3种因素影响下固化废弃淤泥的微观特性研究

2022-07-15朱剑锋陶燕丽

水文地质工程地质 2022年4期

杨浩，朱剑锋，陶燕丽,2,3

（1.浙江科技学院土木与建筑工程学院, 浙江杭州 310023；2.南京工业大学, 江苏南京 211816；3.浙江五洲工程项目管理有限公司, 浙江杭州 310023）

我国东南沿海地区城市地铁、地下快速路等基础设施建设过程中出现了大量的废弃淤泥，以宁波地区为例，每年产生工程废弃渣土、淤泥高达2 200多万吨[1]。这些废弃淤泥具有典型的高含水量、高孔隙比、高压缩性及低强度的特性，无法直接作为工程材料。近年来淤泥固化技术得到了迅速发展，除传统石灰、水泥固化剂得到实际应用之外[2-6]，粉煤灰复合固化剂[7]、电石渣与生物灰复合固化剂[8]、镁质水泥复合固化剂[9-17]以其节能、环保等特点引起了学者们的浓厚兴趣。

作为影响固化土力学性能的重要因素，初始含水率、固化剂掺量、龄期对固化土力学性状影响规律的研究得到广泛关注。Lorenz等[2]建立了固化土剪切模量与含水率之间的指数函数关系。Lee等[3]提出了水泥固化土的无侧限抗压强度与水灰比呈负幂函数关系。董邑宁等[6]认为固化剂强度与龄期、掺入比关系密切。王宏伟等[9]发现淤泥固化土压缩性随着MgO掺量和龄期增加呈逐渐减小趋势。杨爱武等[16]试验研究表明：城市污泥固化土无侧限抗压强度随龄期的增加而增大，含水率越高，无侧限抗压强度越低，超过50%之后强度低于100 kPa。Vichan等[8]、朱剑锋等[12-13]认为固化土无侧限抗压强度与水灰比和龄期分别呈负幂函数关系和对数函数关系。综上，固化剂掺量和龄期的增加或含水率的减少均会引起固化土孔隙率的减小，改善固化土的结构性，进而提高其强度和刚度。然而，上述研究结论均是基于唯象的试验结果提出的，含水率、固化剂掺量、龄期并非诱发固化土力学性状变化的根本诱因。

与天然土体类似，固化土的宏观力学性质主要受其微观结构特征（如颗粒形状、大小、微观孔隙等）控制。张亭亭等[14]扫描电镜试验结果表明固化剂掺量的增加会减少孔径大于1 μm 的孔隙体积，进而提高固化土的强度并降低渗透特性。刘松玉等[15]研究发现含水率会引起固化土的微观孔隙率和孔隙分布。熊路等[18]核磁共振试验和三维显微镜观测发现水泥掺量越高，孔径范围越小，试样整体的平整度和密实性越好，强度越高。因此，开展固化土微观结构变化规律的研究可以从本质上揭示3种因素（含水率、固化剂掺量、龄期）影响下固化土宏观力学性能演化规律。

鉴于扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和图像处理技术（Image Pro Plus，IPP）在探究材料的微观结构特性中优势明显[19-22]，本文以硫氧镁水泥复合固化剂[10-13]固化淤泥的微观特性为研究对象，通过开展含水率（w）、固化剂掺量（Wg）和龄期（T）的SEM试验获取固化淤泥微观图像，分析含水率、固化剂掺量和龄期对固化淤泥微观结构参数（平均面积接触率RCA、丰度C及平均丰度Cm、分形维数D）的影响规律。

1 固化淤泥SEM试验

1.1 试验材料

选用宁波地铁某标段的废弃淤泥为试验用土，相应的天然含水率为43.6%；孔隙比为1.16；液、塑限分别为39.2%和21.6%，煅烧测得的有机质质量分数为0.2%，所用固化剂为镁质水泥复合固化剂（硫酸镁水泥∶水玻璃∶熟料∶硅灰=3.5∶1.2∶1∶1.1）[10]。

1.2 试样制备

按照设计好的配比称取过筛后的干土、水、硫氧镁水泥复合固化剂，将其充分混合搅拌均匀，分3层装入三瓣模（39.1 mm×80 mm）中，每层振捣2～3 mim排出气泡。移至标准养护环境（温度20±5 °C）、恒湿（相对湿度70%±5%）[23]下继续养护至设计龄期。

采用低温液氮干燥法获取SEM试验用干燥样品，用橡胶榔头把试样敲碎，选择截面为1 cm×1 cm的自然断裂面为观察面，将样品固定在金属托盘并用导电胶相连，把金属托盘放置到真空喷射仪中进行抽真空喷金处理完成后，先用低倍数寻找合适的观察截面，获取具有代表性的微观结构图像，然后逐渐从低倍到高倍拍摄试样样品的微观表面。

1.3 试样方案

如表1所示，以含水率w=50%、固化剂掺量Wg=15%和龄期T=7 d为基准（编号S0），开展相应的SEM试验并与废弃淤泥（编号SS0）的SEM结果进行对比，获取固化淤泥的加固特点，然后分别开展固化淤泥在不同w（编号S1—S4）、Wg（编号S5—S8）和T（编号S9—S13）时的SEM试验。

表1 SEM试验方案Table 1 Test plan of the SEM

1.4 固化淤泥微观参数

IPP可同时选择颗粒和孔隙，测量多种材料微观参数。本文选取固化淤泥颗粒进行研究，并采用平均接触面积率[20-21]、丰度[24]、分形维数[25-27]等3个微观参数来描述其微观特征，进而揭示其固化机理，其中平均接触面积率反应孔隙体积大小，丰度评价颗粒形状的整体特征，分形维数用于衡量固化淤泥颗粒分形特征的表现形式，主要分析颗粒单元体的粗糙程度。

2 试验结果和分析

2.1 废弃淤泥和基准配比下固化淤泥SEM图

图1为废弃淤泥（SS0）和标准配比（S0）下固化淤泥的SEM图（5 000倍）。由图1（a）可知，淤泥颗粒主要矿物为石英和伊利石，呈扁片状，且孔隙密布，而固化淤泥（图1b）的SEM图像表明：扁圆状白色物质显著增加，且覆盖在淤泥颗粒表面。另外还有硅灰和熟料（呈椭球状）填充淤泥颗粒之间，提高了固化淤泥的密实度。

图1 废弃淤泥和固化淤泥的SEM图Fig.1 SEM graph of the waste sludge and solidified sludge

2.2 不同含水率下固化淤泥的SEM图

图2是不同含水率下固化淤泥的SEM图（1 000倍），从图中可明显看出：随着含水率的增加，白色固化产物减少，其主要原因在于改性硫氧镁水泥属于气硬性胶凝材料，含水率的增加降低了固化剂的浓度，进而减小了固化产物产量。因此，含水率的升高对固化淤泥的固化起抑制作用。

图2 不同含水率下固化淤泥的SEM图Fig.2 SEM of the solidified sludge under different moisture content

2.3 不同固化剂掺量下固化淤泥的SEM图

由图3可知：当固化剂掺量较小时，淤泥中土颗粒主要呈碎散状态，颗粒联结较弱，孔隙较大且白色固化产物较少。随着固化剂掺量的增加，白色固化产物逐渐增多，并包裹土颗粒，进而形成纵横交织的网络，使其排列越来越紧密。

图3 不同固化剂掺量下固化淤泥的SEM图Fig.3 SEM of the solidified sludge with different content of the curing agent

2.4 不同龄期下固化淤泥的SEM图

图4是不同龄期下固化淤泥的SEM图像（1 000倍）。随着龄期的增长，白色固化产物增多，淤泥颗粒间排列更加紧凑，颗粒之间孔隙被水化产物填充而更加密实。从图4（e）中可以看出，14 d的固化淤泥颗粒排列比较密实，形成了明显的土骨架。

综上，硫氧镁水泥固化淤泥的微观结构受含水率、固化剂掺量和龄期影响显著，且与普通硅酸盐水泥固化土变化规律一致[6,16]。随着固化剂掺量和龄期的增加，固化产物增多，固化淤泥微观结构性增强。然而含水率的增加抑制废弃淤泥的固化作用，从而减弱了其结构性。

3 固化淤泥微观结构参数变化规律

为定量研究固化淤泥微观结构参数受含水率、固化剂掺量和龄期的影响规律，现利用IPP6.0软件对图2—图4所示固化淤泥的SEM图像进行处理，获得不同含水率、固化剂掺量和龄期下固化淤泥的微观接触面积率（RCA）、丰度（C、平均丰度Cm）和分形维数（D）等微观参数。

图4 不同龄期下固化淤泥的SEM图Fig.4 SEM of the solidified sludge at different ages

3.1 不同含水率下固化淤泥的微观特性

3.1.1 对固化淤泥微观接触面积率的影响

表2为与图2对应的不同含水率下固化淤泥的微观接触面积率统计表。其中Z为阈值，其他参数同前。由表2可知：固化淤泥的RCA随着w的增大逐渐减小，且当w由40%增至60%，RCA从14.5%降低至8.2%，降低幅度高达43.4%。其主要原因在于：一方面w越大，固化淤泥的初始孔隙比越大，接触面积率越小；另一方面，w的增加抑制了废弃淤泥的固化，固化产物减少，固化淤泥结构疏松，接触面积率显著减小。

表2 不同含水率下固化淤泥的接触面积比Table 2 Contact area ratio of the solidified sludge under different moisture content

3.1.2 对固化淤泥丰度的影响

图5对应的是不同w下固化淤泥丰度柱状图和平均丰度曲线。由图5（a）可知，固化淤泥的C值主要介于0.4～0.8范围内，因此，固化淤泥微观颗粒接近扁圆形。由图5（b）所示，随着w的增加，Cm逐渐减小，其主要原因在于w的增加抑制了固化淤泥的水化反应，降低了扁圆状固化产物数量，进而减小固化淤泥的Cm，但w的变化对Cm的影响并不显著，w由40%增至60%，Cm仅降低了3.5%。

图5 不同含水率下固化淤泥丰度Fig.5 Abundance of the solidified sludge under different moisture content

3.1.3 对固化淤泥分形维数的影响

图6为与图2对应的不同含水率下固化淤泥的分形维数。由图6可知，固化淤泥的D随着w的增加而非线性增大，尤其是当w＞50%后，固化淤泥D值增加幅度显著提高。其主要原因在于：w越大则固化淤泥的初始孔隙比越大，排列越疏松，结构性越弱。与此同时，w的增加对固化淤泥的水化起抑制作用，尤其是当w＞50%时，过多的自由水降低了固化剂的浓度，恶化了硫氧镁水泥的硬化环境，降低了固化产物产量，从而减弱了固化淤泥的结构性。二者耦合作用使得固化淤泥的D值随w的增加而增大，固化淤泥的结构愈发松散，与前述w对Cm影响幅度类似，w对D影响也较小，当w由40%增至60%，D仅增长了2.5%。

图6 不同含水率下固化淤泥的形态分布分形维数Fig.6 Fractal dimension of morphology distribution of the solidified sludge under different moisture content

3.2 不同固化剂掺量下固化淤泥的微观特性

3.2.1 对固化淤泥微观接触面积率的影响

表3为不同Wg下固化淤泥的RCA统计表。由表3可知：随着Wg的增加，RCA逐渐增大且增长幅度显著。当Wg由5%增长至25%时，RCA由7.6%增至14.0%，增长幅度高达84.2%。这是由于Wg增加促进了固化产物的生成，减小了土体的孔隙比，增加了颗粒间的接触面积。另外，复合固化剂中硅灰和熟料也对孔隙起到了填充作用。上述2种因素共同影响下，固化淤泥RCA随Wg的增加而增长。

表3 不同固化剂掺量下固化土的接触面积率Table 3 Contact area ratio of the solidified soil under different dosage of the curing agent

3.2.2 对固化淤泥丰度的影响

图7为不同Wg下固化淤泥的C值柱状图和Cm变化规律。由图7（a）可知，固化前淤泥颗粒的C值主要集中在[0.2, 0.4]、[0.4, 0.6]以及[0.6, 0.8]3个区间，而在C＜0.2和C＞0.8范围的颗粒含量较少（二者合计约占10%）。其中在C∈[0.4, 0.6]范围内含量最多（约占45%），而在C∈[0.2, 0.4]与[0.6, 0.8]区间，固化淤泥颗粒的含量分别达到了约23%和25%。随着Wg增加，固化淤泥颗粒在小丰度范围（C＜0.4）的含量逐渐减小，而大丰度区域（C＞0.6）的含量逐渐增加。这是由于Wg的增加一方面促进扁圆状固化产物的生成，另一方面复合固化剂中起填充作用的硅灰和熟料呈椭圆状，二者的共同影响下固化淤泥圆形颗粒数量显著增加，从而提高了大丰度区域的颗粒含量。从图7（b）可得，固化前淤泥（Wg=0）颗粒Cm约为0.5，Cm随Wg的增加非线性增长，当Wg＜5%时Cm随Wg的增加大幅度增加，而后随着Wg的增加Cm增长幅度明显减小，当Wg＞15%时，Cm增长幅度再次增大。当Wg增至25%时，Cm约为0.58，增长幅度达15%。因此，Wg的增加促进了扁圆状颗粒的发展，使得固化淤泥的Cm显著提高。

图7 不同固化剂掺量下固化淤泥的丰度Fig.7 Abundance of the solidified sludge under different dosage of the curing agent

3.2.3 对固化淤泥分形维数的影响

图8为不同Wg下固化淤泥的D值变化规律。由图8可知：随着Wg的增加，D值逐渐减小，这是因为Wg的增加提高了固化产物产量，推动了对孔隙的填充作用，形成了更为密实的结构，从而降低了固化淤泥的D值。但Wg对D值影响有限，当Wg由0增至25%时，D值仅降低了3%，且当Wg在10%～15%范围内时，D值几乎无波动。

图8 不同固化剂掺量下固化淤泥的分形维数Fig.8 Fractal dimension of the solidified sludge under different content of the curing agent

3.3 不同龄期下固化淤泥的微观特性

3.3.1 对固化淤泥微观接触面积率的影响

表4是不同T下固化淤泥的RCA统计表。由表4可知，固化淤泥的RCA随着T的增长而增大，且当T由3 d增长至14 d时，RCA约增长了111%，固化淤泥的孔隙率显著降低。这是由于T的增长使得硫氧镁水泥水化反应更充分，新生成的固化产物填充于固化淤泥颗粒间的孔隙，增大了粒间接触面积。

表4 不同龄期下固化淤泥的接触面积率Table 4 Contact area ratio of the solidified sludge at different ages

3.3.2 对丰度的影响

图9为固化淤泥的C柱状图和Cm随T的变化规律。图9（a）表明：随着T的增加，固化淤泥的C值在[0, 0.2]区间内是逐渐减小，而在[0.8, 1.0]区间是增加的，其主要原因在于T越长，固化反应越充分，扁圆状固化产物显著增加，从而使得高丰度区间（[0.8, 1.0]）固化淤泥颗粒比重增加，而低丰度区间（[0, 0.2]）的固化淤泥颗粒比重降低。由图9（b）可知，当T由3 d增长至14 d时，固化土的Cm从0.536 4提高至0.569 9，增长幅度约为6.2%。这是由于T的增长有利于扁圆状固化产物的生成，从而使得固化淤泥的Cm随着T的增长而提高，且Cm随T的先增加，在T=9 d后增加幅度趋于平缓，主要原因在于改性硫氧镁水泥在T=9时完成了主要的水化反应。

图9 不同龄期下固化淤泥的丰度Fig.9 Abundance of the solidified sludge at different ages

3.3.3 对固化淤泥分形维数的影响

图10为固化淤泥的D值随T的变化规律。由图10可知，固化淤泥的D随着T的增长而减小，与3 d龄期的固化淤泥D值（约1.408 3）相比，当T增长至14 d时，D值减小至1.3，降低幅度约为5.7%。这是由于T的增加，促进了固化反应的发展，提高了颗粒的团粒化程度，形成更为严密的结构体系，从而使得D不断减小[26-27]。