添加脱硫石膏和赤泥对复合水泥土性能的影响

2020-06-18索崇娴郝雅芬樊珮阁董晓强

硅酸盐通报 2020年5期

索崇娴，郝雅芬，樊珮阁，温浩，董晓强

(太原理工大学土木工程学院，太原 030024)

0 引言

水泥土是将软土与外加剂进行混合，经物理化学反应产生凝结硬化，得到的一种材料强度改善的复合土[1]。水泥土较混凝土材料而言更加经济，但在大型工程中水泥用量也比较大，成本偏高，因此许多学者考虑可以掺其他外加剂，保持材料较好性能的同时，降低水泥用量。其中，脱硫石膏是一种比较常见的外加剂[2]，主要将其与矿渣[3]和粉煤灰[4]等物质进行联合利用，制备胶凝材料及建筑材料[5-6]。

脱硫石膏(Flue Gas Desulphurization Gypsum,FGD)是燃煤电厂产生的含有大量二水硫酸钙矿物的废渣[7-8]，呈现一定黏性[9]。赤泥是制备氧化铝所产生的工业废渣[10]，具有比表面积大、颗粒较小、存在一定潜在活性胶凝物质等性质，可用作建筑材料[11]及矿山充填剂[12]的制备。有学者发现FGD和赤泥之间存在激发作用，可联合利用进行固化剂的制备[13-14]。

目前国内外对FGD和赤泥的利用率都很低，但其产量和储量却在逐年上升。因而本文将这两种固废物联合利用制备复合水泥土，研究固废物对水泥土强度及应力-应变的复合影响，以拓宽其在工程中的应用。

1 实验

1.1 试验材料

试验材料照片如图1所示,水泥(图1 (a))选用42.5#普通硅酸盐水泥，FGD(图1(b))取自太原某电厂，土(图1(c))取自山西太原某建筑工地。经检测，土粒比重Gs=2.7，液限ωL=25.2%，塑限ωP=15.3%，塑性指数Ip=9.9，黏粒含量为19.6%，粉粒含量为78.7%，砂粒含量为1.7%。根据标准GB 50021—2001(2009版)，可判定为粉土。赤泥(图1(d))材料为拜耳法赤泥，其塑性指数Ip=11.9，黏粒含量为59%，粉粒含量为27.3%，砂粒含量为13.7%，根据标准可知其具有粉质黏土性能。各试验材料主要化学成分见表1。

图1 试验材料Fig.1 Materials photos

表1 试验材料的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of materials /%

1.2 试验方法

参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70—2009，以表2中各方案进行固化土的制备(各材料百分比均以干土重量为基准)。各方案中，固废物总量(FGD+赤泥)和水泥所占土的比例保持不变，两种固废物比例发生改变。将制备好的试样标准养护到待测龄期7 d、14 d、28 d时，进行无侧限抗压强度、应力-应变、SEM、XRD及pH值的测定。

表2 方案编号及试验材料占干土比例Table 2 Test scheme No. and the proportion of materials to dry soil /%

2 结果与讨论

2.1 应力-应变曲线

图2 应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves

图2为14 d复合水泥土的应力-应变曲线。曲线开始呈上凹型，试块内原先存在的细微裂纹和孔隙在外力作用下不断被挤压[15]。随着应变的增大，应力不断上升并达到峰值。其中，方案6的试块峰值应力最大，较方案1增大约8倍(σ1=1.35 MPa，σ6=10.80 MPa)。同时，曲线的斜率在逐渐增大，即复合土的弹性模量在增大。这可能是由于赤泥和FGD颗粒粒径大小不同，二者对试块有充填作用，也可能是二者比例不同使试块内部发生的反应加剧，生成了更多的胶凝材料，导致弹性模量增大。随应变的持续增加，材料在达到峰值应力后出现应力软化现象。此外，随着固废物中脱硫石膏量的增加，复合土的峰值应变有所减小，说明材料配比对复合水泥土韧性有影响，使材料偏脆性发展。

图3为试块受压过程中的裂缝发展图。由图可知，单轴受压阶段，试块在外力作用下原有的诸多细小裂隙或孔洞逐渐被压实。随着应变的增加，复合土试块表面开始出现细小裂纹，并逐渐扩展成较大的裂缝(如图3(a))。当应力-应变曲线超过峰值应力后，裂纹不断产生，已存在裂纹迅速发展并不断贯通(如图3(b))，最终导致试块破坏。

图3 试块受压过程中的裂缝发展图Fig.3 Crack diagram of test block

图4 无侧限抗压强度随FGD掺量的变化Fig.4 Changes of unconfined compression strength with FGD content

2.2 无侧限抗压强度随FGD掺量的变化

图4为固废物总量一定的情况下，固化土无侧限抗压强度随FGD掺量的变化曲线。强度曲线呈上升趋势，且增幅先大后小。曲线的变化趋势以FGD∶赤泥=1∶1为界限，可分为A和B两个区域。A区为FGD∶赤泥<1∶1，B区为FGD∶赤泥>1∶1。A区，试块强度增大的趋势较稳定，且增幅较大，强度值从1 MPa增大到约8 MPa；B区，曲线的增长趋势变缓，试块强度的变化幅度降低。说明在FGD与赤泥之间存在较优的比例，且FGD占比量的增大会改善固化土的强度性能。

曲线呈现出A和B两个区域不同的变化趋势，可能是由于FGD含量对生成物钙矾石的影响所导致的。试块中的孔隙较大时，FGD存在的条件下，水泥及赤泥中活性物质发生水化反应会生成细针状钙矾石；当FGD的含量逐渐增大时，钙矾石的结构发生改变，形成的钙矾石逐渐由细针状转变为长杆状，短柱状和六角柱状[16]，使得结构更加致密，出现强度增大的趋势。但是在FGD添加到一定程度时，其添加对材料内部结构的密实度影响程度降低，且赤泥量的减少使得产生钙矾石的碱性环境有所变化，因而强度的提高幅度变平缓。

图5为土和固化土的SEM照片，土中存在很多不规则的孔隙，而固化土中由于内部细小颗粒和水化反应产生的胶结物等对孔隙进行了填充和黏结，结构密实度得到提高，强度得到提高。赤泥中的活性物质[17]及水泥中物质的水化会产生水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙等胶结物质[18]。赤泥颗粒粒径较小，会对结构中的孔隙发挥填充效应，FGD的黏性会使结构整体性提高。此外，在赤泥碱性环境下[19]，试块中活性物质铝酸三钙和铁铝酸四钙等物质会与CaSO4·2H2O反应生成钙矾石[20]。这些物理化学反应均会对试块的孔隙进行填充，使其整体性得到改善，强度提高。

图5 土与固化土的SEM照片Fig.5 SEM images of soil and stabilized soil

2.3 无侧限抗压强度与龄期的关系

图6 无侧限抗压强度随龄期的变化Fig.6 Changes of unconfined compression strength with curing age

各方案下，试块无侧限抗压强度随龄期变化的柱状图如图6所示。当FGD∶赤泥<1∶1时，强度随着龄期的增大而增大，增加幅度相对稳定；当FGD∶赤泥>1∶1时，试块的强度在后期有所降低。

图7为FGD掺量为30%时固化土的XRD谱，图7(a)所示为试块养护7 d后的矿物成分分析，从图中可以看到，固化土中有SiO2、CaSO4·2H2O、CaCO3和CaAl2Si2O8·4H2O等物质。图7(b)所示为相同材料配比下28 d固化土的成分分析，与图7(a)相比，图中有一些峰值消失，有些峰值处矿物成分有所改变，说明龄期对试块中矿物成分有影响。