碱激发粉煤灰固化淤泥的强度特性及微观机制*

2022-05-06许国庆李深圳马媛媛王士权牛智勇

科学与信息化 2022年8期

许国庆李深圳马媛媛王士权牛智勇

宿州学院安徽宿州 234000

引言

我国在河湖疏浚、港口建设、航道疏浚等工程中每年产生的废弃淤泥高达数亿方，淤泥的安全有效处置已经迫在眉睫[1-2]。化学固化处置是指淤泥与水泥等胶凝材料混合制成新型土工建筑材料，既可以实现以废治废和资源利用，又可避免环境污染，是广泛使用的技术之一。

水泥作为传统固化剂具有能耗高、消耗自然资源等缺点，利用粉煤灰、矿渣等固废材料替代部分水泥既可以节约资源，又能实现淤泥的高效固化处置。现有研究证实了NaOH、水玻璃等碱激发剂对矿渣、粉煤灰激发效果较好，可有效提高试样抗压强度[3]。杨爱武[4]用掺加碱性外加剂的水泥对海积软土进行加固，通过现场和室内试验证明了碱性环境可以提高水泥土的强度性能，吴燕开[5]用烧碱激发钢渣固化淤泥质土，发现烧碱可以促进固化土的早期强度，并且单硫型硫铝酸钙可以提高固化土强度，王东星[6]等研究了MgO激发粉煤灰固化淤泥的抗干湿、冻融和浸水性能，证明了该碱激发固化剂对淤泥具有良好的加固效果，且具有较强的环境耐久性。

本研究采用水泥和粉煤灰为固化剂，选取NaOH和Na2SO4为碱激发剂，开展无侧限抗压和电子扫描显微镜实验，分析固化淤泥的强度性能和微观孔隙结构，并通过侵蚀溶液淋溶试验（pH和氧化还原电位）评价固化淤泥作为土工建材的环境耐久性。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

本实验所用淤泥取自安徽省宿州市某河道底泥，呈灰黑色，取回先进行自然晾晒，然后60℃烘干粉碎，过2mm的筛备用。根据《土工试验方法标准》测得淤泥理化指标，液限53%，塑限26%，基本性质指标如表1所示。所用的碱激发剂NaOHNa2SO4为分析纯级。粉煤灰呈深灰色粉末状，其主要化学成分为 CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、MnO等，比表面积为402m2/kg，为一级粉煤灰。试验所用水泥为#32.5普通硅酸盐水泥，其主要化学成分为 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，符合GB175标准。

表1 淤泥理化性质指标

1.2 实验配比和试样制备

实验配比和相应编号如表2所示。表中NaOH、Na2SO4、水泥和粉煤灰的含量均为各自与干土的质量比。表2中编号“HaSbPcFd”所表示的含义为：H表示NaOH，S表示Na2SO4，P表示水泥，F表示粉煤灰，a、b、c、d分别表示NaOH、Na2SO4、水泥、粉煤灰的质量比。

表2 实验配比

本实验先将淤泥初始含水量调配为70%，将其与固化剂均匀混合，利用搅拌机充分搅拌5min。然后将混合淤泥浆倒入 PVC模具（内径50mm，高度50 mm），并进行机械振动，以消除内部滞留气泡，最后将试样与模具一起放入标准养护箱（20±2℃），相对湿度≥95%），直到试样硬化足以脱模。将脱模试块用自封袋完全密封，养护至预定龄期（7天、28天）。每种配比均制备3个平行试样，以确保可重复性，并取平均值作为最终的无侧限抗压强度。

1.3 无侧限抗压和微观测试

本实验通过采用液压伺服试验机测定试样的无侧限抗压强度，垂直加载速率为1mm/min。从压碎后的试块中取样，进行冷冻干燥处理，再利用扫描电子显微镜（SEM）对干燥样品的自然断面进行微观形貌分析。

1.4 侵蚀淋溶试验

参照半动态浸出试验，试样标准养护14天后，每组取3个平行样进行半动态淋溶试验，侵蚀溶液Na2SO4的浓度为0.1mol/L，每只烧杯间隔一定时间更换淋滤液，每次淋滤结束后，对浸出液进行pH、氧化还原电位测定。设置水泥固化淤泥作为对照组（C2O）。

2 试验结果与分析

2.1 激发剂对无侧限抗压强度的影响

图1 固化淤泥的无侧限抗压强度

保持碱激发剂的总质量比不变，探究碱激发剂的种类对固化淤泥无侧限抗压强度的影响。掺入2%NaOH试样H2P14F6在28天养护期下的无侧限抗压强度为900kPa，掺入2%Na2SO4（S2P14F6）试样28天龄期的无侧限抗压强度为1250kPa，说明Na2SO4的单独碱激效果要优于NaOH。当碱激发剂Na2SO4和NaOH各掺入1%时（H1S1P14F6），28天龄期强度为1600kPa，表明复合激发效果更好。固化机理如下：当单独采用NaOH作为激发剂时，水解后产生充足的氢氧根离子（OH-），而粉煤灰主要化学成分是二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3），在高碱性环境下，粉煤灰的硅氧键（Si-O）、铝氧键（Al-O）断裂，二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3）转化为硅酸钠（Na2SiO3）和硅铝酸钠（NaAlO2），释放出更多的游离态活性硅铝元素，在水介质作用下重新聚合生成水化硅酸钙（C-S-H）、水化铝酸钙（C-A-H）等凝胶性物质，这些水化产物发挥在土颗粒表面沉淀包裹，并在土团聚体间胶结搭桥，从而提高固化淤泥土的强度。当采用Na2SO4单独激发石灰-粉煤灰混合原料时，石灰首先溶解于水生成OH－和Ca2+，Na2SO4溶解水后生成大量SO42+，在碱性环境下，部分粉煤灰同样被溶蚀释放游离态活性硅铝物质，然后与SO42+和Ca2+发生聚合反应，生成大量的具有体积膨胀性的针状钙矾石（Ettringite，AFt），填充土颗粒团聚体的内部孔隙，显著增大密实性，从而提高固化淤泥强度。

2.2 SEM形貌分析

典型试样的微观形貌如图2所示。图2（a）为不添加任何固化剂的初始淤泥，其微结构由不同粒径的土颗粒组成，团聚体中有较大的孔隙，整体结构十分松散。图2（b）为复合激发固化淤泥H1S1P14F6，当淤泥中加入固化剂后，可以观察到CSH和CAH等胶凝物质，以及针状钙矾石，胶凝物质将土颗粒紧密胶结在一起，钙矾石填充粒间孔隙，大孔隙消失，横断面布满了均匀的小孔隙，结构变得非常密实，在外力作用下内部的黏聚力和摩擦角明显提高，这是固化淤泥无侧限抗压强度提高的主要原因。

图2 28天期龄固化试样微观结构

2.3 侵蚀淋溶液的理化指标

半动态淋溶液的pH和氧化还原电位变化如图3所示，即在2h时初始淋溶中，固化体未发生破坏，pH偏低，7小时淋溶后pH进一步下降。1天之后，固化体内部碱性离子析出，导致pH陡增，并随着淋溶循环级数的增加，固化体破坏速率加快，pH逐渐随之下降，11d内均持续下降。在四种固化淤泥中，水泥的pH为最高，水泥的碱性比碱激发固化剂更大。

图3 侵蚀液的pH演变

氧化还原电位是反映侵蚀溶液的宏观氧化还原能力的值，氧化电位越大，其氧化性越强。淋溶液整体的发展趋势如图3（b）所示，淋溶前2天，其氧化还原电位呈逐渐下降趋势，溶液的氧化性变低，固化淤泥内部继续发生水化反应，从2天至11天，氧化还原电位呈现持续增加的趋势，淋溶液中的氧化性逐渐增加，淋溶中析出的氧化性离子变多，固化体侵蚀程度加剧。