碱渣污染水泥土无侧限抗压强度与渗透性试验研究

2022-07-25付大庆曹连朋陈汝振卜令全郝晓迅毛树亭

水利规划与设计 2022年3期

付大庆，曹连朋，陈汝振，卜令全，郝晓迅，毛树亭

(1.山东恒源勘测设计有限公司，山东潍坊 261205；2.潍坊市水利建筑设计研究院有限公司，山东潍坊 261205)

由于水泥土具有施工简单、材料来源广泛、设计灵活、造价低廉等优势，在道路、机场、港口等软土地基处理、基坑支护以及水库、拦河闸坝、堤防、渠道防渗等方面得到了广泛的应用[1-6]。水泥土的工程性能受水泥掺入量、养护时间、水泥强度等级、土体含水率、土质、有机质含量及水泥外掺剂等众多因素的影响，加之各因素相互影响导致了水泥土工程特性的复杂性和不确定性，众多学者对水泥土的力学性质及增长规律进行了深入研究。许淼[7]采用无侧限抗压强度试验的方法，研究了水泥掺量、含水率、养护时间和养护方式对水泥土强度和应力-应变关系的影响。高鹏飞等[8]通过试验对水泥配比及土样含水率对不同土质水泥土的强度及变形规律进行了研究，指出随着水泥配比的增加，不同土质水泥土强度增长率有明显不同，并拟合出了28d养护时间水泥土变形模量估算公式。董猛荣等[9]对海相软土场地水泥土劣化机理进行了研究，从腐蚀离子干预水化反应进程和分解水化产物2个过程揭示了海相软土场地水泥土劣化机理。郑美如[10]对碱渣作为稳定材料的水泥土强度进行了分析，指出利用碱渣和水泥及矿渣配合开发适应淤泥土的固化剂，可以达到利用废弃资源，提高水泥土强度，降低工程投资的效果。耿兴华[11]研究了造纸厂污水对水泥土性能的影响，指出水泥土强度和电阻率都随养护时间的增加而增大，随着造纸厂污水溶液浓度的增加而减小。

碱渣是氨碱法生产纯碱过程中产生的工业废渣，具有高碱性、高含水率和高氯离子含量特点，目前碱渣处理方式主要是堆填[12]，其次是制成建筑材料。就地堆填对地基土及地下水均产生一定的污染，碱渣污染水泥土的工程特性尚无研究先例。位于渤海莱州湾南岸滨海平原地带的莱州湾盐场是我国四大盐场之一，分布着山东海化集团有限公司、山东海天生物化工有限公司等以海盐为原料的大型、特大型盐化工企业，产生的碱渣就近堆放，形成了数座碱渣库(池)，存在重大安全隐患。本文以山东海化股份有限公司纯碱厂碱渣场新1#池、新2#池和南碱渣库防渗墙加固项目为例，通过无侧限抗压强度试验、渗透试验对水泥土防渗墙处理深度范围内碱渣污染的三类土与水泥按一定比例搅拌后制成的水泥土试块进行不同养护时间的无侧限抗压强度与渗透性试验研究。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

拟加固碱渣库周边地层自上而下分别为粉土、粉砂、粉质黏土三类土，相应厚度分别2、10、4m，均为海相沉积物，原状土样分别取自孔1、孔2与孔3的3个钻孔，每孔每层土物理性质试验组数3组，总计试验组数27组。试验用土颗粒分析、物理性质见表1，离子含量试验结果见表2。试验拌合用水、养护用水与水质分析用水通过在场地钻孔旁开挖探坑渗水取得。试验用水水质分析成果见表3。

表1 试验用土颗粒组成百分比与物理性质

表2 试验用土土质分析及pH值

表3 试验用水水质分析及矿化度

固化剂采用潍坊山水水泥有限公司生产的P·O 32.5普通硅酸盐水泥，外掺剂采用济南德利泰建材科技有限公司生产的DLT-A2混凝土抗裂防渗引气剂。

1.2 试验方案

水泥掺入量12.0%，水灰比0.5，外掺剂掺入量为水泥的8.3‰，制作水泥土试块。每孔每层土料与水泥、外掺剂各制作3个试块分别进行7d、14d与28d养护时间的无侧限抗压强度试验，共计试块81件；每孔每层土料与水泥、外掺剂各制作3个试块，分别进行7d、14d与28d养护时间的渗透试验，共计试块81件；合计试块162件。

原状土物理性质试验后的土料与钻孔所取剩余原状土经充分碾碎，清除杂质后与P·O32.5普通硅酸盐水泥、DLT-A2混凝土抗裂防渗引气剂，放入行星式搅拌机经充分搅拌，再逐次加水搅拌不少于10min，然后装入70.7mm×70.7mm×70.7mm的内表面涂脱模剂的试模内，经振动台振动及振捣棒振捣至少20次至试模的一半高度，紧接再次填入试料再振捣至少20次，最后将高出试模上沿口多余的拌合物刮除，抹平后盖上塑料薄膜，防止水分蒸发。抗压强度试块成型后48h拆模，脱了模的试块用天平称重后与未拆模的渗透试验试块放入养护室，在标准养护条件(温度20±1℃，湿度≥95%)下分别进行不同养护时间的养护，2d更换1次养护用水。抗压强度试验试块尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体，渗透试验试块尺寸为上口直径70mm，下口直径80mm，高度40mm的圆台体。

2 试验成果与分析

2.1 无侧限抗压强度试验成果分析

对不同养护时间的水泥土试块进行无侧限抗压强度试验，三类水泥土试块不同养护时间的无侧限抗压强度试验成果见表4。

表4 碱渣污染水泥土不同养护时间的无侧限抗压强度

由表4及图1可知，随着养护时间的增加，碱渣污染粉土水泥土7～14d无侧限抗压强度增长较快，14～28d强度增长逐渐减缓。7d～14d～28d养护时间的无侧限抗压强度与养护时间呈幂函数关系，孔1和孔3相关系数R2分别为0.999与0.933，孔2相关系数R2为0.873，相关性相对较差，无侧限抗压强度与养护时间呈良好的函数关系。分析各孔粉土水泥土相同养护时间的无侧限抗压强度可得出，7、14、28d养护时间的无侧限抗压强度离散性相对较大，孔1比孔3在7、14、28d养护时间的无侧限抗压强度高一倍以上。不同养护时间的粉土水泥土无侧限抗压强度比例关系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.500∶0.778∶1.000。

图1 碱渣污染水泥土养护时间-无侧限抗压强度曲线

随着养护时间的增加，碱渣污染粉砂水泥土7～14d无侧限抗压强度增长较快，14～28d强度增长逐渐减缓，7d～14d～28d养护时间的无侧限抗压强度与养护时间呈幂函数关系，3孔相关系数R2分别为0.992、0.998、0.972，无侧限抗压强度与养护时间呈很好的函数关系。分析各孔粉砂水泥土相同养护时间的无侧限抗压强度可得出，7、14、28d养护时间的粉砂水泥土无侧限抗压强度离散性较大，孔1和孔2相同养护时间的无侧限抗压强度相近，与孔3相同养护时间的抗压强度相差较大。不同养护时间的粉砂水泥土无侧限抗压强度比例关系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.655∶0.836∶1.000。

随着养护时间的增加，碱渣污染粉质黏土水泥土7～14d无侧限抗压强度增长较快，14～28d强度增长逐渐减缓。7d～14d～28d养护时间的无侧限抗压强度与养护时间呈很好的幂函数关系，3孔相关系数R2分别为0.975、0.971、0.994，无侧限抗压强度与养护时间呈很好的函数关系。分析各孔粉质黏土水泥土相同养护时间的无侧限抗压强度可得出，7、14、28d养护时间的粉质黏土水泥土无侧限抗压强度离散性较大，各孔相同养护时间的无侧侧抗压强度相差较大。不同养护时间的粉质黏土水泥土无侧限抗压强度比例关系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.534∶0.740∶1.000。

28d养护时间的粉土水泥土、粉砂水泥土、粉质黏土水泥土的无侧限抗压强度比例关系为

fcu，28，粉土水泥土∶fcu，28，粉砂水泥土∶fcu，28，粉质黏土水泥土

=1.000∶0.764∶0.910

粉质黏土水泥土的无侧限抗压强度是粉土水泥土的91%，粉砂水泥土的无侧限抗压强度分别是粉质黏土水泥土的84.0%与粉土水泥土的76.4%，粉土水泥土与粉质黏土水泥土的无侧限抗压强度高于粉砂水泥土无侧限抗压强度的主要原因是：粉土与粉质黏土的主要粒组是粉粒，颗粒细小，而粉砂的主要粒组是粉砂粒，颗粒相对于粉粒较粗，由于水泥的掺量只有12%，水泥水解和水化反应完全是在有一定活性的介质的围绕下进行。

普通硅酸盐水泥主要由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、三氧化硫等氧化物分别组成了硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等水泥矿物。水泥与土充分搅拌做成试块置于水中养护后，水泥颗粒表面的矿物很快与土中的吸着水与薄膜水发生分解和水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁铝酸钙等水合物。当水泥中的各种水化物生成后，有的自身继续硬化；有的则与其周围具有一定活性的粉土颗粒、黏土颗粒发生离子交换和团粒化作用，水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积比水泥颗粒大数百倍甚至千倍，有很强的吸附活性，使得较大的土颗粒团粒进一步相互结合，形成水泥土的团粒结构，并封闭土团之间的孔隙，形成坚固的连结[13]，从而使粉土水泥土与粉质黏土水泥土的无侧限抗压强度高于粉砂水泥土的无侧限抗压强度。

2.2 渗透试验成果分析

渗透试验组数及养护时间同无侧限抗压强度试验，试验前将达到养护时间的试块饱水48h，采用砂浆抗渗仪进行渗透试验，根据达西定律，三类水泥土试块不同养护时间的渗透试验成果见表5。

由表5及图2可知，随着养护时间的增加，碱渣污染粉土水泥土渗透系数均呈10-7cm/s数量级，7～14d渗透曲线降低明显，14～28d渗透曲线降低减缓，7d～14～28d养护时间的渗透系数与养护时间呈对数函数关系，3孔相关系数R2分别为0.998、0.983、0.997，渗透系数与养护时间呈很好的函数关系。分析各孔相同养护时间渗透系数可知，各孔相同养护时间的渗透系数相差较小，差值最大2.8×10-8cm/s。不同养护时间的粉土水泥土渗透系数比例关系k7∶k14∶k28=1.133∶1.068∶1.000。

图2 碱渣污染水泥土养护时间-渗透系数曲线

表5 碱渣污染水泥土不同养护时间的渗透系数

随着养护时间的增加，碱渣污染粉砂水泥土渗透系数均呈10-7cm/s数量级，7～14d渗透曲线降低明显，14～28d渗透曲线降低减缓，7d～14d～28d养护时间的渗透系数与养护时间呈对数函数关系，3孔相关系数R2分别为0.952、0.991、0.957，渗透系数与养护时间呈良好的函数关系。分析各孔相同养护时间渗透系数可知，各孔相同养护时间的渗透系数相差较小，差值最大1.04×10-7cm/s。不同养护时间的粉砂水泥土渗透系数比例关系k7∶k14∶k28=1.101∶1.055∶1.000。

随着养护时间的增加，碱渣污染粉质黏土水泥土渗透系数均呈10-7cm/s数量级，7d～14d渗透曲线降低非常明显，14～28d渗透曲线降低极度减缓，7d～14d～28d养护时间的渗透系数与养护时间大致呈对数函数关系，3孔相关系数R2分别为0.952、0.991、0.957，渗透系数与养护时间呈良好的函数关系。分析各孔相同养护时间的渗透系数可知，各孔相同养护时间渗透系数相差较小，差值最大1.49×10-7cm/s。不同养护时间的粉质黏土水泥土渗透系数比例关系k7∶k14∶k28=1.164∶1.053∶1.000。

28d养护时间的粉土水泥土、粉砂水泥土、粉质黏土水泥土的渗透系数比例关系为

k28，粉土水泥土∶k28，粉砂水泥土∶k28，粉质黏土水泥土

=1.000∶2.409∶1.989

粉土水泥土的渗透系数最小，粉砂水泥土渗透系数是粉土水泥土渗透性的2.409倍，粉质黏土水泥土渗透系数是粉土水泥土渗透性的1.989倍，粉砂水泥土的渗透系数是粉质黏土水泥土渗透性的1.211倍。

一般情况下，粉土、粉砂与粉质黏土三种土中，粉质黏土的渗透性最小，粉砂的渗透性最大，粉土渗透性介于二者之间。陶高粱等[14]认为土体孔隙通道由不同数量级尺度的孔隙组成，孔隙通道尺度越小，相应渗透系数越小，渗透系数与孔隙通道尺度的平方成正比。普通硅酸盐水泥中硫酸钙含量极低，碱渣除含有大量的氯离子外，还含有一定数量的钙离子、硫酸根离子，受碱渣污染后，粉土水泥土相较于粉砂水泥土与粉质黏土水泥土，含有更多的钙离子、硫酸根离子，它和铝酸三钙与水发生反应

3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

该反应能把大量的自由水以结晶水的形式固定下来，同时，水泥水化产物中游离的氢氧化钙与水中二氧化碳及碱渣中的碳酸根离子、重碳酸根离子发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，使粉土水泥土试块中的孔隙通道数量及尺度低于粉砂水泥土与粉质黏土水泥土试块中的数量及尺度，从而使粉土水泥土的渗透性低于粉砂水泥土与粉质黏土水泥土。