碱渣及粉煤灰对水泥固化底泥强度影响研究

武 亚 军, 陈 宸, 崔 春 义, 陆 逸 天, 袁 耿 豪

( 1.上海大学 力学与工程科学学院 土木工程系, 上海 200444;2.大连海事大学 交通运输工程学院 土木工程系, 辽宁 大连 116026;3.温州市渣土利用开发股份有限公司, 浙江 温州 325000 )

0 引 言

随着我国城市建设的快速进行,城市规模逐渐扩张,需要对河道等水系进行治理以满足大量开发土地的需求．治理河道的难点在于底泥的处理,传统的底泥处理方式为将底泥运往他处堆放[1],但此种方式会消耗大量土地资源,且底泥中含有的污染物可能会渗入地下,污染地下水．原位固化法因其无害处理和二次利用等特点成为一种优异的处理方式[2]．与此同时,随着工业的发展,2020年我国纯碱(Na2CO3)产量高达2 812.37×104t[3]．纯碱在生产过程中会产生碱渣等工业废弃物,采用氨碱法每生产1 t纯碱要向外排放0.3 t的碱渣[4],由此计算可知,我国2020年碱渣产量达到了840×104t．碱渣的主要成分为碳酸钙(CaCO3)、硫酸钙(CaSO4)、氯化钙(CaCl2)等钙盐[5]．碱渣目前常见的处理方式为堆放处理,由于具有腐蚀性,这种方式不可避免地会对周边环境及地下水资源造成污染,危害堆积处周边人群健康．因此,将碱渣用于固化底泥既可以消耗一部分碱渣,又可以原位固化底泥,节约大量土地资源,是一种一举多得的处理方式．

以水泥为主的固化剂是处理底泥常用的选择[6],但是水泥造价高,且生产过程中会产生大量固液废弃物．Bian等[7]通过使用高分子添加剂,使淤泥中的水分被快速吸收,从而提高固化淤泥强度．Wang等[8]通过研究碱渣在水泥生产中的作用,发现添加碱渣可使水泥初凝和终凝时间大幅缩短且增加水泥需水量．Zhao等[9]通过氢氧化钠(NaOH)催化碱渣和粉煤灰合成碱激发水泥,证明了碱渣和粉煤灰可以作为水泥添加剂提高水泥强度．Jongpradist等[10]研究发现粉煤灰可适当提高水泥固化强度且可部分代替水泥．

普通淤泥长期处于水下,结构松散、孔隙比大、含水率高、天然结构强度低,常处于流塑或流动状态[11]．实际施工过程中,在将河道等水系抽干后,需要将表层淤泥清除,将遗留下的淤泥和河底下土壤搅拌后添加固化剂[12]．底泥相对于普通淤泥,含水率相对较低,粉粒含量增加,黏粒含量减少,塑性指数降低,因此研究底泥的固化更符合工程实际．

本次试验以水泥为主固化剂,碱渣和粉煤灰作为添加剂,通过改变添加剂的添加量探寻碱渣和粉煤灰对水泥固化底泥的影响．

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验采用水泥、碱渣、粉煤灰为底泥固化剂,通过改变底泥固化剂添加量进行对比试验．

底泥来自上海市浦东新区张家宅地区,为粉质黏土,其主要物理性质见表1．

表1 底泥主要物理性质

试验材料化学成分分析见表2．试验用水泥为42.5#普通硅酸盐水泥,来自江苏省太仓市海螺水泥有限责任公司,主要成分为氧化钙(CaO)和二氧化硅(SiO2),同时含有少量氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)．

表2 试验材料化学成分分析

碱渣来自江苏省连云港市碱业有限公司．先将湿碱渣烘干,研磨后过120目筛得到干碱渣,筛孔尺寸为0.125 mm．试验使用粒径小于0.125 mm的碱渣,其主要成分为CaCO3、CaSO4和CaCl2．

粉煤灰来自河南省巩义市恒诺滤料有限公司．将粉煤灰烘干后过120目筛,筛孔尺寸为0.125 mm．试验使用过筛后的粉煤灰,其粒径小于0.125 mm．粉煤灰主要成分为SiO2、Al2O3和CaCO3．底泥主要由SiO2、Al2O3和Fe2O3组成．

1.2 试验方案

试验方案设计见表3．固化剂添加量为固化剂质量与底泥质量的比值．方案中共设计了添加3种不同类型固化剂的无侧限抗压强度试验．方案一为在底泥中分别单独添加5%、7%和10%的水泥;方案二为在添加5%和7%水泥的基础上,再分别添加1%、2%、3%、5%、7%和10%的碱渣;方案三为在添加水泥+碱渣的基础上,再掺入粉煤灰,水泥+碱渣添加量分别为5%+5%、5%+7%和7%+7%,粉煤灰的添加量分别为1%、3%、5%、7%和10%．所有试样均在标准条件下养护,经过3、7、14、28 d龄期后进行无侧限抗压强度试验．

表3 试验方案设计

1.3 试验步骤

在实际工程中,原位固化底泥时往往先通过强力搅拌机将底泥原位搅拌均匀后,再加入固化剂继续搅拌使底泥和固化剂充分混合[12]．为使室内试验结果更加贴近工程实际,将底泥在储存桶内搅拌均匀,取出试验所需的底泥,加入搅拌锅中,把用天平称好质量的各类固化剂干粉加入烧杯中,用玻璃棒搅拌均匀．将搅拌锅放置于搅拌机上,开始搅拌底泥,并在搅拌过程中分次加入固化剂．待最后一部分固化剂融入底泥后搅拌至固化剂溶解,继续搅拌1 min使固化剂与底泥充分接触．将搅拌均匀的固化底泥装入内部抹有一薄层凡士林的内径为39.1 mm、高度为80 mm的塑料圆筒中,上下端抹平,进行标准养护．将试样放入箱中,放置于实验室阴凉处,调整实验室空调参数使得实验室环境恒温恒湿．待试样养护至相应龄期,取出试样并脱模,按试验标准进行无侧限抗压强度试验,得到所需数据[13]．为减小试样制作过程带来的偏差,保证数据准确性,每个数据点制作4个平行试样并测量其无侧限抗压强度,取2个最大强度的平均值作为结果．

2 结果与讨论

2.1 水泥对固化底泥强度的影响

试验分别添加5%、7%和10%的水泥,养护3、7、14、28 d后得出对应无侧限抗压强度,如图1所示．随着水泥添加量和龄期的增加,水泥固化底泥的强度也随之上升．其中,水泥添加量为5%、7%和10%时,其28 d无侧限抗压强度分别达到236.26、479.07和797.43 kPa．

图1 水泥对固化底泥强度的影响

2.2 碱渣对水泥固化底泥强度的影响

试验以先添加5%和7%的水泥为标准,再分别添加1%、2%、3%、5%、7%、10%的碱渣,养护3、7、14、28 d后得到对应的无侧限抗压强度．

在添加1%碱渣,水泥添加量为5%时,如图2所示,相较于未添加碱渣的固化底泥,试样的3 d无侧限抗压强度提高约43.1%,其28 d无侧限抗压强度提高约35.7%．无侧限抗压强度随碱渣添加量的增加而增大,当碱渣添加量为7%时,28 d无侧限抗压强度达到最大值503.37 kPa,大于只添加7%水泥时的无侧限抗压强度．当碱渣添加量大于7%后,水泥固化底泥强度随碱渣增多而降低．

图2 碱渣对5%水泥固化底泥强度的影响

水泥添加量为7%时,如图3所示,与5%水泥添加量类似,无侧限抗压强度随碱渣添加量的增加而增大．碱渣添加量为10%的水泥固化底泥无侧限抗压强度高于碱渣添加量为7%时的结果,碱渣最佳添加量为10%．当水泥和碱渣添加

图3 碱渣对7%水泥固化底泥强度的影响

量分别为7%和10%时,固化底泥28 d无侧限抗压强度达到782.77 kPa,和只添加10%水泥的28 d无侧限抗压强度相当．

由上可知,无论水泥固化底泥强度的早期强度还是最终强度,碱渣都对其有显著的提升作用,且碱渣添加量存在最佳值,该值随水泥添加量的增加而增大．但达到一定值后,碱渣添加量对水泥固化底泥强度提升效果不明显．碱渣过量反而会导致水泥固化底泥强度降低．当水泥和碱渣添加量达到一定比例时,其强度可与高添加量水泥固化底泥强度相当．此时碱渣可以代替部分水泥．

2.3 粉煤灰对水泥-碱渣固化底泥强度的影响

在水泥-碱渣固化剂基础上添加粉煤灰,其添加量见表3,以此研究粉煤灰对水泥-碱渣固化底泥的影响,即在水泥+碱渣添加量分别为5%+5%、5%+7%和7%+7%的基础上添加粉煤灰进行试验．

水泥和碱渣添加量均为5%,如图4所示,当粉煤灰添加量小于5%时,试样无侧限抗压强度随粉煤灰添加量的增加而增大,当粉煤灰添加量达到5%时,无侧限抗压强度达到峰值．粉煤灰添加量超过5%后,无侧限抗压强度随粉煤灰添加量的增加而减小．添加5%粉煤灰的28 d无侧限抗压强度相较于未添加粉煤灰的水泥-碱渣固化底泥强度提升了28.7%．

图4 粉煤灰对5%水泥+5%碱渣固化底泥强度的影响

当水泥和碱渣添加量分别为5%和7%时,如图5所示,有类似现象出现,粉煤灰添加量小于5%时,固化底泥强度与粉煤灰添加量正相关,当粉煤灰添加量达到5%时,无侧限抗压强度达到峰值,粉煤灰添加量超过5%后,固化底泥强度与粉煤灰添加量负相关．但添加5%粉煤灰的28 d无侧限抗压强度相较于未添加粉煤灰的水泥-碱渣固化底泥强度仅提升9.8%,说明水泥相对碱渣过量时,粉煤灰对水泥-碱渣固化底泥强度的提升作用更为明显．碱渣添加量的提高对粉煤灰最佳添加量的影响不大．当水泥、碱渣和粉煤灰添加量分别为5%、5%和3%时,28 d固化底泥无侧限抗压强度达到517.47 kPa,超过水泥和碱渣添加量分别为5%和7%的28 d无侧限抗压强度．说明粉煤灰可代替部分碱渣使固化底泥达到相同强度．

图5 粉煤灰对5%水泥+7%碱渣固化底泥强度的影响

当水泥添加量为7%时,由图6可知,粉煤灰添加量与水泥-碱渣固化底泥强度关系相似,但粉煤灰最佳添加量超过5%,说明相较于碱渣,粉煤灰对水泥-碱渣固化底泥最佳添加量随水泥添加量的增加而增加,且相较于碱渣,水泥添加量对其影响较大．

图6 粉煤灰对7%水泥+7%碱渣固化底泥强度的影响

2.4 加固机理分析

在只添加水泥的情况下,固化底泥的强度主要来源于水泥水化物包裹胶结土颗粒作用和填充颗粒间孔隙作用[14]．硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)作为水泥中主要的氧化物[15],它们加入底泥后会发生水化反应,生成水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H)．此外,底泥中的硅和铝也同时参与反应,这使得整个反应过程变得复杂．水泥中的Ca(OH)2和底泥中的硅发生火山灰反应生成更多的C-S-H．Ca(OH)2和铝反应生成具有黏性的C-A-H[16]．与土壤不同的是,底泥土颗粒之间可提供的黏聚力和摩擦力有限,固化底泥强度主要来源于凝胶所形成的骨架作用．

粉煤灰主要成分为SiO2和Al2O3．粉煤灰-碱渣-水泥混合料砂浆与水拌和后,水泥熟料、碱渣材料共同作用迅速水化,其早期水化产物C-S-H在颗粒间的黏结是早期抗压强度的来源,但粉煤灰尚未水化．随着时间推移,早期水化产物中Ca(OH)2逐渐与粉煤灰中活性SiO2和Al2O3反应,二次水化生成更多的C-S-H[17],使后期强度提高．当粉煤灰过量时,也与碱渣过量情况类似,粉煤灰填充于水泥-碱渣固化底泥的孔隙中,阻碍了相关凝胶化合物生成．虽然粉煤灰的填充作用使得土颗粒之间产生较大的摩擦力和黏聚力,增加了固化底泥强度,但由于凝胶对固化底泥强度影响更大,所以过量粉煤灰使得固化底泥强度降低．

3 微观加固机理

分别对只添加5%水泥、5%水泥+5%碱渣、5%水泥+10%碱渣、5%水泥+5%碱渣+5%粉煤灰、5%水泥+5%碱渣+10%粉煤灰的28 d龄期试样进行SEM试验,所用设备为JSM-7500F场发射扫描电子显微镜．由图7(a)可知,只有水泥与底泥反应时,试样养护28 d后,扫描电子显微镜下放大5 000倍时,可以观察到反应生成C-S-H和C-A-H．当掺入最佳添加量的碱渣后,如图7(b)所示,C-S-H减少,更多的C-A-S-H生成,试样强度增大．当碱渣过量时,对比碱渣最佳添加量的28 d龄期试样,在场发射扫描电子显微镜放大10 000倍的情况下,如图7(c)、(d)所示,可以观察到碱渣过量时,颗粒更加密实,连接颗粒之间的C-S-H等凝胶物质含量降低,说明碱渣过量时试样强度反而会降低．当添加适量的粉煤灰,如图7(e)所示,粉煤灰颗粒填充在底泥土颗粒孔隙之间,生成C-S-H等凝胶化合物,增加了试样强度．对比图7(e)、(f)可知,与碱渣过量情况相似,粉煤灰添加量增加,但是C-S-H等凝胶含量降低,使得试样强度降低．

(a) 5%水泥5 000倍形貌

(b) 5%水泥+5%碱渣5 000倍形貌

(c) 5%水泥+5%碱渣10 000倍形貌

4 结 论

(1)相较于单纯以水泥为固化剂的固化底泥,添加适量碱渣有助于固化底泥强度的提升,且碱渣添加量存在最佳值,该值随水泥添加量的增加而增大．当碱渣添加量低于最佳值时,固化底泥强度随碱渣添加量的增加而增大;当碱渣添加量超过最佳值时,固化底泥强度随碱渣添加量的增加而减小．

(2)粉煤灰对水泥-碱渣固化底泥的作用与碱渣对水泥固化底泥的作用类似,适量粉煤灰有助于提高水泥-碱渣固化底泥强度,粉煤灰添加量存在最佳值,且该值随水泥添加量的增加而增大．当粉煤灰添加量低于最佳值时,固化底泥强度与粉煤灰添加量正相关;当粉煤灰添加量超过最佳值时,固化底泥强度与粉煤灰添加量负相关．

(3)碱渣可代替部分水泥,粉煤灰可代替部分碱渣,使固化底泥强度保持在一定水平．在不同地区可根据实际情况选择不同添加剂代替水泥,如部分地区因各种限制,碱渣产量不高但粉煤灰产量较多时,可以使用粉煤灰代替部分碱渣保证固化底泥强度不降低,以此降低固化底泥成本,达到节约资源、保护环境的目的．

(4)相较于粉煤灰对水泥-碱渣固化底泥,碱渣对水泥固化底泥强度提升作用更大,因此在实际施工中,在其他条件相同时可以优先考虑添加碱渣,当仍需提高固化底泥强度时,可以适当加入粉煤灰．