高掺量粉煤灰淤泥固化土无侧限抗压强度试验研究

2023-11-08程强强姚越崔胥阳阴琪翔

新型建筑材料 2023年10期

程强强，姚越，崔胥阳，阴琪翔，3

（1．江苏建筑职业技术学院建筑建造学院，江苏徐州 221116；2.江苏省现代建筑工业化技术工程实验室，江苏徐州 221116；3．徐州市新型建筑工业化与信息化工程研究中心，江苏徐州 221116；4.江苏建筑职业技术学院建筑智能学院，江苏徐州 221116）

0 引言

我国是产煤大国，目前仍使用煤炭作为电力生产基本燃料。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国粉煤灰总量呈逐年增加趋势：1995年约为1.25 亿t，2000 年约为1.5 亿t，2010 年约为3 亿t，2015 年约为6.2 亿t，2017 年达6.86 亿t，预计在未来仍会保持增长的趋势，到2024 年将达到9.25 亿t[10]。如此规模且不断增长的粉煤灰如不妥善处理，会污染环境甚至会危害人体和生物。与发达国家相比，我国粉煤灰综合利用率还较低，这给国民经济建设及生态环境保护造成巨大的压力。

在传统的水泥、二灰固化淤泥的基础上，开发高掺量粉煤灰淤泥固化土，减少普通硅酸盐水泥用量，有利于降低生产成本、改善生态环境。本文以不同粉煤灰掺量、养护龄期为影响因素，重点研究高掺量粉煤灰条件下淤泥固化土的无侧限抗压强度、变形模量及破坏模式，以期为固废粉煤灰、淤泥的资源化利用提供新的路径，同时为淤泥固化工程实践降低成本提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

淤泥：新加坡某地铁车站工程，其基本物理性质如表1 所示。现场挖取海相淤泥时可见较明显的贝壳、碎石等杂物，将挖取的淤泥样本放入PVC 塑料桶运输至实验室备用。

表1 淤泥的物理性质

固化材料：CEM II/B-V 型复合水泥，其物理力学性能如表2 所示。CEM II/B-V 型复合水泥中普通硅酸盐水泥占比65.5%，粉煤灰质量占比34.5%。复合水泥的主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。

表2 复合水泥的物理力学性能

1.2 试验方法

本试验以粉煤灰掺量和养护龄期为变量，重点研究不同掺量粉煤灰对淤泥固化土无侧限抗压强度的影响。BS EN197-1：2000 规定粉煤灰复合水泥中水泥质量占比为65%~79%，粉煤灰质量占比最大为35%[11]。试验配合比为m（淤泥）∶m（粉煤灰）∶m（普通硅酸盐水泥）∶m（水）=5∶0.345∶0.655∶6、2∶0.345∶0.655∶3、1∶0.345∶0.655∶2；对应粉煤灰掺量分别为6.9%、17.25%、34.5%，养护龄期分别为7、14、28、90 d。

依据文献[12-13]中海相淤泥的重塑和三轴试样制备方法，首先对海相淤泥重塑，然后按照粉煤灰掺量分别为6.9%、17.25%、34.5%，制备直径为50 mm、高度为100 mm 的圆柱体试样，试样成型后在去离子水中标准养护7、14、28、90 d 进行试验。采用Wykeham Farrance 三轴试验设备，无侧限抗压强度采用恒定加载速率1 mm/min，每组3 个试样。

2 结果与分析

2.1 各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土的强度

各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土无侧限抗压强度试验的应力-应变曲线如图1 所示。

图1 各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土的应力-应变曲线

从图1 可以看出：

中华民族自古以来是一个自信的民族。中华文明是世界上唯一不曾中断的文明，在相当长的历史阶段中，中华民族的硬实力和软实力都是世界一流的，中华文明是世界上先进的文明形态，中华民族是世界上强盛的民族，这些是中华民族自信形成的客观基础。中华民族的自信是在自我肯定中内生的，是在与其他民族的交流和相互比较中强化的。随着历史的发展，这种民族自信内化为中华优秀传统文化的一部分，并且沉淀为中华民族的文化基因，长期深刻影响着中华文明的发展走势。

（1）粉煤灰掺量为6.9%时，14 d 养护龄期的强度是7 d的1.2 倍，28 d 养护龄期的强度是14 d 的1.9 倍，90 d 养护龄期的强度是28 d 的1.5 倍。粉煤灰掺量为17.25%时，14 d 养护龄期的强度是7 d 的1.5 倍，28 d 养护龄期的强度是14 d的1.2 倍，90 d 养护龄期的强度是28 d 的2.1 倍。粉煤灰掺量为34.5%时，14 d 养护龄期的强度是7 d 的1.4 倍，28 d 养护龄期的强度是14 d 的1.4 倍，90 d 养护龄期的强度是28 d 的2.0倍。

（2）7 d 养护龄期时，17.25%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是6.9%掺量时的2.0 倍，34.5%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是17.25%掺量时的2.1 倍。14 d 养护龄期时，17.25%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是6.9%掺量时的3.0 倍，34.5%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是17.25%掺量时的2.0 倍。28 d 养护龄期时，17.25%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是6.9%掺量时的1.9 倍，34.5%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是17.25%掺量时的2.2 倍。90 d 养护龄期时，17.25%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是6.9%掺量时的3.0 倍，34.5%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是17.25%掺量时的2.2 倍。

（3）随着粉煤灰掺量的增加、养护龄期的延长，淤泥固化土的无侧限抗压强度提高且表现出相同的增长趋势：养护龄期在28~90 d 时无侧限抗压强度增幅最为显著。主要原因是粉煤灰淤泥固化土中粉煤灰在养护龄期较短时的火山灰作用未充分发挥，养护龄期延长至28~90 d 时，粉煤灰的火山灰活性充分显现，对提高淤泥固化土的强度产生积极作用。

（4）无论养护龄期长短，粉煤灰掺量越多，淤泥固化土的无侧限抗压强度越高，且随粉煤灰掺量的倍数增加而倍数增加。直接原因是粉煤灰的填充效应，高掺量粉煤灰填充淤泥固化土的内部细小孔隙，使淤泥固化土的结构致密，强度提高。6.9%低掺量粉煤灰的淤泥固化土峰值强度较低；17.25%中等掺量粉煤灰的淤泥固化土峰值强度较低，但90 d 养护龄期峰值强度较28 d 增幅显著；34.5%高掺量粉煤灰的淤泥固化土峰值强度较低掺量粉煤灰增幅明显，90 d 养护龄期较28 d 增幅显著，28 d 养护龄期内增幅不明显。表明34.5%高掺量粉煤灰、90 d 长龄期条件下，粉煤灰淤泥固化土的强度改性效果好。

2.2 淤泥固化土的变形模量

各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土的变形模量E50如图2 所示。

图2 各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土的变形模量E50

从图2 可以看出，对于淤泥固化土，当养护龄期从7 d 延长至90 d 时，不同粉煤灰掺量时的变形模量呈现出不同的变化规律。6.9%低掺量、7~14 d 短龄期时E50增幅较少；34.5%高掺量、7~14 d 短龄期时E50增幅较小，28~90 d 长龄期时E50增幅较大。主要由于粉煤灰的火山灰效应或水化反应短期效应不明显，且掺量少时对淤泥固化土的强度提高效果不佳。28~90 d 长龄期粉煤灰的火山灰效应或水化反应作用显现，致使淤泥固化土的骨架结构致密，宏观上表现为淤泥固化土无侧限抗压强度和变形模量E50提高。

2.3 淤泥固化土的破坏模式

6.9%低掺量、34.5%高掺量粉煤灰淤泥固化土的破坏照片如图3、图4 所示。

图3 6.9%低掺量粉煤灰淤泥固化土的破坏照片

图4 34.5%高掺量粉煤灰淤泥固化土的破坏照片

从图3、图4 结合前文分析可以看出：

（1）随粉煤灰掺量增加、养护龄期延长，淤泥固化土的强度及刚度提高，7～90 d 龄期呈现出韧性减小、脆性增大的趋势。

（2）粉煤灰掺量为6.9%时，随龄期的延长强度提高不明显，淤泥固化土的强度较低呈现塑性破坏，说明6.9%低掺量时无论养护龄期长短，粉煤灰改良淤泥固化土的效果不佳。

（3）粉煤灰掺量为34.5%时，养护龄期7、14、28、90 d 的淤泥固化土试样强度增幅较大，短龄期14 d 较7 d 增幅不明显，长龄期90 d 较28 d 增幅最显著，表明高掺量粉煤灰淤泥固化土的无侧限抗压强度提高的同时韧性和延展性随之降低。因此，高掺量粉煤灰在长养护龄期条件下，淤泥固化土的改性效果显著，从室内试验研究的角度分析高掺量粉煤灰具有淤泥固化工程应用的可行性。