堿渣-礦渣-水玻璃對(duì)流態(tài)固化土的影響研究

摘 要：目前國(guó)內(nèi)工業(yè)固廢的堿渣和礦渣應(yīng)用程度不高，多為填埋處理，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。本文根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外研究成果，設(shè)計(jì)了不同成分摻量比例、不同齡期流態(tài)固化土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案，研究了堿渣-礦渣-水玻璃對(duì)疏浚淤泥的固化作用影響，分析了固化土強(qiáng)度隨成分摻量比例的變化規(guī)律以及各成分對(duì)疏浚淤泥的固化機(jī)理，結(jié)果表明，堿渣-礦渣-水玻璃組分可應(yīng)用于施工工程用流態(tài)固化土中，可有效使用工業(yè)固廢，節(jié)約自然資源，是一種節(jié)能環(huán)保的新型綠色建筑材料。

關(guān)鍵詞：水玻璃；堿渣-礦渣；流態(tài)固化土；抗壓強(qiáng)度

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TU 44" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)工業(yè)進(jìn)程不斷加快，隨之產(chǎn)生了大量無(wú)法處置的疏浚淤泥，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了破壞[1]。針對(duì)疏浚淤泥的特點(diǎn)，通常處理方式為堆積填埋，因此存在一定程度的危險(xiǎn)性以及環(huán)境污染[2]。目前用于固化疏浚淤泥的固化劑主要成分多為水泥，為了降低成本也使用粉煤灰、磷石膏等，目前效果很好。

激發(fā)堿渣中的活性成分可以強(qiáng)化土壤骨架效應(yīng)，提高土壤的強(qiáng)度和土壤穩(wěn)定性。目前，堿渣的利用率很低。而礦渣是一種活性、含鈣量很高的礦物材料，摻入礦渣不僅使流態(tài)固化土具有良好的力學(xué)性能，還具有凝結(jié)速度快、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，可以加快工程進(jìn)度，降低工程成本[3]。

因此，本文是以礦渣為基礎(chǔ)，將摻入堿渣作為固化劑，以水玻璃為激發(fā)劑，分析成分不同摻量比例、不同齡期的固化土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，探究這幾種成分組成對(duì)疏浚淤泥的固化作用影響以及提高土壤強(qiáng)度與穩(wěn)定性的效果，最終確定堿渣-礦渣-水玻璃組合固化淤泥的可行性，以期為工程用流態(tài)固化土推廣與應(yīng)用提供合理的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣為沈陽(yáng)渾河流域的疏浚淤泥，顏色為黑色，整體呈現(xiàn)流塑狀。土樣的液限為52%，塑性指數(shù)為27，屬于高液限黏土。土體中含有大量的蒙脫石、伊利石和高嶺石。

堿渣和礦渣均來(lái)源于鞏義市某凈水材料有限公司，堿渣細(xì)度為200；礦渣為S95級(jí)礦渣粉，粒徑主要分布在1～35μm，比表面積為430㎡/kg～460㎡/kg。

水玻璃來(lái)源于某環(huán)境集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的硅酸鈉水玻璃，呈無(wú)色透明黏稠狀，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)將其模數(shù)調(diào)整到1.0。

上述試驗(yàn)材料具體礦物成分見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)材料的具體礦物成分以及初期試配的固化劑摻量范圍，本文流態(tài)固化土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用多因素（堿渣、礦渣、水玻璃）、多摻量的試驗(yàn)方案，設(shè)定每種因素有3種不同摻量，共27個(gè)試驗(yàn)組，為避免人為原因或偶然性試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)誤差，每組制作3個(gè)尺寸為100mm的立方體試件，以3d、7d和28d抗壓強(qiáng)度為檢測(cè)指標(biāo)，試驗(yàn)方案及流態(tài)固化土試件不同齡期的抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表2（其中，摻量為堿渣、礦渣和水玻璃質(zhì)量與淤泥干質(zhì)量的百分比）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2的流態(tài)固化土試件不同齡期的抗壓強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，繪制試件的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線，如圖1所示。

結(jié)合表2和圖1可以看出，隨著流態(tài)固化土摻量比例增加，不同齡期試件的抗壓強(qiáng)度都會(huì)提升，但提升的幅度有很大的區(qū)別。其中，堿渣的摻量比例對(duì)3d抗壓強(qiáng)度的影響最大，堿渣摻量比例越大，其試件前期的抗壓強(qiáng)度就越高。堿渣是化工工業(yè)生產(chǎn)純堿的過(guò)程中產(chǎn)生的伴生物，一般來(lái)說(shuō)，堿渣的處理方式也多為堆積填埋，這種方式很容易對(duì)土地造成污染，形成鹽漬化土壤。為避免資源浪費(fèi)，可以將堿渣制成新型的固化劑，用來(lái)固化淤泥質(zhì)土。當(dāng)堿渣摻量從20%增至25%時(shí)，試件3d抗壓強(qiáng)度值平均提升4.56%。當(dāng)堿渣摻量從25%增至30%時(shí)，試件3d抗壓強(qiáng)度值平均提升3.72%，而水玻璃和礦渣對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的提升效果卻不太明顯。堿渣的化學(xué)組成成分主要為一些含鈣鹽和水不溶物，具有一定的膠凝性[4]，其團(tuán)聚體顆粒之間以點(diǎn)接觸的方式堆積在一起，從而形成了一種松散聚集體，其結(jié)構(gòu)疏松，孔隙繁多，比表面積較大，因此導(dǎo)致其具有很高的吸水性，在相同固液比條件下，有助于提高液相離子濃度，使納米級(jí)顆粒能夠填充到其水化產(chǎn)物中，促進(jìn)水化反應(yīng)[5]，進(jìn)而可大幅度提高流態(tài)固化土的早期抗壓強(qiáng)度。

但從齡期較長(zhǎng)方面（7d和28d抗壓強(qiáng)度）來(lái)看，水玻璃摻量比例對(duì)提升試件抗壓強(qiáng)度幫助更明顯。從圖1可以看出，水玻璃摻量比例每增加5%，試件的7d抗壓強(qiáng)度和28d抗壓強(qiáng)度就分別提高62.51%和27.02%，由此可見(jiàn)，7d時(shí)的抗壓強(qiáng)度就已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上，在堿激發(fā)反應(yīng)過(guò)程中，水玻璃充當(dāng)兩個(gè)角色：一種激發(fā)劑，為堿激發(fā)反應(yīng)提供一個(gè)堿性的、適宜的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，使各成分之間可以更好地發(fā)生堿激發(fā)反應(yīng)；一種反應(yīng)物，直接參與化學(xué)反應(yīng)，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，產(chǎn)物也越來(lái)越多，且在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，大量的自由水結(jié)合成結(jié)晶水，逐漸失去流動(dòng)性，最終逐漸凝結(jié)硬化結(jié)晶，將礦渣粉顆粒包裹其中形成凍結(jié)體[6-7]，因此水玻璃對(duì)礦渣的堿激發(fā)作用是需要一定反應(yīng)時(shí)間的。

礦渣對(duì)提升試件抗壓強(qiáng)度的影響并沒(méi)有那么顯著，但從表2和圖1的數(shù)據(jù)分析來(lái)看，增加礦渣摻量的在一定程度上會(huì)減緩拌合物早期的水化速度，其生成的水化產(chǎn)物受限，使流態(tài)固化土試件早期強(qiáng)度不高或增長(zhǎng)緩慢。在堿激發(fā)劑（水玻璃）的作用下，礦渣可以加速早期水化產(chǎn)物形成，對(duì)礦渣早期強(qiáng)度的發(fā)展起到了非常重要的作用，且礦渣粉顆粒比水泥顆粒更加細(xì)小，可以更好地填充到其水化產(chǎn)物的孔隙中，使流態(tài)固化土具有更加密實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高其抗壓強(qiáng)度。當(dāng)?shù)V渣粉中Al2O3含量較低時(shí)，礦渣粉溶解放熱會(huì)加速水化反應(yīng)早期階段的礦渣粉溶解，或者在超硫酸鹽礦渣以及硅酸鹽礦渣中會(huì)產(chǎn)生鈣礬石，使第二水化反應(yīng)峰峰值強(qiáng)度增加，但Al2O3過(guò)量會(huì)減緩無(wú)定型二氧化硅、石英等成分溶解，延遲水化過(guò)程[8-9]。因此，適量的礦渣粉對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程可以起到積極促進(jìn)的作用，量過(guò)多或者過(guò)少都會(huì)減緩堿激發(fā)反應(yīng)進(jìn)程。

綜上所述，堿渣-礦渣復(fù)合膠凝材料可以應(yīng)用于流態(tài)固化土中，水玻璃可作為堿激發(fā)劑，用來(lái)激發(fā)堿渣和礦渣的水化反應(yīng)，且具有很好的固化效果，其生成的流態(tài)固化土抗壓強(qiáng)度完全可以滿足施工規(guī)范要求。利用固化劑使疏浚淤泥中的水與土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低土體含水率，提高土體抗壓強(qiáng)度，以此可將疏浚淤泥轉(zhuǎn)變?yōu)闃O好的工程用土，可用于回填、市政工程及道路工程等，不僅可以起到廢材再利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用，減少自然資源開(kāi)采，而且還可以發(fā)揮很好的經(jīng)濟(jì)效益，降低施工成本，減少施工工序和縮短施工工期。

3 結(jié)論

堿渣具有一定膠凝性，可有效提升流態(tài)固化土早期抗壓強(qiáng)度，在流態(tài)固化土中應(yīng)用堿渣-礦渣復(fù)合膠凝材料已經(jīng)取得了初步的研究成果，結(jié)果表明可將其用于淤泥治理。

礦渣可作為主要膠凝材料用于固化淤泥質(zhì)土，但Al2O3含量不易過(guò)高，否則會(huì)延遲水化反應(yīng)，降低早期強(qiáng)度。

當(dāng)水玻璃與礦渣中溶出的活性物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)發(fā)生固結(jié)，水玻璃包裹礦渣顆粒形成凍結(jié)體，周?chē)鷥鼋Y(jié)體與礦渣粉體顆粒緊密黏結(jié)，在堿激發(fā)漿體中，礦渣顆粒結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)解體現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

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