氟石膏基胶结材固化淤泥质软土性能研究

黄绪泉 ，黄安宜 ，王小书 ，姜明明 ，聂丹丹 ，冯思源

[1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省农田环境监测工程技术研究中心（三峡大学），湖北 宜昌 443002]

我国淤泥质软土面积分布广泛，开展基础设施建设必须添加固化剂对其进行改良，降低其含水率的同时提高其承载力。国内外应用广泛的固化剂主要是水泥和石灰[1-2]，但是它们生产均要消耗大量能源和资源，同时也排放CO2等大量温室气体和粉尘，而粉尘排放是产生PM2.5颗粒的主要污染源之一。以工业废渣为基础，开发研究低能耗、低材耗、污染少的新型胶凝材料用于淤泥质软土固化处理是不少学者追求的方向之一[3-5]。

近年来陆续开展了提高工业石膏废弃物掺量制备固化剂固化软土方面的研究。Ahmed等[6-7]利用废弃石膏板制备成半水石膏加固软土，进行了强度和耐久性等方面研究。桂跃等[8]研究发现，疏浚淤泥中掺入一定量的磷石膏，可较大幅度提高其无侧限抗压强度。De Rezende等[9]采用半水磷石膏和水泥、石灰改性黏土，优于二水磷石膏。Degirmenci等[10]发现，通过磷石膏、粉煤灰及水泥等处理后淤泥质软土塑性指数下降。袁聚云等[11]开展了利用脱硫石膏和水泥等固化淤泥质软土性能等方面研究。

氟石膏是重要化工原料氢氟酸生产中所产生的工业废弃物，其主要成分为水化极慢的无水石膏，目前国内外关于氟石膏应用仅局限水泥缓凝剂[12]、抹灰砂浆[13]等领域。由于含杂质多、成分复杂和利用率不高等原因被大量堆放在尾矿库，占用大量土地资源。前述石膏固化淤泥质软土研究多集中磷石膏、废弃再生石膏和脱硫石膏等方面，开展氟石膏基胶结材固化软土研究几乎没有。本文研究了氟石膏掺量对固化淤泥含水率、抗压强度和pH值等性能的影响，并与水泥、生石灰固化剂进行对比，为拓宽氟石膏资源化利用途径、降低其堆积量提供数据支撑依据。

1 实验

1.1 原材料

（1）淤泥：取自某湖泊，黑色流塑状，含较多有机质残渣，液限46%，塑限20%，塑性指数26%，有机质含量3.7%，原始pH值5.85。将淤泥土在45℃低温烘干碾碎，加水至含水率30%（水/绝干质量）预拌混合静止24 h作为实验用原状淤泥。

（2）固化剂：生石灰（LM）、P·C32.5水泥（PC）和氟石膏基胶结材（FB）。LM为市售，有效CaO含量85%，比表面积247.2 m2/kg；PC为葛洲坝水泥厂产；FB由30%氟石膏、30%矿渣、30%熟料和10%磷渣，外掺1%K2SO4组成，氟石膏、矿渣、熟料和磷渣比表面积分别为 804.1、341.0、378.1、502.4 m2/kg。原材料的主要化学成分见表1。

表1 原材料的主要化学成分 %

1.2 实验方法

1.2.1 淤泥土固化

称取定量淤泥、固化剂倒入搅拌机搅拌混合4 min，然后置于密封容器闷料24 h，然后参考JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T 0843—2009规定，制备直径50 mm、高度50 mm的圆柱体试样，置于标准养护箱[温度（20±1）℃、相对湿度95%]中覆膜密封保湿养护至规定龄期，进行无侧限抗压强度，同时取破型核心样开展pH值、含水率等测试。

1.2.2 含水率的测试

含水率参照JTG E40—2007《公路土工试验规程》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 固化淤泥性能的变化

2.1.1 固化淤泥含水率的变化

分别掺 25%、22%、19%、16%、13%的 FB、PC、LM 固化剂后固化淤泥不同龄期含水率的变化见图1。

图1 掺FB、PC、LM固化剂后固化淤泥在不同龄期含水率的变化

从图1可以看出：

混凝土中所含有的总碱量，是指在单位重量中所有组成混凝土所有材料，如水泥、外加剂以及骨料含碱总量，含碱总量大小对于混凝土碱-集料反应影响很大。但是，通过单位体积混凝土中含碱总量的计算以及对混凝土含碱总量的控制，可以有效抑制混凝土的碱-集料反应，保证混凝土构件不发生碱-集料反应破坏。其含碱总量可通过计算或查问相关标准来获取。

（1）随着龄期的延长，无论是掺FB、LM还是PC固化剂，固化淤泥的含水率均呈幂函数趋势逐渐下降，固化剂掺量为25%的在7 d前下降最明显，然后缓慢下降；固化剂掺量为13%～22%的一直缓慢下降。所有拟合方程中，掺FB固化剂的拟合方程相关系数最高，掺PC固化剂的拟合方程相关系数次之，掺LM的最低，其在掺量为22%时拟合方程的相关系数仅为0.7971。

（2）固化剂掺量为16%～25%，FB固化淤泥的3 d含水率始终最低，仅在掺量为13%时最高，这可能是相比LM和PC，FB掺量低时早期生成的胶凝物质较少，但FB固化淤泥的含水率在7 d时已迅速下降，低于掺PC的，并与掺LM的相差不大，到21 d时FB固化淤泥含水率更是已低于掺LM和PC的。所以，从含水率降低程度上分析，FB固化淤泥比LM或PC更有优势。

2.1.2 固化淤泥pH值的变化

分别掺 25%、22%、19%、16%、13%的 FB、PC、LM 固化剂后固化淤泥不同龄期pH值的变化见图2。

图2 掺FB、PC、LM固化剂后固化淤泥在不同龄期pH值的变化

由图2可以得出：

（1）固化剂掺量为25%时，掺LM的固化淤泥pH值随着龄期延长基本不变，维持在11.6以上，而掺FB和PC的固化淤泥pH值均呈现先增大后缓慢减小趋势，并均在7 d出现最高值；21 d时，掺LM和PC的固化淤泥pH值分别为11.98、10.89，而掺FB的固化淤泥pH值为9.89。

（2）固化剂掺量为22%时，掺LM的固化淤泥pH值在7 d后随着龄期延长而减小，掺FB和PC的固化淤泥pH值变化和掺25%相似，掺FB固化淤泥的pH值在7 d达到最大，而掺PC的固化淤泥pH值最大值则出现在14 d；21 d时，掺LM和掺PC的固化淤泥pH值分别为10.57、10.48，非常接近，而掺FB的固化淤泥pH值为9.31。

（3）固化剂掺量为19%时，掺LM和FB的固化淤泥pH值均随着龄期延长而减小，21 d时掺LM固化淤泥的pH值已减小到10.69，掺FB的则减小到9.27，而掺PC的固化淤泥pH值变化波动，21 d时为11.45。

（5）固化剂掺量为13%时，掺LM的固化淤泥pH值随着龄期延长呈现减小的趋势，而掺PC和FB的固化淤泥pH值变化波动明显；同一龄期固化淤泥pH值仍为LM最高、FB最低，21 d时掺LM、PC和FB固化淤泥的pH值分别为10.89、10.47和9.48。

从整体看，掺LM和掺PC固化淤泥的pH值较高，而掺FB固化淤泥的pH值最低，其固化淤泥环境污染风险相对较低。

2.1.3 固化淤泥无侧限抗压强度的变化

分别掺 25%、22%、19%、16%、13%的 FB、PC、LM 固化剂后固化淤泥不同龄期无侧限抗压强度的变化见图3。

图3 掺FB、PC、LM固化剂后固化淤泥在不同龄期无侧限抗压强度的变化

从图3可知：固化剂掺量相同时，各龄期下固化淤泥的无侧限抗压强度均为掺FB的最高，掺PC的次之，掺LM的最低。掺13%～25%LM的固化淤泥，其无侧限抗压强度随龄期的延长增长缓慢，除掺量为25%时其21 d无侧限抗压强度达到1.65 MPa外，其它掺量均未超过1.5 MPa，并有波动现象；掺FB固化淤泥的抗压强度则随着龄期的延长迅速增长，尤其在14 d前增长迅速，高掺量时7 d抗压强度增长更明显；掺PC固化淤泥的抗压强度也随着龄期的延长而增长，但增幅明显弱于掺FB的。

进一步分析可得：固化剂掺量为25%时，掺FB和掺PC的固化淤泥14 d无侧限抗压强度分别是掺LM的4.22、2.24倍；固化剂掺量为22%时，掺FB和掺PC的固化淤泥14 d无侧限抗压强度分别是掺LM的6.52、4.51倍；固化剂掺量为19%时，掺FB和掺PC的固化淤泥14 d无侧限抗压强度分别是掺LM的7.14、4.03倍；固化剂掺量为16%时，掺FB和掺PC的固化淤泥14 d无侧限抗压强度分别是掺LM的5.75、2.88倍；固化剂掺量为13%时，掺FB和掺PC的固化淤泥14 d无侧限抗压强度分别是掺LM的4.85、2.19倍。

2.2 固化淤泥的SEM分析

采用JSM-5610LV扫描电子显微镜，对原状淤泥和掺19%FB、PC、LM固化淤泥的微观形貌进行分析，结果见图4。

从图4可以看出：原状淤泥呈现大团块状，掺固化剂后细化了淤泥颗粒，小的孔隙增多。掺FB的固化淤泥被丝状、针状、长片状物质所分割胶结，以0.5～5.0 μm颗粒居多，淤泥团聚体小，结构更稳定；而掺LM和掺PC固化淤泥仍存在直径在10～15 μm的大块颗粒，且大孔隙较多，胶结效果较差，这可能是掺FB固化淤泥无侧限抗压强度高于掺LM和掺PC的原因之一。

3 结论

（1）掺FB、LM和PC固化淤泥的含水率随着龄期延长呈现幂函数下降趋势，其中掺FB的固化淤泥拟合方程相关系数最高。从含水率降低程度上分析，FB固化淤泥比LM或PC更有优势。

（2）龄期相同时，掺LM和PC的固化淤泥pH值较高，掺而FB的固化淤泥pH值最低，其固化淤泥环境污染风险相对较低。

（3）相同掺量时，掺FB的固化淤泥各龄期无侧限抗压强度最高，掺PC的次之，掺LM的最低。掺FB的固化淤泥无侧限抗压强度则随着龄期延长而迅速增长，尤其在14 d前增长迅速。

（4）原状淤泥掺固化剂后，淤泥形态呈现不同程度细化现象，淤泥团聚体变小。相比掺LM和PC，掺FB的固化淤泥中碎片状、丝状淤泥形态多，淤泥被分割成更为细小的团聚体，大块团聚体少，结构更稳定，固化强度较高。

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