碱激发粉煤灰固化淤泥的强度特性及微观机制研究

2022-10-08王士权李深圳巩舜妹牛智勇

河南工程学院学报(自然科学版) 2022年3期

王士权，王瑞，陈钰，李深圳，巩舜妹，牛智勇

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州 234000)

在我国水环境整治、港口建设及航道疏浚等工程中，每年都会产生大量高含水率、高压缩性及低强度的废弃淤泥，实现淤泥的无害化、减量化、资源化处置已成为一项工程难题[1-2]。化学固化技术是指在淤泥中加入固化剂，改善淤泥的物理力学性能，将其转化成土工建筑材料加以利用，这样既可以避免淤泥的二次污染，又可以实现资源再利用[3]。碱激发胶凝材料是以粉煤灰、矿粉等工业废渣为原料，以含碱的化合物作为激发剂，在水介质作用下生成的凝胶性水化物，制备过程无须煅烧，具有成本低、性能好和节能减排等优点[4]。Shi等[5]认为NaOH、Na2CO3、Na2SO4和NaO·nSiO2是目前制备碱激发胶凝材料较容易获取且最为经济的激发剂。易耀林等[6]选用碱激发矿渣代替一部分水泥加固软土，固化效果显著且经济环保。孙秀丽等[7]研究了水玻璃激发粉煤灰-矿粉改性淤泥，证实了水玻璃对粉煤灰的激发效果劣于矿渣粉。董宝中等[8]研究了离子固化剂对水泥固化淤泥土力学特征的影响规律及微观加固机制。目前碱激发粉煤灰应用于淤泥固化的研究相对较少，开展碱激发粉煤灰固化淤泥的工程特性研究，有望降低水泥用量和CO2排放量，具有重要的经济和环境效益。

本研究以粉煤灰、石灰为原料，选用NaOH和Na2SO4两种激发剂，考虑养护龄期、激发剂类型等因素，探究了固化淤泥的无侧限抗压强度(UCS)，并结合X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)试验，分析了固化淤泥的典型矿物化学成分和微观形貌特征。

表1 淤泥物理化学性质指标Tab.1 Physical and chemical properties of silt

1 试验部分

1.1 试验材料

1.1.1淤泥

本研究选用淤泥取自安徽省宿州市某河道底泥，呈灰黑色，略带臭味。该淤泥为高液限黏土，参照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[9]对其物理化学性质进行测试，得出的指标如表1所示，其中颗粒分析采用Mastersizer 3000型激光粒度分析仪进行测试。

1.1.2固化剂

试验所用的固体片状NaOH和粉末状Na2SO4购自合肥某试剂公司，均为分析纯。一级粉煤灰和生石灰均呈粉末状，化学成分采用X射线荧光仪测定，测量结果见表2。

表2 原材料化学组分Tab.2 Chemical composition of raw materials %

1.2 试验方法

1.2.1配比设计与试样制备

配比设计如表3所示，表中各组分掺量均为与干淤泥的质量比。例如，表3中的编号“H1S1F14L6”表示NaOH、Na2SO4、粉煤灰和石灰的掺量分别为1%、1%、14%和6%。淤泥初始含水量全部调配为60%，以模拟天然高含水率淤泥。每一组固化试样的测试养护龄期均为7 d和28 d。

表3 配比设计Tab.3 Mix design

图1 淤泥试样Fig.1 Solidified sludge sample

先将淤泥自然晾晒，然后60 ℃完全烘干，破碎并过2 mm筛，之后加水制备成初始含水量为60%的淤泥，再将其与固化剂混合，采用搅拌机充分搅拌8 min，最后将固化淤泥浆倒入PVC圆柱形模具(内径和高度均为50 mm)，机械振动去除内部滞留的气泡。将装有试样的模具放置于标准养护箱室，温度为(20±1)℃，相对湿度≥90%。试样硬化脱模后，继续养护至预定龄期(7 d、28 d)，如图1所示。每种配比均制备3个平行试样，以确保试验的准确性和可重复性，取试验结果的平均值作为无侧限抗压强度终值。

1.2.2抗压试验和微观测试

参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[10]，选用全自动压力试验机开展无侧限抗压试验，加载速率为1 mm/min。从固化淤泥试样内部取断裂碎块，用无水酒精浸泡以中止水化，液氮冷冻后抽真空干燥，从中选取具有自然断面的碎块进行SEM测试，另外选取碎块研磨过筛(0.075 mm)后，取约20 mg粉末进行XRD分析。

2 结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

图2为无侧限抗压强度试验结果，即在掺加14%粉煤灰和6%石灰的条件下，不同激发剂对固化淤泥强度的影响规律。整体而言，未添加激发剂时固化淤泥(F14L6)抗压强度最小，说明单一的石灰-粉煤灰混合料的固化效果不佳。掺加2%NaOH、14%粉煤灰和6%石灰的固化淤泥(H2F14L6)，养护至第7 d、第28 d的抗压强度分别为596 kPa、1 053 kPa；掺加2%Na2SO4、14%粉煤灰和6%石灰的固化淤泥(S2F14L6)，养护至第7 d、第28 d的抗压强度分别为639 kPa、1 081 kPa，表明这两种固化淤泥的抗压强度差别较小。当NaOH单独作为激发剂时，可提供充足的OH-，而粉煤灰的主要化学成分有SiO2和Al2O3，二者的化学反应如下：

(1)

图2 无侧限抗压强度Fig.2 Unconfined compressive strength

SiO2+Ca2++2OH-→CaO·SiO2·H2O(C—S—H)。

(2)

(3)

因此，虽然Na2SO4和NaOH单独激发石灰-粉煤灰混合料的基本原理有所不同，但是对于石灰-粉煤灰混合料而言，Na2SO4与NaOH的单独激发效果相当。H1S1F14L6试样的强度最大，表明NaOH和Na2SO4两者复合激发效果最好。这是因为在NaOH和Na2SO4的共同作用下，会同时生成C—S—H胶凝和钙矾石，既可胶结土颗粒，又能充填固相间孔隙，从而提高了固化淤泥的整体强度。

图3 X射线衍射谱图(28 d)Fig.3 XRD patterns (28 d)

2.2 X射线衍射分析

图3为28 d龄期H1S1F14L6试样的X射线衍射谱图。对于在原淤泥中掺加1% NaOH、1% Na2SO4、14%粉煤灰和6%石灰的试样，除了最显著的石英(SiO2)衍射峰，也检测到了明显的氢氧钙石(Ca(OH)2)和碳酸钙(CaCO3)，并在2θ=45°区域出现水化硅酸钙(C—S—H)。在水介质作用下，碱激发剂有效激发粉煤灰潜在活性组分，导致粉煤灰结构中Si—O键和Al—O键发生断裂，重新聚合生成水化硫铝酸钙(钙矾石)。

2.3 孔隙结构和微观形貌

图4为28 d龄期F14L6和H1S1F14L6试样的扫描电镜图。由图4(a)可以观察到大量表面光滑完整的球形粉煤灰颗粒，凝胶状水化产物少，固相之间连接不紧密，存在孔隙，结构比较松散，这是F14L6试样强度低的主要原因。添加1% NaOH和1% Na2SO4进行复合激发的效果如图4(b)所示，可观测到大量不规则胶凝产物(C—S—H)，并将土颗粒和被侵蚀的粉煤灰胶结成整体，结构非常密实，与上述强度演化和XRD测试分析结果一致。