粉煤灰基复合材料固化泥浆力学特性试验研究

许皇瑞,王 强,2,葛单单,吴刘燕

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 环境友好材料与职业健康研究院(芜湖)，安徽 芜湖 241003)

随着城市化进程不断加快，越来越多的高层建筑、高速道路、大型桥梁等土木工程建设得到快速发展，钻孔灌注桩技术得到了广泛应用[1]。但施工过程中产生的废弃泥浆、淤泥和渣土，相对稠度较大，一般呈黏稠流体或半流体状态，难以自然沉淀分离，处理不当会造成河道淤积、污染水源及土地[2]。目前，泥浆处理的研究主要集中在石油钻井废液、道路桥梁废弃泥浆、河湖淤泥和活性污泥资源化等领域，处理方法有：土地耕作法、化学絮凝固液分离处理法[1]、机械脱水处理法、快速排水固结[3]、化学固化法等。采用化学固化技术可以降低泥浆和淤泥的含水率、提高强度，固化土可用于道路、堤防、地基填筑等各种填方用土[4]。石振明等[5]掺入10%的固化剂处理厦门某隧道的废弃泥浆，28 d抗压强度达1.5 MPa，是水泥固化泥浆的4倍。杨爱武等[6]对天津滨海新区吹填泥浆进行固化，发现其蠕变特征与结构性软黏土接近。目前最常用的固化剂为水泥[7-8]和石灰[9]，但水泥生产过程中存在高能耗、高污染问题以及石灰稳定土温缩性易引起道路基层开裂。

基于低碳经济的绿色发展理念，众多学者致力于将电石渣、粉煤灰、矿渣等工业废料再生为固化材料的研究应用。方春林[10]以水泥和粉煤灰等固化材料掺入工程废弃泥浆，24 d的固化泥浆压实度、CBR值满足路床和路堤填料的要求。朱伟[11]以高炉矿渣微粉为主的绿色胶凝材料固化工程废弃泥浆和渣土浆。Du等[12]采用电石渣稳定软质公路路基土。Horpibulsuk等[13]以电石渣-粉煤灰提高泰国劣性粉质黏土的强度，指出强度影响因素有含水量、固化剂掺量、CCR/FA比和固化时间。Phummiphan等[14]用粉煤灰为地质聚合物的前体稳定粒化高炉矿渣和砖红土共混物，开发低碳路面基层材料。王东星等[15]认为活性MgO-粉煤灰可有效提高固化淤泥抗压强度和抗冻融、抗干湿及水稳性等耐久性能。吴俊等[16]采用“一步法”制备矿渣-粉煤灰基地质聚合物固化淤泥质黏土。

基于以废治废的思想，采用电石渣、粉煤灰、脱硫石膏3种工业废料固化建筑废弃泥浆，对建筑泥浆的固化效果和力学特性进行试验研究，探讨外掺电石渣和脱硫石膏对固化泥浆强度的影响及掺量范围，分析不同电石渣掺量下应力-应变曲线变化规律，揭示3种工业废料固化泥浆的反应机理，实现工业废料和废弃泥浆的资源化利用，以期获得良好的经济和环境效益。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

采用钠基膨润土预配制钻孔灌注桩泥浆，膨润土含高纯度的皂土和多种天然矿物质，主要成分是蒙脱石，膨胀倍数高达30倍，成分见表1。配比为水膨润土纯碱=100120.22[17]，纯碱主要成分为碳酸钠，以调节泥浆pH和改善泥浆的稠度。然后在预制泥浆中按质量比(土/预制泥浆)为0.6添加淮南本地基坑废弃土配制废弃泥浆。取土深度为2～5 m，素土经烘干、碾碎、过2 mm土筛、密封备用。试验用土最大干密度1.95 g/cm3，液限44.5%，塑限22.5%，塑性指数22，为低液限黏土。试验用电石渣和粉煤灰购自河南省郑州市。电石渣是乙炔气厂的副产物，主要成分为Ca(OH)2，含一定水量的电石渣液呈强碱性。试验用电石渣呈灰白色，密度为1.8 g/cm3，烘干、粉碎后过0.075 mm的标准筛。粉煤灰是电厂燃煤的副产物，含有大量SiO2，具有很高的火山灰活性。试验用粉煤灰比表面积为430 m2/kg，密度为2.42 g/cm3，细度为11.5。脱硫石膏是排烟脱硫的产物，呈浅黄色，密度为2.34 g/cm3，主要成分为CaSO4·2H2O，烘干后过0.075 mm筛。各材料化学成分及含量见表1。

表1 试验材料成分含量表 %

续表1

1.2 试验方案与步骤

为研究电石渣和脱硫石膏的掺量对固化泥浆的力学特性的影响，粉煤灰掺量设定为12%(占废弃泥浆总质量的百分比)，然后分别加入不同掺量的电石渣和脱硫石膏，方案设计如表2。

表2 试验方案设计

先把称量好的配制泥浆和固化剂倒入搅拌机的容器内，手动预拌后接通电源开动搅拌机，转速为30 r/min，搅拌时间为3 min，取出浆料后分3层倒入50 mm×50 mm×50 mm的砂浆抗压模具中，并置于混凝土振动台上不断振捣。浆料顶部抹平后用保鲜膜覆盖，待试块成型后进行脱模，放入养护室中养护，温度设定为(20±3)℃，相对湿度设定为95%，分别养护至7 d、28 d后进行无侧限抗压强度测试。

2 试验结果与分析

2.1 脱硫石膏掺量影响

图1表示粉煤灰掺入比为12%、电石渣掺入比为14%时，不同脱硫石膏掺入比下7 d、28 d龄期无侧限抗压强度的变化。可以看出，固化泥浆的抗压强度随脱硫石膏掺量的增加先增大后减小。当养护龄期为7 d，脱硫石膏掺量为0%、2%、4%、6%、8%、10%时试块的无侧限抗压强度分别为0.14 MPa、0.23 MPa、0.43 MPa、0.41 MPa、0.33 MPa、0.28 MPa。抗压强度在脱硫石膏掺量为4%时达到最大值0.43 MPa，较未掺脱硫石膏增加了207%，较2%掺量增加了87%，但当掺量超过4%时强度开始逐渐下降。养护龄期为28 d时，随着掺量的增加强度分别为0.93 MPa、1.59 MPa、2.03 MPa、2.53 MPa、2.07 MPa、2.04 MPa。当掺入6%脱硫石膏时抗压强度达到最大值2.53 MPa，较未掺脱硫石膏增加了172%，较2%掺量增加了59%，较4%掺量增加了30%。同样当掺量超过6%时强度开始下降。结果表明，外掺脱硫石膏对泥浆强度有明显的改善效果。

2.2 电石渣掺量影响

图2表示粉煤灰掺量为12%、脱硫石膏掺量为4%时，不同电石渣掺量下7 d、28 d龄期的无侧限抗压强度的变化。当养护龄期为7 d，电石渣掺量为6%～18%时，试块的无侧限抗压强度与电石渣掺量近似呈线性增长关系。电石渣掺量为18%时强度达到最大值0.53 MPa，较6%的掺量增加了43%。继续增加电石渣的掺量后强度明显下降。当养护龄期为28 d，电石渣掺量为6%、10%、14%、18%、22%、26%时强度分别为1.33 MPa、1.86 MPa、2.03 MPa、2.30 MPa、2.39 MPa、2.30 MPa。当电石渣掺量由6%增至10%时，强度增加了40%，当电石渣掺量由6%增至18%时，强度增加了73%，继续增加电石渣掺量强度增加很小后开始下降。

图1 无侧限抗压强度与脱硫石膏掺量的关系

图2 无侧限抗压强度与电石渣掺量的关系

图3 不同电石渣掺量应力-应变曲线(7 d)

图4 不同电石渣掺量应力-应变曲线(28 d)

图5 固化泥浆破坏应变与抗压强度的关系(28 d)

3 应力-应变关系分析

图3和图4分别是固化泥浆在7 d、28 d养护龄期时不同电石渣掺量试样的应力-应变曲线，曲线大致分为4个阶段：①压密阶段，固化泥浆土颗粒间孔隙被压密，应变快速增长，应力增加较慢；②弹性变形阶段，应力-应变呈线性关系，弹性模量保持不变；③塑性上升阶段，在强度达到峰值前应变随应力的增加而明显增大，不再保持弹性关系，试块开始出现微小裂缝；④破坏阶段，试块裂缝变大，应变增加，应力不断减小。

随着电石渣掺量的增加峰值应力先增加后减小，应力-应变曲线在弹性变形阶段的斜率大致先增加后减小，即固化泥浆的变形模量随着电石渣掺量的增加也先增大后减小。同时固化泥浆峰值应力所对应的破坏应变大致随峰值应力的增大而减小，说明随着峰值应力的增加，试样的塑性减小、脆性增加。

当养护龄期为7 d时，峰值应力所对应的破坏应变为2.3%～3.75%。其中，电石渣掺量为22%和26%时，即强度低于0.3 MPa时，试块破坏后塑性变形较大，曲线缓慢下降。随着应变的增加，残余强度降低幅度较小。当养护龄期增加至28 d时，峰值应力大幅增加，破坏应变减小至2%～2.8%。应力达到峰值后，应变增加不大时应力迅速减小，表现为脆性破坏。

破坏应变是衡量材料变形特性的重要指标之一。破坏应变大，则材料韧性较好，反之，材料则表现为脆性破坏[18]。脆性破坏造成的危害往往是突发的、严重的。图5为固化泥浆在养护龄期为28 d时抗压强度与破坏应变的关系曲线，其关系为y=3.092x-0.434(y为破坏应变，x为28 d的抗压强度)，表明破坏应变随着抗压强度增大呈减小的趋势。28 d时破坏应变都大于2%，表明固化泥浆具有较好的韧性。

4 固化机制分析

固化泥浆强度少部分来自粉煤灰的黏结吸附和填充作用：粉煤灰颗粒多为不规则的多孔形状，还有些是球形，吸附土颗粒并填充孔隙，二者构成了包裹物与胶结物。同时，电石渣的主要成分为Ca(OH)2，其Ca2+能够置换黏土颗粒双电层中的单价阳离子Na+、K+而进入吸附层，使双电层中反离子价位升高，对颗粒表面离子吸引力加强，从而削弱双电层的厚度，减少土颗粒间的排斥[19]，有利于将致密性不足的土颗粒凝结成团。

粉煤灰作为火山灰质材料，仅靠自身不能提供足够的固化强度，与电石渣间发生火山灰反应是固化泥浆强度提高的主要原因。粉煤灰玻璃体的表面有一层致密的保护层薄膜，水化反应初期只有少量可溶的Al2O3和SiO2与Ca(OH)2进行反应。但是玻璃体的保护层与颗粒之间存在缝隙，含有K+、Na+、SiO32-以及AlO33-等，当液相中OH-浓度不断增高，使Si-O-Si和Si-O-Al发生解聚，破坏Si-O键，使Si和Al分离活化，并与之结合生成各种水化铝硅酸盐和水化硅酸盐[20-21]。具有火山灰性质的粉煤灰发生火山灰二次反应，使得泥浆中的游离氢氧化钙含量极大地降低，生成絮状、网状产物水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和水化铝酸钙(C-A-H)凝胶，起到填充土颗粒中孔隙，包裹土颗粒的作用。这些水化产物相互连结形成稳定的空间网状结构，固化产物会变得更加密实。但当电石渣掺量过多时，游离的氢氧化钙无法使强度继续增长，甚至会造成强度下降[13]。因此，当养护龄期为7 d，电石渣掺量超过18%时固化泥浆强度逐渐下降。随着固化时间的增加，固化体的强度后期逐渐增强，同样当电石渣掺量超过18%时强度几乎不再随电石渣掺量的增加而增加。

脱硫石膏作为火山灰反应的硫酸盐激发剂，使固化泥浆抗压强度大幅增加。由于C-A-H强度较低，在有脱硫石膏存在时，可进一步反应生成高硫型水化硫铝酸钙(简称钙矾石AFt)，其化学反应式为[18]：

3CaO·Al2O3·nH2O+3CaSO4·2H2O + (26-n)H2O → 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(1)

钙矾石为一种针棒状晶体，在形成过程中其固相体积增加120%左右，可以填充土颗粒间孔隙，使固化体空间结构更加密实。但随着脱硫石膏掺量的增加，过多的钙矾石会破坏胶结体，宏观上表现为抗压强度的降低。因此脱硫石膏的最优掺量在养护龄期为7d、28d时分别为4%、6%。

5 结论

通过对不同脱硫石膏和不同电石渣掺入比共同作用下，粉煤灰基材料对建筑泥浆的固化效果和应力-应变曲线分析，得出以下结论：

(1)电石渣-粉煤灰-脱硫石膏复合固化剂可有效增加废弃建筑泥浆的强度，为废弃泥浆和3种工业废料的处理再利用提供一种新思路。当掺入18%电石渣、12%粉煤灰、4%脱硫石膏时，其7 d抗压强度可达到0.53 MPa，满足固化类路面底基层路基填土的要求。

(2)单因素分析表明随着电石渣或脱硫石膏掺量的增加，固化泥浆的强度分别都先增加后减小。脱硫石膏对固化泥浆强度有明显增强效果。

(3)不同电石渣掺量试样的应力-应变曲线，大致分为压密、弹性变形、塑性上升和破坏4个阶段。随着峰值应力的增加，试样的塑性减小、脆性增加。

(4)随着电石渣掺量的增加，固化泥浆的峰值应力先增加后减小；峰值应力对应的破坏应变为2%～3.75%，且大致随峰值应力的增加而降低。28 d时抗压强度与破坏应变的关系近似为y=3.092x-0.434，破坏应变大于2%，表明固化泥浆具有较好的韧性。