A9試驗組的液限和塑限隨著粉煤灰和礦渣含量的增加而增加,但塑性指數(shù)隨著粉煤灰和礦渣含量的增加而降低。而固化污泥阿太堡界限的變化是由于固化過程中產(chǎn)生了火山灰反應(yīng)和絮凝產(chǎn)物,污泥顆粒和水化產(chǎn)物的重疊形成了穩(wěn)定的空間框架。由于液限和塑限的增加,水合硅酸鈣凝膠在固化污泥系統(tǒng)中隨之增加,且具有高度分散性和較強的吸水能力。而塑性指數(shù)反映了污泥中黏土含量的變化,由于固化污泥塑性指數(shù)的下降,表明固化劑的膠結(jié)作用增加了固化污泥的粒徑,降低了黏粒含量。

3.3 含水量分析

根據(jù)水分子對污泥基質(zhì)的結(jié)合力,固化污泥中的水可分為結(jié)晶水和孔隙水。在固化過程中,污泥中的游離水通過加入固化劑的水合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為結(jié)合水和結(jié)晶水。同時,由于混合過程中水合反應(yīng)的放熱,部分水會蒸發(fā),而含水量是孔隙水含量,由于部分水被吸收并轉(zhuǎn)化為水合硅酸鈣(CSH)和水合鋁硅酸鈣(CASH),而水合物里的水不能通過常規(guī)的105℃干燥去除,但結(jié)合水的增加可以通過孔隙水的減少減去水分的蒸發(fā)來獲得。

固化污泥在不同固化齡期下的含水量變化見圖3。加入固化劑后,隨著固化時間的增加,固化污泥的含水量顯著下降,表明結(jié)晶水含量逐漸增加。由此可知,隨著固化時間的延長,固化污泥中會形成更多的鈣礬石。由圖3可知,從養(yǎng)護(hù)第1至第9天起,試驗組A3和A8的含水量分別從77.96%和76.51%下降至58.67%和57.03%,下降率分別為19.29%和19.48%。養(yǎng)護(hù)第7至第28天后,含水量分別從58.67%和57.03%下降至49.82%和47.76%,下降率分別為8.85%和9.27%。研究顯示,在養(yǎng)護(hù)的早期階段,含水量下降相對較快,表明固化反應(yīng)主要發(fā)生在固化過程的早期階段。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期固化水泥含水量變化

由圖3可知,在粉煤灰含量為2.5%～10.5%(A1-A5)時,5個固化組固化污泥在相應(yīng)固化時間內(nèi)的含水量先快速降低,然后降低速度減慢,其中A3的含水量最低。在礦渣含量從0%～2.4%(A6-A9)時,4個固化組在相應(yīng)固化時間內(nèi),固化污泥的含水量先快速降低,然后降低速度減慢,其中A8試驗組的含水量最低。水含量的降低表明,在A3和A8試驗組中,大量水參與了火山灰和水化反應(yīng)。通過比較粉煤灰含量組和礦渣含量組的含水量可知,A8試驗組的含水量最低,即火山灰和水化反應(yīng)程度在A8固化組中最高。

3.4 直接剪切試驗

A3試驗組在240kPa垂直應(yīng)力下,不同養(yǎng)護(hù)齡期的剪切應(yīng)力-應(yīng)變見圖4。由圖4可知,當(dāng)剪切位移保持不變時,A3試驗組的剪切應(yīng)力隨著固化齡期的增加而增加。

圖4 A3組不同固化時間應(yīng)力-應(yīng)變變

A1-A9試驗組在240kPa垂直應(yīng)力下,養(yǎng)護(hù)齡期為18天的剪切應(yīng)力-應(yīng)變見圖5。由圖5可知,固化污泥的剪切應(yīng)力隨著剪切位移的不斷積累而逐漸增大,最終達(dá)到峰值強度,然后再趨于穩(wěn)定。相較于其它樣品峰值剪切應(yīng)力,A8試驗組的峰值剪切應(yīng)力最大。

圖5 不同固化劑含量的應(yīng)力-應(yīng)變變化

固化污泥的抗剪強度指標(biāo)見圖6。由圖6可知,在養(yǎng)護(hù)齡期為9、18和28天時,內(nèi)聚力迅速增加,內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出相同增加趨勢。由此可知,在水化和火山灰反應(yīng)條件下,固化污泥顆粒的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著固化時間的增加而增加。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)時間對內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角的影響

試驗結(jié)果表明,復(fù)合固化劑對提高污泥抗剪強度有顯著效果。粉煤灰和礦渣被作為火山灰材料,在固結(jié)過程中產(chǎn)生大量膠結(jié),是提高污泥強度的主要驅(qū)動因素。同時,粉煤灰中含有不同粒度分布的細(xì)小顆粒,該顆粒質(zhì)地非常細(xì)密,在污泥中起到填充和致密作用。隨著礦渣含量的增加,污泥顆粒之間的內(nèi)聚力增加,吸水率降低,水膜厚度減小。

由圖6可知,在養(yǎng)護(hù)齡期為28天時,隨著粉煤灰含量的增加,A1-A5試驗組的抗剪強度先增加后降低。A3試驗組具有最高的剪切強度,而A1、A2和A3試驗組的內(nèi)聚力分別為47.59、53.41和57.36kPa,內(nèi)摩擦角分別為30.78°、34.64°和40.22°。

與A3試驗組相比,A4-A5試驗組的剪切強度有不同程度下降,A4和A5試驗組的內(nèi)聚力分別為56.58、53.48kPa,內(nèi)摩擦角分別為38.54°和33.21°。這種差異表明,添加超過6.5%的粉煤灰,會削弱固化污泥。過量的粉煤灰增加了固化污泥的脆性,降低了破壞應(yīng)變,提高了固化污泥的抗剪強度。但粉煤灰含量過多,會導(dǎo)致細(xì)污泥結(jié)塊,并引入阻止水化反應(yīng)的成分,限制顆粒和膨脹填充空隙的膠結(jié)效果,降低固化污泥的強度。

與A3試驗組結(jié)果相類似,A6-A8試驗組的剪切強度隨著礦渣含量的增加而增加,該組樣品的內(nèi)聚力分別為49.67、57.92和60.69kPa,內(nèi)摩擦角分別為37.63°、40.37°和40.89°。A9試驗組的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為57.68kPa和38.16°,相較于A8試驗組有輕微下降。由此可知,一定范圍內(nèi)增加礦渣含量可以大大提高固化污泥的強度,但過量礦渣會影響水化產(chǎn)物的界面完整性。

通過分析A3和A8試驗組的固化效果可知,A8試驗組固化效果最優(yōu)。因此,6.5%的粉煤灰和1.8%的礦渣固化劑最適合提高污泥的抗剪強度。

4 結(jié) 論

本文通過河道淤泥的固化試驗,對疏浚淤泥固化特性進(jìn)行了研究,結(jié)論如下:

1)固化劑含量增加,會增加固化污顆粒泥的尺寸;液限和塑限隨著粉煤灰和礦渣含量的增加而增加;水合硅酸鈣凝膠在固化污泥系統(tǒng)中,隨著液限和塑限的增加而增加。

2)隨著粉煤灰和礦渣含量的增加,固化污泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈先增大再減小;通過分析各試驗組的固化效果,確認(rèn)采用6.5%的粉煤灰和1.8%的礦渣固化劑,對提高污泥的抗剪強度效果最優(yōu)。

3)污泥固化效果與污泥類型等有關(guān),研究結(jié)論在應(yīng)用時,需要結(jié)合項目情況進(jìn)行綜合評估,以保證河道污泥固化效果。