水玻璃-碱渣-矿渣固化高含水率淤泥的强度性质*

何 俊 石小康 栗志翔

(湖北工业大学土木建筑与环境学院 武汉 430068)

0 引 言

我国水利和水环境治理、城市建设等工程的大规模开展，产生大量疏浚淤泥急需处理处置。通常情况下，疏浚淤泥含水率高、强度低，并含有有机质和一些污染物质。

表 1 疏浚淤泥、碱渣和矿渣的主要化学组成(%)Table 1 Bulk chemistry of dredged silt， SR and GGBS(%)

常规处置方法如海洋倾倒和陆地抛填等不可避免地侵占大量土地资源，而且对周围环境造成污染风险和安全隐患。在众多处理利用技术中，固化技术由于其适用性强、施工效率高等优点而被广泛采用。利用固化剂与淤泥中水和土颗粒的反应，可降低和转化水分含量，增强颗粒间的联结力，便于淤泥的运输和填埋，从而将疏浚淤泥转化为填土工程、水利工程、道路工程的良好土工材料。目前对于高含水率淤泥的固化，常用的固化剂以水泥为主(汤怡新等， 2000; 朱伟等， 2005； 张春雷等， 2007； 王鹏等， 2015)，为获得高强度固化淤泥，需要增加水泥的掺入比，造价较高； 为改善淤泥固化处理成本偏高问题，粉煤灰(Jongpradist et al.，2010)、磷石膏(桂跃等， 2014； Ahmed，2015)、废石膏(丁建文等， 2012)等工业废渣常被作为疏浚淤泥的辅助固化剂，这些废渣有助于降低淤泥的含水率，并与水泥的水化产物发生反应形成新的产物，起到提高固化淤泥强度的作用； 在水泥系固化材料中加入快速吸收水分的高分子添加剂，可有效降低淤泥含水率并提高固化淤泥的强度(Bian et al.，2016)； 用粉煤灰和矿粉代替水泥来固化淤泥时，采用水玻璃等碱激发剂激发粉煤灰和矿渣的活性，也取得了较好的效果(孙秀丽等， 2017)。

碱渣(Soda Residue， SR)是盐化工产业氨碱法生产纯碱过程中产生的碱性固体废弃物，通常采用地表堆存的方式处置，容易造成土壤盐渍化、空气粉尘和地下水污染。碱渣资源化利用主要有用作填筑工程土(严驰等， 2007)、废弃盐腔回填材料(冀国栋等， 2015)、建筑材料(杨医博等， 2017)等，但存在锈蚀钢筋、回填材料结构疏松等问题。在用作固化材料方面，以碱渣、矿渣、粉煤灰等为主要原材料，掺入脱硫石膏和激发剂制成新型无熟料碱渣固化剂，可用于固化淤泥质土，掺量为20%的固化效果与10%的水泥固化土相当(孙家瑛等， 2014)； 碱渣中活性组分可强化骨架效应，提高改性土强度和稳定性，并降低重金属浸出量(杨朝旭等， 2010)。但目前碱渣的应用量远低于排出量，利用率较低。

本研究为扩展碱渣的资源化利用途径，以碱渣和矿渣(Ground granulated blastfurnace slag， GGBS)作为高含水率疏浚淤泥的固化剂，并选用水玻璃为激发剂，开展正交试验，探讨不同龄期固化土无侧限抗压强度变化规律，结合固化土物相分析，研究碱渣、矿渣和水玻璃对固化土强度的影响机制，以期达到将碱渣和疏浚淤泥两种废弃物转化为良质土资源的目的。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验土样为武汉巡司河疏浚淤泥，颜色为灰黑色，呈流塑状态。土样的液塑限分别为55.0和38.7%，为高液限黏土； 淤泥的主要化学成分和矿物成分分别见表 1和图 1所示。可以发现，疏浚淤泥中SiO2、Al2O3和 Fe2O3总量高达88.6%，主要矿物成分为石英、高岭石、白云母和伊利石等。

图 1 试验材料的XRD图谱Fig. 1 XRD diffractograms of raw materials1. 石英; 2. 高岭石; 3. 白云母; 4. 伊利石; 5. 碳酸钙; 6. 半水硫酸钙; 7. 二水硫酸钙; 8. 硅酸钙

试验所用碱渣和矿渣分别取自湖北双环科技股份有限公司和中建三局商品混凝土公司，其主要化学成分和矿物成分见表 1和图 1。可以发现，碱渣中除CaO外，SO3和Cl含量也较高，主要矿物成分为碳酸钙(CaCO3)和硫酸钙(CaSO4)以及少量的氢氧化钙(Ca(OH)2)等，在105℃烘干24h后碱渣中的二水硫酸钙转变为半水硫酸钙； 矿渣中CaO、MgO、SiO2和Al2O3总量高达95.3%，主要矿物成分为硅酸钙(CaSiO3)和CaCO3等。试验所用硅酸钠水玻璃为无色半透明黏稠状液体，参考孙秀丽等(2017)研究成果，试验时将其模数调整为1.0后使用。

表 2 正交试验方案及结果Table 2 Orthogonal test scheme and results

1.2 试验方案

根据初步试验确定固化剂掺量范围，采用3因素3水平的正交试验设计方案，套用L9(33)正交试验表，以3d、7d和28d无侧限抗压强度为检测指标，正交试验方案及试验结果见表 2所示，其中掺量为碱渣、矿渣和水玻璃各自的质量与淤泥干质量的比值，以百分数表示。根据正交试验结果选定较优掺量，改变试样初始含水率探讨含水率对固化土性质的影响。

1.3 试验方法

2 试验结果分析

2.1 正交试验结果

根据表 2中所示无侧限抗压强度测试结果，进行正交试验极差分析见表 3所示。可以看出，试验中影响固化土3d无侧限抗压强度因素的主次关系为碱渣>水玻璃>矿渣，而影响7d和28d无侧限抗压强度因素的主次关系变为水玻璃>碱渣>矿渣。各龄期3个因素的优水平组合均为A1B1C1，即现有固化剂水平下碱渣、矿渣和水玻璃的掺量越高，强度越大。

表 3 正交试验极差分析表Table 3 Orthogonal extreme difference analysis

k为各水平的平均值，R为极差

研究表明，固化材料对淤泥的固化作用可分为短期作用和长期作用，前者包括吸水、絮凝和碳化等，后者主要是水化反应(Ahmed， 2015)。正交试验中由于碱渣掺量较多，将其掺入淤泥能有效降低含水率，与淤泥及孔隙水反应迅速； 且碱渣颗粒粒径大于淤泥及矿渣，其骨架作用较明显，因此3d时碱渣的影响最大。水玻璃在7d和28d时影响更明显，表明水玻璃对矿渣的碱激发作用是需要一定时间的，孙秀丽等(2017)也证实了这一点。

表 4 正交试验方差分析表Table 4 Orthogonal variance analysis

F0.10(2， 2)=9.00，F0.05(2， 2)=19.0正交试验方差分析结果见表 4所示。可以看出， 3d时F值大小为FA>FC>FB，表明各因素对3d强度影响显著性差异中碱渣影响最大，矿渣影响最小，均不显著； 7d时F值大小为FC>FA>FB，水玻璃的影响超过了碱渣，但仍不显著； 28d时F值大小仍为FC>FA>FB，水玻璃的F值为17.89，超出F0.10(2， 2)=9.00较多，影响显著，而碱渣和矿渣的影响不显著。

2.2 养护龄期和固化剂掺量的影响

图 2 无侧限抗压强度及破坏应变随养护龄期的变化Fig. 2 Effect of curing time on unconfined compressive strength and failure straina. 无侧限抗压强度；b. 破坏应变

固化淤泥试样无侧限抗压强度和破坏应变随养护龄期的变化见图 2所示。可以看出：所有试样的强度均随养护龄期的增加而增大。大部分试样的破坏应变表现出随龄期的增加而减小。强度较高的试样脆性较强，破坏应变也较小，且随养护龄期的变化不明显。例如强度最大的序号(1)试样破坏应变最小，为1.25%～1.5%； 强度第二的序号(6)试样破坏应变也较小，为2%～2.5%。强度较低的试样破坏应变随养护龄期的增大而减小的趋势较为显著，例如序号(9)和序号(7)等试样。序号(3)和序号(5)试样养护28d时破坏应变低于养护3d和7d时的破坏应变，但可能由于试验误差等原因，从3d到7d时破坏应变有所增大。张春雷等(2007)在研究疏浚淤泥固化筑堤的现场试验研究中指出， 28d强度200kPa以上、破坏应变在2.8%以下的固化土可以满足一般填土工程的要求。因此，序号(1)、(2)、(4)和(6)的试样可满足一般填土工程的要求，其优劣顺序为(1)>(6)>(2)>(4)。

通过各试样强度对比发现，当水玻璃掺量一定而碱渣和矿渣总掺量相同时，碱渣对固化淤泥的作用强于矿渣。例如，对于序号(3)、(5)和(7)试样，水玻璃掺量都为5%，碱渣和矿渣总掺量均为40%(3种试样中碱渣和矿渣掺量分别为30%、10%， 25%、15%和20%、20%)，强度大小为(3)>(5)>(7)，且强度较低(均低于100kPa)； 对于序号(2)和(4)试样，水玻璃掺量都为10%，碱渣和矿渣的总掺量均为45%(碱渣和矿渣掺量序号(2)试样为30%和15%，序号(4)试样为25%和20%)，各龄期下强度均为(2)>(4)； 对于序号(6)和(8)试样，其中水玻璃掺量都为15%，碱渣和矿渣的总掺量都为35%(碱渣和矿渣掺量序号(6)试样为25%和10%，序号(8)试样为20%和15%)，各龄期下强度(6)>(8)。烘干碱渣中含有的半水硫酸钙具有胶凝性，在高含水率淤泥中吸水后转变为二水硫酸钙，其具有很好的提高强度的作用，是造成这种现象的原因之一。

部分试样的应力-应变曲线见图 3所示，其中序号(9)、(2)和(1)试样分别对应于强度的最低、中等和最高值。可以看出：对于固化剂掺量较少的试样(如序号(9))，当养护龄期较短时，破坏应变很大，应力降很小，表现出较强的塑性破坏特征； 当养护龄期增加时，应变软化现象变得显著。对于固化剂掺量较大的试样(如序号(2)和序号(1)试样)，3个龄期下应力-应变曲线均表现出应变软化特征，其中序号(1)试样应变软化和脆性破坏特征更明显。

图 3 部分试样的应力-应变曲线Fig. 3 Stress-strain curves for some samplesa. 序号(9)试样；b. 序号(2)试样；c. 序号(1)试样

图 4 含水率对应力-应变曲线的影响Fig. 4 Effect of water content on stress-stain curvesa. 3d；b. 7d；c. 28d

图 5 无侧限抗压强度及破坏应变与含水率的关系Fig. 5 Effect of water content on unconfined compressive strength and failure straina. 无侧限抗压强度；b. 破坏应变

2.3 含水率的影响

由于序号(2)试样碱渣掺量较高且满足一般填土的要求，从提高碱渣利用率的角度考虑，选择序号(2)所对应的掺量，改变淤泥初始含水率进行试验，所得应力-应变曲线和无侧限抗压强度见图 4和图 5。可以看出，含水率对固化淤泥的力学性质影响显著。当含水率越低、养护龄期越长时，试样的强度越高，应变软化现象越显著。当含水率从110%降低到90%时，无侧限抗压强度增大，但增大幅度较小； 当含水率从90%降低到70%时，无侧限抗压强度大幅增加。破坏应变随养护龄期的增加而减小； 3d时破坏应变随含水率的变化规律性不强，但7d和28d时破坏应变随含水率的减小而减小。

含水率对固化土性质的影响，可从以下3个方面来分析：(1)初始含水率为110%、90%和70%的土样的液性指数分别为4.4、3.1和1.9，都处于流塑状态。加入固化剂和激发剂后，混合土样的含水率分别降为77.4%、64.5%和51.6%。当不考虑土样液塑限的变化时，初始含水率为70%土样混合后液性指数降为0.8，处于可塑状态，其他两种含水率的土样仍处于流塑状态，故土样强度差别较大。(2)固化剂与土颗粒及水之间将发生水化反应生成水化产物(图 6)，将进一步降低含水率。由于固化剂和激发剂的掺量是相对于干土的质量，在掺量相同和水量充足的情况下，生成水化产物的总量是相同的，反应所需水量也是相同的。初始含水率为70%土样固化后，存在于水化产物中的水相对于总水量所占比例较高，孔隙水比例较低，强度自然较高。(3)水化反应形成的水化产物起到增强土颗粒之间的胶结和填充孔隙作用。初始含水率低的土样中水化产物在单位体积固化土中的量较多，强度也就能得到显著提高。

图 6 固化土XRD图谱Fig. 6 XRD diffractograms of stabilized soils1：石英; 3：白云母; 4：伊利石; 5：碳酸钙; ◇：水化氯铝酸钙; #：钙矾石; *：水钙沸石; ▼：水化硅酸钙

3 矿物成分分析及讨论

选择强度最低、中等和最高值的3种试样(分别对应序号(9)、序号(2)和序号(1))，进行XRD测试所得结果见图 6所示。可以看出，固化剂和养护龄期变化对矿物成分有一定影响。与原材料XRD图谱相比，矿渣中CaSiO3和碱渣中CaSO4峰消失，淤泥中高岭石、伊利石等黏土矿物峰减弱，表明这些物质发生了反应； 与序号(9)养护3d试样相比，其他固化土中石英的峰减弱，表明这些试样中有更多的活性SiO2参与反应； 序号(9)养护3d和序号(2)养护3d试样中水化氯铝酸钙(Fs)和钙矾石(Aft)的峰不明显，而序号(1)试样中Fs和Aft的峰明显，且随着养护龄期的增加峰值也增加，表明有更多的Fs和Aft生成。另外，在固化淤泥中检测到水钙沸石、水化硅酸钙(C-S-H)、水铝钙石等物质，其中序号(9)养护3d时水钙沸石峰值最高，而其他试样峰值较小。

矿渣水化反应形成及碱渣中的Ca(OH)2，与碱渣中氯盐和硫酸盐形成Fs和Aft：

Ca(OH)2+Al2O3+Cl-+H2O →

Ca(OH)2+Al2O3+CaSO4+H2O→

Fs能在固化土中起到填充孔隙作用(Talero et al.，2011)。而由Aft化学分子式可知，它可将土中大量的自由水以结合水的形式固定下来，且在形成过程中固相体积增加120%左右(黄新等， 1998)，从而有效降低软土含水率，填充于孔隙中，使结构更加致密。

除了具有激发作用外，水玻璃本身与反应剂、碱土金属盐(包括淤泥中存在的和碱渣及矿渣所提供的)等发生化学作用，生成C-S-H(吕擎峰等， 2016)，在高含水率淤泥固化中起到显著地提高强度的作用，因此在正交试验中水玻璃在7d和28d时对强度的影响较大。

淤泥中活性SiO2和Al2O3与Ca(OH)2反应还可生成水钙沸石(段晓牧等， 2014)：

随着水化反应进行，硅和铝不断溶出，碱性环境逐渐改变，部分水钙沸石开始逐步分解，其中的Ca2+与新溶出的Si4+和Al3+发生反应，进一步生成C-S-H(段晓牧等， 2014)，这是导致试样(9)中水钙沸石峰值较高而其他试样中较低的原因。

4 结 论

(1)在正交试验中，碱渣、矿渣和水玻璃的掺量越多固化淤泥的无侧限抗压强度越大，影响固化土3d强度的因素主次关系为碱渣>水玻璃>矿渣，而7d和28d时变为水玻璃>碱渣>矿渣，水玻璃对28d强度的影响显著。

(2)随着龄期的增加，固化土的无侧限抗压强度增大、破坏应变减小。根据一般填土28d无侧限抗压强度和破坏应变的要求，确定了满足条件的4种固化方案。当水玻璃掺量一定而碱渣与矿渣总掺量相同时，由于碱渣掺量较多且半水硫酸钙吸水转变为二水硫酸钙等作用，导致碱渣对固化淤泥的作用强于矿渣。

(3)含水率对固化淤泥的力学性质影响显著。含水率越低，养护龄期越长，应变软化现象越显著； 当含水率从110%降低至90%时无侧限抗压强度有所增加，而从90%降低至70%时强度大幅增加。

(4)淤泥中的活性SiO2和高岭石、伊利石等黏土矿物、碱渣中Ca(OH)2和CaSO4，矿渣中的CaSiO3等参与水化反应，吸收了大量的水分，生成了钙矾石、水化氯铝酸钙、水钙沸石等物质。水玻璃与碱渣对矿渣的激发、水玻璃与碱土金属盐等的反应、水钙沸石的分解等作用，可生成水化硅酸钙等胶结物质。水化产物的填充和胶结作用提高了淤泥的强度。