脱硫灰-水泥固化淤泥强度特性与固化-抽滤联合加固应用

2023-06-25陈加富梅达放陈斯宁段宝东邓永锋

东南大学学报（自然科学版） 2023年3期

姜赟侯爵陈加富梅达放陈斯宁段宝东邓永锋

(1东南大学交通学院, 南京 211189)

(2江苏省交通工程建设局, 南京 210004)

淤泥广泛分布在国内各地[1-2],承载能力低,占据了大量的土地资源,其处理方式备受关注[3-4].目前,常采用固化/稳定的方式处理淤泥.在众多固化淤泥的无机材料中,水泥应用广泛并且施工技术成熟[5],然而过多制造水泥会产生大量CO2和SO2,造成环境问题,需要开发一种新型固化材料以减少水泥用量.

中国钢铁行业常采用烟气脱硫技术来降低SO2排放,主要包括干法、湿法和半干法3种方法[6-7].其中广泛使用的旋转喷雾半干法[8-9],在工程实际中会产生大量副产物脱硫灰,化学成分以CaSO3和Ca(OH)2为主.国内每年脱硫灰增量约2×106t,被视为钢铁行业的第三大固体废物[10-11].如果随意堆放处理脱硫灰,会导致土地占用和环境污染,需将其进行资源化利用.提高脱硫灰利用率可以增加经济效益和环境效益.文献[12-14]认为CaSO3·1/2H2O可作为水泥的缓凝剂,可应用于水泥熟料和无机胶凝材料的生产中[15],还可以作为结构填充材料、水泥替代品、人工骨料和砖块[16-17].部分钢铁厂设置了氧化反应过程,将脱硫灰中的主要成分亚硫酸钙CaSO3氧化反应成硫酸钙CaSO4,即脱硫石膏,从而进行资源化利用.脱硫灰与脱硫石膏具有类似的物理化学性质,借鉴脱硫石膏的利用模式[18-19],可采用水泥-脱硫灰复合体系对淤泥软土进行固化,减少水泥用量,提高脱硫灰的利用率.

本文制备了不同水泥和脱硫灰质量分数下固化淤泥的室内实验土样,进行了液塑限、无侧限抗压强度、电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)实验,研究了固化土的物理力学性能.为进一步提高固化土的力学性能、降低固化土中的自由水含量,采用真空抽滤方法进行模型实验.最后,通过现场实验对固化与抽滤联合加固效果进行了验证.

1 实验材料

1.1 土样

实验用土样取自连云港至宿迁高速公路项目中沭阳至宿豫段一处塘底的淤泥.根据规范进行现场取样和室内土工实验,测得土样的天然含水率为76.75%,液限、塑限和塑性指数分别为49.6%、26.1%和23.5.土样pH值为7.38,有机质质量分数为1.81%.土的颗粒分析实验表明,黏粒、粉粒和砂粒质量分数分别为31.7%、60.0%和8.1%.

1.2 脱硫灰

实验用脱硫灰由江苏沙钢集团提供(制备工艺为旋转喷雾半干法),呈白色粉状,干燥且颗粒度细腻,pH值约为12.脱硫灰的化学成分由X射线衍射(XRD)和X射线荧光光谱(XRF)确定,其中Ca(OH)2、CaSO3·1/2H2O、CaCO3的质量分数分别为31.2%、65.9%和2.9%.

1.3 水泥

实验用水泥采用P.O 42.5海螺牌普通硅酸盐水泥.利用XRD和XRF分析其化学组成,结果见表1.

表1 P.O 42.5水泥化学成分 %

2 室内实验结果与分析

2.1 脱硫灰掺入对土样液塑限的影响

按照干土质量的2%、4%、6%、8%掺入脱硫灰,并对改性土进行液塑限测定[20],结果见表2.表中,ωL、ωP分别为液限和塑限;Ip为塑性指数.由表可知,脱硫灰的掺入会使土样液限下降.当w(脱硫灰)=8%时,实验土的液限为42.3%,较不掺脱硫灰时降低7.3%,塑性指数为15.8,较不掺脱硫灰降低了7.7.通过添加脱硫灰,改良土的液限和塑性指数均减小,持水能力和黏附性下降,导致土的水稳定性增强,有利于工程应用[21-22].

表2 不同w(脱硫灰)时液塑限实验结果

2.2 脱硫灰-水泥固化土的强度

将脱硫灰、水泥和水按比例掺入干土中,混合均匀后装入尺寸为φ50 mm×100 mm的标准模具中,脱模后密封放入标准养护室养护7～28 d.根据实验规程[20],测定不同质量分数和养护龄期下固化土的无侧限抗压强度.试样的含水率设置为80%,与天然含水率接近;水泥质量设置为干土质量的4%～8%;脱硫灰质量设置为水泥质量的10%～100%.实验结果见表3.表中,W为脱硫灰与水泥的质量比;Q7、Q14、Q28分别为7、14、28 d固化土强度.

由表3可知,当w(水泥)固定时,随着脱硫灰与水泥质量比的增加,固化土强度先增大后减小.W=20%时,固化土强度出现峰值.适量添加脱硫灰将提高固化土强度,过量添加则会抑制固化土强度的增加.从整个复合固化体系看,试样C8A1.6的固化土强度最大,即水泥质量分数为8%、脱硫灰与水泥质量比为20%时,28 d强度达到最大值0.381 MPa.固化土强度随水泥质量分数的增加而大幅增加.以试样C4A0.8、C6A1.2、C8A1.6为例,28 d固化土强度分别为0.080、0.160、0.381 MPa,后两者较前者分别提高100%和375%.

表3 固化土无侧限抗压强度的实验结果

图1给出了试样C4A0.8、C6A1.2、C8A1.6的无侧限抗压强度随养护龄期的变化曲线.由图可知,养护龄期增加时,不同质量配比的固化土强度均大幅提高,但增长趋势逐步减小.以试样C8A1.6为例,养护龄期由7 d增加到14 d时,固化土强度由0.163 MPa增长至0.262 MPa,平均增长率为14 kPa/d;养护龄期继续增加到28 d时,固化土强度增长至0.381 MPa,平均增长仅为8.5 kPa/d.由此表明,固化土强度增长期主要位于养护前期,14 d后强度增长速度明显下降.因此,在室内实验环境以及工程现场对淤泥固化进行处理时,须注重固化土的前期养护.水泥质量分数、脱硫灰质量分数和养护龄期等因素的变化对固化土强度均有显著影响.固化土强度随水泥质量分数、养护龄期的增加而逐渐增加.脱硫灰的掺入虽然会提升固化土强度,但存在峰值,过量的脱硫灰则会降低固化土强度.试样C8A1.6的强度表现效果最优,其固化剂质量配比可用作现场实验参考.

图1 不同养护龄期时固化土的无侧限抗压强度的变化

2.3 SEM和EDS分析

为研究水泥-脱硫灰复合体系下固化淤泥的微观机制,采用SEM观测实验样品的微观结构,同时对特定位置进行EDS能谱分析扫描,以判断其物质组成.图2给出了试样C8A0和C8A1.6养护28 d后的SEM图像.由图可知,掺入脱硫灰后,样品孔隙减少,表面结构更加致密.脱硫灰与水泥中铝酸盐矿物反应,产生新的片状水化产物,其EDS能谱分析结果见图3.根据元素组成,综合判断该产物为C—S—H(水化硅酸钙)和片状的AFm(单硫型水化硫铝酸钙).由此可知,随着龄期的增长和水化反应的进行,生成了AFm和C—S—H凝胶,成簇生长,颗粒间相互交织,使得孔隙率逐渐降低.脱硫灰和水泥的掺入,从物理化学上提升了固化土的强度.

(a) 试样C8A0

(b) 试样C8A1.6

图3 试样C8A1.6中水化产物EDS能谱分析图

综合液塑限、无侧限抗压强度实验和微观实验结果可知,固化土强度随脱硫灰质量分数的增加先增大后减小.究其原因在于,样品中掺入水泥后会发生水化反应,土颗粒间的胶凝程度增加,同时脱硫灰中CaSO3·1/2H2O在碱性环境与铝酸盐矿物发生反应并生成AFm,进一步膨胀和填充孔隙,使得强度继续增大[23-24].脱硫灰中的Ca(OH)2可以提供碱性环境和Ca2+阳离子,使黏土表面的结合水膜变薄[25-26],土颗粒的亲水性和持水能力下降;然而,当脱硫灰添加过量时,结合水进一步减少,释放了过多的自由水,从而导致强度降低[27].

2.4 真空抽滤模型实验

脱硫灰的存在会使固化土中自由水增多,引入真空抽滤可减少自由水.脱硫灰具有水泥缓凝的作用[12-14],可提升前期抽水效果.因此,本文对固化土进行真空抽滤处理,排出其中的气体和水分,使试样压缩,减小孔隙率,降低自由水含量与水灰质量比,从而提高混合料的强度.

取10 kg干土,按照试样C0A0、C8A0、C8A4、C8A1.6的质量配比设置情况,设计实验土的含水率和固化剂质量分数.实验过程中,对制成的均匀混合料进行密封处理,将专门处理过的水管(土工布阻隔土颗粒)插入固化土中,并与水箱和真空泵形成通路(见图4),抽水24 h,记录相关数据.抽水完成后,将样品养护7～28 d,测定其无侧限抗压强度.

图4 真空抽滤实验装置

抽水量结果见表4.根据试样C0A0和C8A0的结果可知,水泥的存在使抽水质量下降,试样C8A0较试样C0A0少抽水1 934.6 g,降低53.4%.然而,加入脱硫灰后,当脱硫灰与水泥质量比为20%时,抽水质量为3 200.5 g;脱硫灰与水泥质量比为50%时,抽水质量可达3 357.6 g.由此说明,脱硫灰的存在大幅增加了固化土的抽水量.

表4 真空抽滤实验结果 %

真空抽滤后固化土的无侧限抗压强度实验结果见图5.由图可知,真空抽滤后固化土强度明显提升.以7 d龄期样品为例,试样C8A0、C8A1.6、C8A4经过抽滤后固化土强度分别提高71%、100%和127%.究其原因在于,脱硫灰中的Ca(OH)2会与土颗粒发生阳离子交换作用,抑制了黏土表面的吸附水膜,增强了渗透效果.另外,脱硫灰作为缓凝剂,减缓了水泥水化速度,提高了真空抽滤效率,进而增加了固化土强度.

图5 固化土抽滤前后无侧限抗压强度对比

3 现场实验

为验证水泥-脱硫灰复合体系在实际现场的应用效果,依托连宿高速项目中LS-SQ8标的塘底清淤工程,在现场进行淤泥固化实验,淤泥深度为0.9 m.根据室内实验中试样C8A1.6的固化剂质量配比情况,设置现场的水泥质量分数和脱硫灰质量分数.为便于对比,现场实验同时设置真空抽滤区域和就地固化区域(未抽滤).

施工过程中,抽干塘内水,人工清除塘内的植物、石块,对塘内进行分区,每块区域尺寸约为5 m×5 m,根据处理深度和面积计算各区域固化剂的用量(见图6(a)).通过自动水泥浆配置装置,按照设计水灰质量比,后台供料系统自动配置固化剂(见图6(b)).固化剂通过泥浆泵和喷浆管进入搅拌机喷嘴,利用强力搅拌头正反双向搅拌叶片切削土体和转动,使固化剂和土体均匀拌和(见图6(c)).在各区块搅拌完成后,对固化区域使用挖机进行粗整平,然后人工埋设排水板(见图6(d)).排水板间距设置为0.8 m,真空抽水时间为24 h,真空度控制为-80 kPa.抽水过程中定时进行真空度监测,保证抽水稳定.抽水完成后对该区域进行养护.

(a) 塘底分区

(b) 后台供料系统

(d) 真空抽滤并养护

养护过程中,分别在1、3、7、14 d对A、B、C、D四个孔进行轻型动力触探实验,结果见表5.由表可知,真空抽滤区各深度的贯入击数均远高于未抽滤区域,抽滤区3 d的地基承载效果(16～38击)已达到未抽滤区域14 d的地基承载效果(20～30击).0～0.3 m抽滤区14 d时甚至可达40～80击,远高于未抽滤区.浅层地基的固化效果优于深层地基.

表5 轻型动力触探实验结果

对现场处理的淤泥地基进行钻芯取样,测试无侧限抗压强度,就地固化处理的7、14、28 d强度分别为0.026、0.039、0.051 MPa,真空抽滤处理的7、14、28 d强度分别为0.052、0.091、0.152 MPa.由此可知,真空抽滤处理的地基强度较未抽滤区提高2～3倍,但与室内实验结果相比,强度有所衰减,真空抽滤下28 d强度约为室内试样强度的33%.究其原因在于,现场养护条件、均匀度等指标会对实验结果造成较大影响.就加固效果而言,通过真空抽滤工艺,可以进一步提高固化地基的强度,同时不改变固化剂用量.因此,脱硫灰与真空抽滤的联合引入,能大幅度提升加固效果,减小水泥用量,实现环保、经济的社会效益.