养护温度对碱渣-矿渣-电石渣固化淤泥强度性质的影响机制

何 俊,吕晓龙,朱元军

(湖北工业大学土木建筑与环境学院,湖北 武汉 430068)

水环境治理工程和港口建设会产生大量疏浚淤泥,其处理和处置问题给社会经济和环境带来了巨大压力[1-2]。为改善疏浚淤泥的力学性质、提高其工程应用价值,通常采用加入水泥、工业副产品和废料等方式对其进行固化处理。矿渣、钢渣、粉煤灰、废石膏、电石渣和碱渣等固体废弃物用作疏浚淤泥的固化剂,可替代高耗能、高排放和高污染的水泥等传统固化剂,已成为当前淤泥固化处理的研究热点之一[3-6]。

在对固化疏浚淤泥进行工程应用时,通常在室温和标准养护条件下进行淤泥基本物理力学性质的测试。环境温度是影响土体力学性质的因素之一[7],而在实际工程中,固化淤泥所处环境可能与室内试验环境存在较大差异。例如,全球变暖、城市热岛效应和季节气候变化等造成土体所处环境温度与室内试验温度或标准养护温度((20±2)℃)不同;固化剂和淤泥用量大、固化剂水化放热产生的热量在土体中聚集也可能导致土体实际温度高于环境温度[8-9]。因此,养护温度对固化土性质的影响受到许多学者的关注。在传统固化剂方面,Bell[10]通过对石灰固化土性质的研究发现,养护温度对强度有显著影响,当温度高于30℃时强度急剧提高;Al-Mukhtar等[11-12]对20℃和50℃养护温度下石灰改良膨胀土性质的研究发现,养护温度升高加速了火山灰反应,促使改良土强度快速提高;Liu等[13]对石灰掺量、养护龄期和养护温度与固化软土无侧限抗压强度(UCS)的关系进行总结,发现固化土强度随养护温度急剧升高,二者之间满足指数关系。水泥基材料的水化与养护温度密切相关,章荣军等[9,14]对不同养护温度条件下水泥固化淤泥的UCS进行了研究,发现养护温度升高可加快化学反应速度,提高火山灰反应程度,从而提高水泥固化淤泥的早期和长期强度,并提出了考虑温度效应的水泥土配合比设计方法;陈昌富等[15]发现不同养护温度下水泥土的UCS和变形模量的演化规律呈指数函数形式。在新型固化剂方面,Phetchuay等[16]研究粉煤灰和电石渣基地聚物对海相软土强度的影响时发现,养护温度从25℃升高至40℃时地聚合反应增强,固化土UCS显著提升。对煤系偏高岭土地聚合物固化淤泥的研究也得到了类似的结论[17],Sabrin等[18-19]以膨润土+氯化镁+碱激发剂作为新型固化剂对粉质砂土进行固化处理,发现当养护温度低于40℃时达不到理想固化效果,当养护温度为60℃时固化土UCS和变形模量达到最优;Consoli等[20]用稻壳灰和电石渣作为砂土改良剂,发现养护温度可以加速稻壳灰和电石渣之间的火山灰反应,23℃养护28d和40℃养护7d时改良砂土的强度接近;王东星等[8]以活性MgO-矿粉和活性MgO-粉煤灰作为黏土固化剂,研究了20、40、60℃养护温度对固化土UCS的影响,得到考虑高温效应的固化土强度预测方法;He等[21]对碱渣、矿渣和石灰固化生活污泥用作垃圾填埋场覆盖材料时的土工性质进行了研究,探讨了12～60℃养护温度条件下固化污泥的UCS、压缩系数和渗透系数的变化规律,发现40℃时固化污泥强度最大、压缩系数和渗透系数最小。

上述研究表明,石灰和水泥固化土、基于固体废弃物等新型固化剂的固化土的强度发展均有显著的温度效应,而强度研究以UCS为主。He等[2]研究发现,碱渣、矿渣、电石渣可作为疏浚淤泥的新型固化剂,具有良好的固化效果,但养护温度对其性质的影响还不清楚。系统研究养护温度对碱渣-矿渣-电石渣固化淤泥强度性质的影响规律及其机理,对于提高碱渣和矿渣等废弃物的资源化利用率、进行固化淤泥的合理设计并减少传统固化剂的用量及其碳排放具有重要意义。本文以碱渣-矿渣-电石渣固化疏浚淤泥为研究对象,开展不同初始含水率、养护龄期和养护温度条件下固化淤泥的UCS、加州承载比(CBR)和三轴压缩等试验,结合X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等测试,重点研究养护温度(10、20、35、50℃)对固化淤泥UCS、CBR和抗剪强度指标的影响规律和机理,以期为更好地利用碱渣、矿渣等废弃物进行疏浚淤泥固化处理的工程实践提供支撑。

1 试验材料和方法

试验所用疏浚淤泥取自湖北武汉巡司河,其塑限和液限分别为38.7%和55.0%,按照HJ 761—2015《固体废物 有机质的测定 灼烧减量法》测得其烧失量为9.25%,呈灰黑色流塑状态。固化剂由碱渣、矿渣组成,电石渣作为矿渣激发剂。采用XRD测试得到原材料矿物成分见图1。淤泥主要为石英、白云母、伊利石和钙长石等;碱渣以碳酸钙、二水硫酸钙和氯化钠为主;矿渣以硅酸二钙、铝酸三钙和钙铝黄长石为主;电石渣以氢氧化钙为主,含少量碳酸钙。

图1 原材料XRD图谱

试验时,将疏浚淤泥风干、碾碎、过1mm筛,根据设定含水率加水搅拌;将碱渣、矿渣和电石渣60℃烘干并过1mm筛,与淤泥一起置于砂浆搅拌机中搅拌10min至均匀,密封静置12h后制样。开展的试验主要有UCS试验、CBR试验、三轴压缩试验、XRD和SEM测试,试验方案见表1。由于实际应用时疏浚淤泥含水率变化较大,试验选取初始含水率为淤泥液限的0.8、1.2、1.8倍。根据前期试验确定固化剂掺量,选择两种不同配比(配比Ⅰ:碱渣、矿渣、电石渣、干淤泥质量比为20∶10∶4∶100;配比Ⅱ:碱渣、矿渣、电石渣、干淤泥质量比为30∶6∶2.4∶100),其中为更多地消纳碱渣,其掺量相对较大;电石渣设定为矿渣掺量的40%,以起到较好的激发效果[3]。结合工程实际,考虑10～50℃之间4种养护温度。

表1 强度试验方案

具体试验方法如下:

a.UCS试验。采用分层击实法在内径为39.1mm、高为80mm的钢模具中制样。其中,低、中含水率试样采用击实法制样,将混合土分3层击实,击实功与标准轻型击实试验相同;高含水率试样采用振动法制样,将混合土振动至表面无气泡产生。制备完成后,将试样连同模具用保鲜膜包裹,放入不同温度的水浴养护箱内养护1d后脱模,然后再以保鲜膜包裹后继续养护至设定龄期。采自YSH-2型应变控制式无侧限抗压强度仪进行测试,变形速率为1mm/min。需要说明的是,虽有保鲜膜包裹,但在养护过程中仍有部分水透过保鲜膜的边缘进入试样中。

b.CBR试验。采用TDJ-3型多功能电动击实仪进行轻型标准击实法击实,击实锤质量为4.5kg,击实筒内径和筒高分别为152mm和166mm。制备完成后将试样连同击实筒一起放入不同温度的水浴养护箱养护至设定龄期后,参考GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》在承载比测试仪上进行试验。对配比Ⅰ混合土的轻型标准击实试验得到其最大干密度为1.433g/cm3、最优含水率为35.2%,该含水率对应淤泥的初始含水率为47.1%。为与其他强度试验土样一致,选择初始含水率为44%的试样进行CBR试验。

c.三轴压缩试验。采用TSZ系列全自动三轴仪,参考GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》开展固结不排水剪试验。试样制备和养护方法与UCS试验相同。围压选为100、200、300kPa,在不同温度下养护28d后,真空抽气饱和试样后进行三轴压缩试验。

d.微观测试。UCS试验完成后取中部小块试样,经60℃烘干并过75μm筛后,采用日本理学公司的X射线衍射仪(MiniFlex600)进行XRD测试,扫描速度为5°/min,扫描范围5°～75°,用Jade软件分析矿物成分。UCS试验完成后取中部小块试样,冻干并喷金处理后,采用日本日立公司的高分辨场发射扫描电镜(Hitachi SU8010)进行SEM测试,放大倍数为5000和20000倍。

2 试验结果和分析

2.1 UCS

2.1.1初始含水率和养护温度的影响

养护龄期为28d时,两种配比固化淤泥UCS与初始含水率w0和养护温度T的关系见图2。可以看出,随着养护温度的升高,两种配比试样的UCS均有所提升。当温度从10℃升高至35℃时,UCS提升幅度较小;从35℃升高至50℃时,UCS大幅提升,其规律与石灰固化土一致[10]。当初始含水率较低时,UCS受温度的影响更显著。例如,当w0=44%时,配比Ⅰ试样在T=10、20、35、50℃时UCS分别为60.8、86.8、205.4、593.8kPa,养护温度超过35℃后UCS显著提升;当w0=99%时,T从10℃升高至50℃时UCS从21.2kPa增大至122.8kPa。总体来看,配比Ⅱ试样比配比Ⅰ试样强度高,表明增加碱渣掺量有助于提高固化淤泥的强度,尤其是初始含水率较低时配比Ⅱ试样强度优势更明显。但当温度从35℃升高至50℃时配比Ⅰ试样增幅更明显。掺入固化剂使混合土含水率降低等物理作用有助于提高固化淤泥强度。低温时,固化剂与淤泥之间的水化反应速度较慢[9],物理作用的效果将相对明显,而配比Ⅱ试样中较大的固化剂总掺量有助于降低混合土含水率,使低温时配比Ⅱ试样的强度大于配比Ⅰ试样。碱渣和电石渣可激发矿渣活性,高温时水化反应的速度和程度都将得到提高[14],而配比Ⅰ中矿渣掺量较高,因此强度得到大幅提升。当初始含水率从66%减小至44%时,与配比Ⅰ试样相比,配比Ⅱ试样UCS大幅提升。配比Ⅱ试样中碱渣掺量较高、矿渣掺量较低,XRD测试发现含水率为44%时有大量的二水硫酸钙没有参与反应[22],碱渣在固化淤泥中主要起减小含水率、调节粒度组成等物理作用,且44%为最优含水率附近(配比Ⅰ和Ⅱ试样的最优含水率分别为47.1%和44.6%),击实效果更好。因此配比Ⅱ试样在44%时UCS大幅提升。

图2 初始含水率和养护温度对UCS的影响

与石灰固化软土类似[13],固化淤泥强度UCS与养护温度T的关系可以用指数函数描述,拟合曲线如图2所示,可见指数函数拟合效果良好。养护温度为0℃时的UCS随初始含水率的增大而减小;当初始含水率相同时,配比Ⅱ试样的UCS大于配比Ⅰ试样,与前述规律一致。配比Ⅰ试样的UCS随温度变化更明显。

以室温20℃下的UCS为基准,10、35、50℃养护温度下的UCS分别为其0.7～1.0倍、1.2～2.4倍,2.4～6.8倍。

2.1.2养护龄期和养护温度的影响

两种初始含水率和养护温度条件下,配比Ⅰ试样UCS与养护龄期的关系见图3。可以看出,当T=20℃时试样UCS随养护龄期的变化较小,w0=99%试样的UCS均较低(17.7～24.4kPa);当T=50℃时UCS随龄期变化较大,养护龄期从14d至60d时UCS有较大提升,高养护温度下低含水率试样UCS随养护龄期的变化更显著。例如w0=44%试样在养护龄期为14、28、60d时UCS分别为193.7、593.8、1094.4kPa,强度持续提高,超过60d后强度增长缓慢。这表明养护温度的升高有助于水化反应的不断进行,持续提高固化淤泥的强度。

图3 养护龄期对UCS的影响

2.2 CBR

CBR是反映路基材料强度和承载能力的重要指标。初始含水率为44%时固化淤泥CBR试验结果见表2。其中,未浸水试样在室温(20±2)℃下实验室直接养护至设定龄期。由表2可以看出:①在其他条件相同的情况下,CBR随养护龄期的增加而增大,养护温度越高时养护龄期对CBR的影响越大。例如,养护温度为10℃时,养护龄期为7d和28d试样CBR分别为11.3%和14.0%,CBR有所增大;在室温下未浸水试样养护7d和28d时,CBR值分别为12.2%和27.9%;养护温度为50℃时,养护龄期为14d和28d试样CBR值分别为16.6%和38.4%,养护温度升高时CBR随养护龄期的增幅更显著,高温更有利于固化剂与淤泥之间水化反应的进行,使得固化淤泥承载能力显著提高。②养护龄期越长,CBR受温度的影响越大。例如,当养护龄期为14d时,养护温度为20℃和50℃试样CBR值分别为15.7%和16.6%,略有增大;当养护龄期为28d时,养护温度为10℃和50℃试样CBR值分别为14.0%和38.4%,后者为前者的2.74倍。③根据JTG F10—2006《公路路基施工技术规范》,高速公路和一级公路路基填料CBR最小强度要求为8%,初始含水率为44%的配比Ⅰ试样在各养护温度下的CBR值均满足要求。

表2 不同养护龄期和养护温度下试样的CBR

图4为试样UCS与CBR的关系,可以看出,二者有良好的线性正相关性。另外,未浸水试样的CBR值较高,其数据点位于拟合曲线下方,表明水对固化淤泥的性质有较大影响。

2.3 三轴压缩强度

固化淤泥固结不排水三轴压缩试验的代表性应力-应变曲线见图5,可以看出:①3种含水率下,T=20℃时试样为应变硬化型,偏应力随轴向应变的增大而逐渐增大或趋于稳定;T=50℃时,试样为应变软化型,初始含水率越低,峰值应力越大,破坏应变越小。②养护温度从20℃升高至50℃时,峰值应力大幅增加,破坏应变大幅降低,试样从塑性破坏变为脆性破坏,低含水率试样的变幅更大。例如,300kPa围压下,初始含水率为99%、T=20、50℃时试样峰值应力分别为1468.6、2056.5kPa,破坏应变分别为12.3%和8.0%;初始含水率为44%、T=20、50℃时试样峰值应力分别为2515.1、5415.3kPa,破坏应变分别为17.2%和3.2%,变化幅度大于高含水率试样。

图5 5300kPa围压下试样应力-应变曲线

根据无侧限和三轴压缩试验结果得到养护温度为50℃和20℃时抗压强度之比与围压的关系如图6所示,可以看出,随着围压的增加,抗压强度之比有减小的趋势,从无侧限时的5.6～6.8减小至300kPa围压时的1.3～2.2。当含水率一定时,有围压条件下抗压强度之比变化范围不大,例如初始含水率为44%试样在100～300kPa围压下抗压强度之比在2.0～2.7之间;初始含水率为99%试样的抗压强度之比略低于44%和66%试样,在100～300kPa围压下抗压强度之比在1.3～1.5之间。

图6 围压对养护温度为50℃和20℃时抗压强度之比的影响

试样代表性破坏应力圆和强度包络线见图7,抗剪强度指标见图8。其中,UCS对应的破坏应力圆也用于强度包络线和抗剪强度指标的求取,所得强度指标为总应力指标。从图7和图8可以看出:①固化淤泥的强度包络线可以用直线拟合,表明摩尔-库仑强度理论适用于碱渣-矿渣-电石渣固化疏浚淤泥。②随着初始含水率的增加,黏聚力c和内摩擦角φ均减小,其中黏聚力降幅更明显,且养护温度越高降幅越大。例如,当T=20℃时,初始含水率为44%、66%、99%试样黏聚力分别为18.74、9.54、8.08kPa;当T=50℃时对应的黏聚力分别为92.22、79.85、30.68kPa,黏聚力随初始含水率的增大显著减低。T=20、50℃时内摩擦角分别在46.82°～52.72°和51.18°～63.02°之间,变化相对较小。③随着养护温度的升高,黏聚力和内摩擦角均增大,50℃时初始含水率为44%、66%、99%试样的黏聚力分别为20℃时的4.9、8.4、3.8倍,50℃时内摩擦角分别为20℃时的1.2、1.2、1.1倍。④本文固化淤泥的内摩擦角与一些固化土接近,例如水玻璃-石灰-粉煤灰固化硫酸盐渍土的内摩擦角在50°～53.5°范围内[23];但与大多数固化土相比,本文固化淤泥的黏聚力较小、内摩擦角较大[24]。其原因在于本文掺量较大的碱渣在固化淤泥中起到减小含水率和调节粒度组成等作用,并和电石渣一起激发矿渣后,生成水化硅酸钙、钙矾石、水化氯铝酸钙等产物;而水泥固化土中多生成胶结力较强的水化硅酸钙[25],在低围压下也有较高的强度,导致固化土的黏聚力较大、内摩擦角较小。

图7 代表性破坏应力圆和强度包络线

图8 抗剪强度指标与初始含水率的关系

2.4 微观作用机制

2.4.1矿物成分分析

部分试样的XRD图谱见图9,与图1所示原材料XRD图谱对比可以发现,来源于原材料的石英、白云母、伊利石、钙长石和碳酸钙等矿物在固化淤泥中仍存在,而固化剂中二水硫酸钙和氢氧化钙等衍射峰消失,反映出这些矿物发生了反应生成新的矿物。碱渣中CaSO4·2H2O与矿渣中铝酸三钙、电石渣中氢氧化钙等反应可生成钙矾石(Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O)[6],该衍射峰随初始含水率的增加有所增大,尤其是含水率从44%增至66%时增大较明显,其原因在于初始含水率的增加有利于生成更多的钙矾石,起到填充孔隙的作用。初始含水率一定时,50℃试样中石英和白云母/伊利石衍射峰整体上低于20℃试样,而50℃时水化硅酸钙(CSH)衍射峰略高,表明在碱渣和电石渣提供的碱性环境和高养护温度下,疏浚淤泥和碱渣中更多的活性SiO2与氢氧化钙发生水化反应生成CSH,促进了高养护温度条件下固化淤泥强度的大幅提高。20℃时氯化钠衍射峰略高于50℃试样,而50℃时试样中水化氯铝酸钙(Ca4Al2O6Cl2·10H2O)衍射峰略强,表明养护温度的升高有利于水化氯铝酸钙的生成,其来源于碱渣中的氯盐氢氧化钙等发生水化反应[4]。另外,固化淤泥中还检测有水钙沸石(CaAl2Si2O8·4H2O)衍射峰,其来源于活性SiO2和Al2O3与钙的水化反应[24],在固化淤泥中也起到胶结作用。

图9 固化淤泥的XRD图谱

2.4.2SEM分析

代表性试样的SEM照片见图10。对于w0=44%试样,当T=10、20℃时可在孔隙中和颗粒表面观察到大量针棒状钙矾石,填充于孔隙中,此时颗粒较细小,放大5000倍时不易看到颗粒边界;养护温度从10℃增至20℃时针棒状钙矾石数量增多,颗粒之间由水化产物交织联结形成网络结构,有助于强度的提高。当T=35、50℃时,试样中钙矾石形态有所变化,多呈短棒状,且可观察到钙矾石晶体有所减少,其可能原因在于钙矾石的溶解度随温度的升高而加大[26];养护温度升高时颗粒团聚现象逐渐增强,放大5000倍时可以看到一些颗粒的边界,尤其是50℃时试样中出现较大的团粒(粒径约10～20μm),团粒的形成有助于固化土强度的提高[27]。另外,固化淤泥颗粒表面可以观察到絮状不定形CSH等物质。养护温度变化时w0=99%试样也有类似的变化规律,试样中存在较多针棒状钙矾石,但结构较为疏松。

图10 固化淤泥的SEM照片

以上分析表明,养护温度的升高对于碱渣-矿渣-电石渣固化疏浚淤泥水化产物的增加具有明显效果,使固化淤泥中细小颗粒变为团粒,增多的CSH和水化氯铝酸钙能有效联结颗粒、填充孔隙,从而提高固化淤泥的UCS、CBR和抗剪强度指标。在温度较高地区,应用碱渣、矿渣、电石渣固化的疏浚淤泥可表现出良好的强度性质,在实际工程中,可利用其高养护温度下良好的强度性质对设计方案进行优化。

3 结 论

a.碱渣-矿渣-电石渣固化疏浚淤泥的UCS与养护温度之间的关系可用指数函数拟合,当养护温度从10℃升高至35℃时UCS有所提升,从35℃升高至50℃时UCS大幅提升。低含水率固化淤泥试样受温度的影响更大。50℃与20℃固化淤泥的UCS之比为2.4～6.8。养护温度越高,固化淤泥的UCS随养护龄期的增长越明显。

b.7初始含水率为44%时固化淤泥的CBR随养护龄期的增加而增大,养护温度升高时CBR随养护龄期的增幅更显著,各养护温度下试样的CBR值满足高速公路和一级公路路基填料CBR最小强度要求。

c.当养护温度从20℃升高至50℃时,固化淤泥的应力-应变曲线由应变软化型变为应变硬化型,抗剪强度指标增大,50℃与20℃时固化淤泥的黏聚力之比为3.8～8.4,内摩擦角之比为1.1～1.2。

d.固化淤泥中生成钙矾石、水化氯铝酸钙、CSH、水钙沸石等水化产物,在固化淤泥中起到填充孔隙、连接颗粒等作用;随着养护温度的升高,水化氯铝酸钙和CSH等水化产物增多,颗粒团聚现象更显著,从而有效提升固化淤泥的强度。

e.在本文试验条件下,高温养护对碱渣-矿渣固化疏浚淤泥的强度提升具有良好效果。实际工程应用时可选择在高温气候条件下进行施工养护、采取保温措施,提高疏浚淤泥固化效果和节约固化成本。