GS固化剂加固海底淤泥耐久性及微观机理

李光耀,张 振,叶观宝,单卫良,舒 欢

(1.同济大学 地下建筑与工程系, 上海 200092; 2.上海宝粉材料科技有限公司, 上海 200000;3.金茂苏皖企业管理(天津)有限公司, 江苏 南京 320100)

1 引 言

随着我国海洋强国战略的实施,在工程领域海底淤泥的处治越来越受到人们的关注。海底淤泥具有有机质含量高、含水率高、强度低、含盐量高等特殊土性特性[1-2]。与此同时,海洋环境与陆域环境有很大差异,建(构)筑物长期暴露在含有污损生物介质和腐蚀化学介质的环境之中[3]。因此,海底淤泥固化土的耐久性问题是工程中普遍关注的问题。

水泥是最常用的土体固化剂[4-5]。然而大量研究与工程实践表明,在特殊环境中,如干湿循环、硫酸盐侵蚀等,水泥基复合材料在工程应用中常因耐久性问题导致强度降低甚至破坏[6-8]。李芳菲等[8]通过试验发现水泥掺量较少时,干湿循环后固化淤泥的屈服应力和抗剪强度都出现下降的趋势。Liu等[9]也得到了类似的结论。徐杨等[10]通过试验指出,水泥加固淤泥应对干湿循环的耐久性较差。因此,研发新型固化剂解决海底淤泥固化土的耐久性问题,成为研究的热点[11-12]。Phetchuay等[13]对一种基于土工聚合物的碳化钙渣和粉煤灰的固化剂进行了试验研究。Zainuddin等[14]和Al-Bared等[15]研究使用瓷砖材料来加固海底淤泥的工程性能。何俊等[16]对碱渣-钢渣-电石渣固化淤泥面对干湿循环条件的耐久性进行了研究。

GS固化剂一种以工业废渣为主要原料的新型固化剂,其中炼钢产生的工业固废占比达到70%以上。程占括等、Ye等研究了GS固化剂加固软土的力学特性[17-18]。研究表明,在龄期、掺量均相同的情况下,GS固化土的无侧限抗压强度是水泥土的1.3～2.1倍,现场标准贯入击数是水泥土的1.8～2.3倍。由于海底淤泥土性和海洋环境的特殊性,固化土的耐久性问题必须着重考虑。目前针对GS固化剂加固海底淤泥耐久性的研究鲜有报道,对于其微观机理层面的分析更是匮乏。

本研究分别利用水泥及GS固化剂对海底淤泥进行加固,通过对两种固化土的耐久性进行对比分析,开展相关研究。通过无侧限抗压强度试验,分析了两种固化土在干湿循环和硫酸盐浸泡条件下的强度衰减规律。在此基础上,开展背散射衍射(BES)试验及X 射线衍射(XRD)分析,从微观机理角度揭示了GS固化剂加固海底淤泥时的抗侵蚀耐久性原因。

2 试验材料及方案

2.1 试验材料

试验用海底淤泥取自香港某地基处理工程,该淤泥含水量高,呈流塑状,有机质含量高,硫酸盐含量高于普通沿海软土。经现场取土密封后,运输至实验室开展后续研究。表1给出了该海底淤泥的主要化学含量指标和基本物理参数。GS固化剂是一种以工业固体废渣为主要原料的新型固化剂,通过混合一定比例的炉渣、钢渣、粉煤灰、脱硫石膏和水泥及其他添加剂制成。表2 为利用X 射线荧光(XRF)测试检测的GS固化剂化学成分。试验采用P·O42.5水泥作为对比参照,表3给出了水泥及GS固化剂的主要性能指标。

表3 GS固化剂与水泥性能指标Table 3 Performance indices of GS agent and cement

2.2 试验方案与试验步骤

本次试验固化剂掺量定为10%、15%和20%三种,水灰比取1.0,试样标准养护龄期为56 d 和90 d。试验所用试样分别为长宽高均为50 mm 的立方体(用于无侧限抗压强度试验)以及长宽高均为10 mm 的立方体(用于BES试验)。将试验所用的海底淤泥进行风干捣碎,分别与不同的固化剂混合,加水搅拌均匀后倒入立方体试模,并振动密实。抹平试模上部沿口,封膜24 h后拆模,养护至所需龄期。为便于说明,试验组采用GS/CX 进行命名区分,其中GS表示利用GS固化剂进行加固,C 表示利用水泥进行加固,X 代表固化剂掺量。例如,GS20即为GS固化剂掺量20%的试验组。

将尺寸为50 mm 的立方体试样养护至指定龄期后,依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082-2009)[19]进行干湿循环和硫酸盐溶液浸泡试验。对照组将试样在常温下放入清水中全浸泡30 d以备后续实验;干湿循环时,常温下将试样放入清水中浸泡24 h,再取出用干布擦干表面水分,静置在净玻璃板上晾干24 h,记作完成1次干湿循环过程,循环15次以备后续试验;硫酸盐溶液浸泡时,将试样在常温下放入5%的Na2SO4溶液中全浸泡30 d以备后续试验。完成上述操作后,便可进行无侧限抗压试验。试验过程中均匀连续施加荷载直至试件破坏,加载头采用应力控制,速度为0.15 kN/s。通过计算试样的抗蚀系数分析固化土的耐蚀能力,即干湿循环或硫酸盐溶液浸泡后试样无侧限抗压强度与标准养护条件下无侧限抗压强度的比值。每组6个试样,取算术平均值。

为研究不同固化剂固化土的耐蚀机理,将尺寸为10 mm 的立方体试样标准养护至90 d,再用环氧树脂固化样品,打磨抛光后在高真空条件下进行不同固化剂掺量固化土的BES试验。试验采用QUANTA 200型扫描电子显微镜(SEM)搭载的背散射电子显微镜探头进行。与此同时,对完成硫酸盐浸泡试验前后的GS固化土以及水泥土试样(90 d),利用X射线衍射仪进行物相鉴定分析,得到XRD衍射数据图谱。

3 试验结果与分析

3.1 干湿循环

图1是在标准养护及干湿循环条件下,不同固化剂掺量固化土的无侧限抗压强度及耐蚀系数。从图可见,龄期为90 d的固化土在干湿循环后的变化规律与龄期56 d的类似。在相同的条件下,GS固化土的无侧限抗压强度是水泥土2.00～2.76倍,耐蚀系数约为水泥土的1.05～1.10倍。因此,GS固化土对干湿循环的加固效果和耐蚀能力要高于水泥土。随着养护龄期的增长,两种固化土的强度耐蚀系数随之增大,这是由于水化反应产物随龄期增长而增加,进而增强固化土颗粒骨架结构的稳定性,有效地提高固化土对干湿循环的抵抗能力。

图1 干湿循环及标准养护条件下无侧限抗压强度及耐蚀系数 (a)56 d; (b)90 dFig.1 Unconfined compressive strength and corrosion resistance coefficients under dry-wet cycle and standard curing condition (a) 56 d; (b) 90 d

3.2 耐硫酸盐浸泡

从图2可见,两种龄期的水泥固化土在硫酸盐浸泡30 d后已完全崩解,无法完成无侧限抗压试验;利用GS固化剂进行加固的试件仍比较完整,但产生了一些裂隙以及四周周边有小块脱落。图3是在标准养护及硫酸盐浸泡条件下,不同固化剂掺量固化土的无侧限抗压强度及耐蚀系数。整体可以看出,固化土强度受硫酸盐溶液的影响明显,GS固化土的耐硫酸盐腐蚀性能远好于水泥土,其耐蚀系数为18.6%～71.2%。随着养护龄期的增长,GS 固化土的无侧限抗压强度耐蚀系数提高,即抗硫酸盐腐蚀性能提升。

图2 硫酸盐浸泡30 d后的固化土腐蚀情况(标准养护56 d)Fig.2 Corrosion of stabilized soil after soaking in sulfate for 30 days (standard curing for 56 days)

图3 硫酸盐浸泡及标准养护条件下无侧限抗压强度及耐蚀系数 (a)56 d; (b)90 dFig.3 Unconfined compressive strength and corrosion resistance coefficient under sulfate immersion and standard curing conditions (a)56 d; (b)90 d

3.3 BES试验

土体中加入固化剂后,发生水化反应生成凝胶状的水化硅酸钙(C-S-H)和Ca(OH)2等水化产物,这些水化产物使土体形成更稳定的结构[20]。对不同固化剂掺量固化土进行1 000倍的背散射电镜图像(图4)观察。根据物相的灰度值进行分相,依次分割出的物相为土中未水化颗粒、水化产物和孔隙相图像,如图5所示。从图可见,不同固化剂固化土具有不同的灰度分布直方图,即不同的灰度分布模式。GS固化土和水泥土灰度分布的主峰均为水化产物。GS固化土的水化产物含量明显高与水泥土,孔隙含量相对较低。水泥土仅有一个灰度峰值,不同物相识别之间的灰度界限不清晰。与水泥土不同,GS固化土还有两个不太明显的较小未水化颗粒以及孔隙分布峰。

图4 固化土BSE图像 (a)GS10; (b)C10; (c)GS15; (d)C15; (e)GS20; (f)C20Fig.4 BSE image of solidified soil (a)GS10; (b)C10; (c)GS15; (d)C15; (e)GS20; (f)C20

图5 固化土灰度直方图Fig.5 Gray histogram of stabilized soil

表4为不同试样孔隙横截面的平均面积分数(平均孔隙率)以及平均孔径, 由Image J软件基于灰度值累计分布图的溢出法[21]进行分析得到。由表可知,无论是GS固化剂还是水泥的掺量增加,孔隙率均会减小。这是因为掺量的增加使水化产物增加,水化产物包裹着土体颗粒并填充在土颗粒间,使土颗粒间的孔隙变小和孔隙率降低,水化产物与土体颗粒形成较强的结构联结,强度也得到了大幅度提高。

表4 固化土的孔隙指标数值与水化产物比例Table 4 Pore index value and hydration product ratio of stabilized soil

3.4 XRD分析

图6为标准养护90 d的固化土在硫酸盐溶液中浸泡30 d前后的XRD图谱。由图6(a)、(b)可知,水泥土在经过硫酸盐溶液浸泡之后,石膏和钙矾石的含量显著增加。这是由于硫酸根等腐蚀性离子渗入试件之后,与内部水化产物反应,生成了石膏和钙矾石等一系列产物[22]。这些腐蚀产物具有一定膨胀性,容易引起固化土开裂,同时加剧侵蚀,最终导致试样的破坏。

图6 硫酸盐浸泡前后固化土XRD衍射图(a)水泥土标准养护; (b)水泥土硫酸盐浸泡; (c)GS固化土标准养护; (d) GS固化土硫酸盐浸泡Fig.6 XRD diffraction patterns of stabilized soil before and after sulfate immersion(a) cement stabilized soil under standard curing; (b) cement stabilized soil under sulfate attack; (c) GS stabilized soil under standard curing; (d) GS agent stabilized soil under sulfate attack

由图6(c)、(d)可知,相比于水泥土,GS固化土经硫酸盐溶液浸泡之后,石膏和钙矾石的含量虽有所增加但不显著。这是由于GS固化剂中的炉渣和钢渣发生二次水化反应,消耗了Ca(OH)2,从而减少了石膏和钙矾石的产生[23]。AL-Dakheeli等[24]同样发现,含有炉渣的固化剂能够降低固化土中石膏和钙矾石的含量。

4 结 论

本实验开展了GS固化剂加固海底淤泥耐久性及微观机理研究,得到主要结论如下:

1.干湿循环和硫酸盐腐蚀均会导致水泥土和GS固化土无侧限抗压强度的衰减,其中硫酸盐溶液的影响明显。干湿循环条件下GS固化土的耐蚀系数约为水泥土的1.05～1.10倍。硫酸盐浸泡条件下水泥土发生崩解,GS固化土的耐蚀系数为18.6%～71.2%。提高固化剂掺量和增加标准养护时间,有助于提高固化土的耐久性。

2.固化剂固化海底淤泥的主要是通过水化反应,生成C-S-H 和Ca(OH)2等水化产物包裹和填充于土颗粒之间,从而导致固化土的强度得到显著提高。在相同条件下,GS固化土的水化程度高,水化产物所占比例大,孔隙率小,平均孔径更小,结构更稳定。

3.水泥土以及GS固化土中水化生成的产物基本相同。相比于水泥土,GS 固化土面对硫酸根等腐蚀性离子时,反应生成的石膏和钙矾石更少,限制了固化土的开裂与破坏,表现出优于水泥固化土的耐蚀性。