矿粉-粉煤灰-偏高岭土复合基低碳地聚合物疏浚淤泥固化材料力学特性试验研究

赵俊先，李军伟，夏旭江，邹永琦，江朝华*

（1.河海大学疏浚技术教育部工程研究中心，江苏 南京 210098；2.杭州宏睿建设有限公司，浙江 杭州 311231）

0 引言

我国疏浚土产量巨大，年产疏浚土4 亿~10亿m3。传统疏浚土外抛倾倒处理方式带来的回淤问题，导致抛洒距离逐渐增加，造成疏浚成本的不断提高，并且由于疏浚土外抛倾倒于海洋严重危害了海洋生物生存环境，影响了海洋资源的有效利用开发，目前该处置方式已受到限制，亟待解决港池开挖、航道整治过程中产生的大量疏浚土经济有效地处置与资源化利用问题。将疏浚土通过固化处理转化为土工材料，不仅可以解决废弃疏浚土对环境的危害问题，还可将处理后的固化土用于道路、堤防、填海工程的填土材料，产生新的土工再生资源，对推动绿色水运、促进生态保护将起到积极作用。

将疏浚淤泥固化处理为土工材料，主要采用传统水泥作为固化剂，汤怡新等[1]认为水泥固化土的抗压强度主要取决于水泥用量，其次是原料土的含水量。黄新等[2]发现当固化土中水泥含量较少时，固化土抗压强度与水泥含量呈线性相关；进一步增加的水泥，水化后的生成物将填充固化土孔隙，此时固化土抗压强度与固化土孔隙水泥水化物填充程度呈正指数相关。

但是传统的水泥固化剂通常存在固化土强度偏低、抗硫酸盐侵蚀差等问题，同时传统水泥制造占全球碳排放的7%左右，为高能耗、高排放产品，与现有生态理念不符。新型地聚合物胶凝材料是硅铝质工业废渣在强碱激发下制得，原材料来源广泛，如粉煤灰、矿粉、煤矸石火山灰及以煤为燃料的各种炉渣等，其制作过程不需高温烧结和煅烧，生产过程中能耗少，是一种环境友好的绿色材料，同时地聚合物还具有早强、高强、抗侵蚀性优等特性。

目前国内外对于地聚合物处理软土地基方面的研究较少，地聚合物处置废弃疏浚淤泥的研究更少。祁冠豫等[3]以矿渣为原料，以碱渣和石灰为复合碱激发剂来固化土，研究表明矿渣基地聚合物固化土的强度明显高于水泥固化土的强度。易耀林等[4]利用NaOH，Na2CO3，Na2SO4三种材料激发矿粉+电石渣固化土，发现Na2SO4效果最好，Na2CO3最差，并与传统水泥固化对比后发现，不仅提高了软土固化效果还降低了工程造价。此外，粉煤灰由于活性较低，很少单独用作地聚合物固化材料，学者们通常会把粉煤灰和矿粉等胶凝材料复合从而起到固化作用。周栋梁等[5]对大掺量矿渣-粉煤灰复合水泥活性激发试验研究，研究结果表明添加复合激发剂对工业废渣进行活化激发能显著地提高矿渣-粉煤灰水泥强度。孙秀丽等[6]将水玻璃作为碱激发剂，使用矿粉和粉煤灰固化淤泥，结果表明：水玻璃掺量7%、模数1.0~1.5 时对粉煤灰和矿粉的激发效果最优，当水玻璃模数相同时，矿粉掺量越大强度越高。

本文以硅酸钠作为碱激发剂，矿粉、粉煤灰、偏高岭土为复合胶凝材料制备低碳地聚合物固化疏浚淤泥，研究矿粉、粉煤灰、偏高岭土适宜掺量对废弃疏浚淤泥固化强度的影响，分析地聚合物固化土的压缩特性，并和普通水泥固化剂对比，计算了地聚合物固化成本与碳排放量。研究结果可为废弃疏浚淤泥的大规模绿色固化提供参考，缓解传统水泥相关环境问题的同时，实现“以废治废”、“双废利用”，使资源能够得到有效利用。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验疏浚淤泥pH 值为7.67。将从现场取来的淤泥用烘箱80 ℃烘烤24 h，并将其粉碎，用1 mm 筛筛选，疏浚淤泥颗粒级配见图1。

图1 疏浚淤泥粒径分布Fig.1 Particle size distribution of dredged silt

由图1 可知，疏浚淤泥颗粒主要集中于2~50 μm（0.002~0.05 mm）之间，此区间的颗粒达92%左右。疏浚淤泥的粒径分布范围窄，小于0.02 mm 颗粒含量为80%左右，0.02~0.05 mm 的塑性颗粒含量为20%左右，0.05~1.2 mm 的填充颗粒没有，1.2~2 mm 的粗颗粒没有，经计算Cu=4.27，其不均匀系数小、级配不良。试验用水泥为普通硅酸盐PO42.5。矿粉选取等级为S95，产地为石家庄灵寿县，主要成分为SiO2与CaO、二者占比达82%，矿粉pH 值6.33；疏浚淤泥、矿粉、粉煤灰、偏高岭土、水泥主要化学成分见表1；试验所用碱激发剂为水玻璃，采用硅酸钠SP50 和氢氧化钠来配置模数为1 的水玻璃，购买的液体硅酸钠模数为2.25，SiO2含量为29.99%，Na2O 含量为13.75%，氢氧化钠来自上海久亿化学试剂有限公司，为固体片状，纯度为99.8%。

表1 试验材料化学成分含量Table 1 Chemical composition content of test material

疏浚淤泥矿物相对百分含量见表2。从表2中看到，疏浚淤泥中主要矿物为石英、长石、水云母、绿泥石、蛭石及蒙脱石等，其中石英、长石类原生矿物的特征峰最为明显。土壤的活性主要来自疏浚矿物的活性，非疏浚矿物结构比较稳定，一般很难与其他物质发生化学反应。疏浚淤泥中小于2 μm 颗粒中的活性矿物高岭石、蒙脱石及绿泥石的含量分别为17%、4%和26%，占小于2 μm 颗粒的47%，占总质量的12.7%，小于2 μm 颗粒中活性矿物和非活性矿物比例相当，小于2 μm 疏浚淤泥活性较好。

表2 疏浚淤泥矿物相对百分含量Table 2 Relative percentage content of minerals in dredged silt

1.2 试验方法

用氢氧化钠把购买的硅酸钠调节成模数为1的硅酸钠备用[7]。本试验固定胶凝材料掺量为10%，疏浚淤泥含水率40%，硅酸钠掺量为胶凝材料的20%，改变偏高岭土、粉煤灰、矿粉的掺量，具体方案见表3。

表3 偏高岭土、粉煤灰、矿粉掺量组Table 3 Dosage of metakaolin,fly ash,and mineral powder

将配好的硅酸钠与不同编号的胶凝材料搅拌混合，再加入含水率为40%的疏浚淤泥，把它们放在水泥砂浆搅拌机中搅拌2 min，把粘结在搅拌机叶片上的掺料铲除干净，随后继续搅拌使混合物均匀。把搅拌土填充到PVC 模具的1/3 高度，PVC 模具为圆筒状，直径为50 mm、高为100 mm。把PVC 模具放到振动台振动30 s，并且在振动过程中加入混合料，装满模具后再次振动2 min，将模具取下用保鲜膜覆盖，放入养护箱进行标准养护。

1.3 检测方法

依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[8]，利用万能试验机进行无侧限抗压强度试验。以1 mm/min 压缩速度对试样加压，在加压的过程中当试样出现明显破裂面时，记下此时的峰值轴向应力，将其作为无侧限抗压强度，若试样没有出现明显破裂面，说明发生塑性破坏，此时取轴向应变15%处的应力作为无侧限抗压强度。得到的数据需要进行处理，用加载压力值除以横截面积作为应力值，用压缩量除以试样初始长度的结果作为应变值，用处理后的数据绘制固化土应力-应变曲线。无侧限抗压强度检测见图2。

图2 试验浇筑与无侧限抗压强度检测Fig.2 Test pouring and unconfined compressive strength detection

2 结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

地聚合物固化疏浚淤泥7 d、14 d、28 d 无侧限抗压强度与矿粉、粉煤灰、偏高岭土掺量关系见图3。从图3 可以看出，3.5%矿粉+3.5%粉煤灰+3%偏高岭土这一组的效果最好，7 d、14 d 和28 d 无侧限抗压强度比水泥固化分别提高244.1%，140.6%和126.4%。

从图3 中可以看出，仅掺加10%粉煤灰试样强度很低，不到掺10%水泥试样的10%，在使用矿粉和偏高岭土部分替代粉煤灰后，地聚合物固化疏浚淤泥的强度均有了提升。其中提升效果较明显的是3%粉煤灰+7%偏高岭土，7%粉煤灰+3%偏高岭土和3.5%矿粉+3.5%粉煤灰+3%偏高岭土这3 组试样，较之单掺粉煤灰7 d 强度分别提高3 078%，3 223%，3 832%。加入偏高岭土能提高固化土的抗压强度，主要是因为偏高岭土具有很高的火山灰活性，所含的活性Al2O3·SiO2能够和Ca（OH）2反应，生成C-S-H 凝胶，改善了混凝土的孔隙结构，提高了混凝土的强度。这一结果与Yang 等[9]的研究结果相符，粉煤灰与偏高岭土混合不仅促进了凝胶致密化过程，而且改善了地聚合物的孔隙结构，从而提高了试样的抗压强度。矿粉的加入进一步提高了固化土的无侧限抗压强度，相比于3%粉煤灰+7%偏高岭土，7%粉煤灰+3%偏高岭土这2 组，3.5%矿粉+3.5%粉煤灰+3%偏高岭土这组的抗压强度在各个龄期均有15%~25%的提升。矿粉加入后，地聚合物从Na-Si-Al-H四元体系变为Ca-Na-Si-Al-H 五元体系，早期产物中出现的水化硅（铝）酸钙（C-（A）-S-H）凝胶具有较高的强度。而钙元素的加入也能促进地质聚合反应，因此地聚合物的凝结时间显著缩短。Wang 等[10]使用矿粉代替部分偏高岭土，并测定了各种地聚合物胶凝材料的抗压和抗弯强度。结果表明，矿粉的加入显著影响了地聚合物的力学性能、微观结构和反应热。当矿粉替代部分偏高岭土时，相比较纯偏高岭土体系，28 d 抗压强度和抗弯强度提高了24.1%和40%。

2.2 应力应变曲线

固化淤泥的应力应变曲线见图4。由图4 可知，7%矿粉+3%粉煤灰，3.5%矿粉+3.5%粉煤灰+3%偏高岭土，3.5%矿粉+3%粉煤灰+3.5%偏高岭土这3 组试样有明显的破坏应力峰，且破坏应变分布在2%~4%之间，说明矿粉和偏高岭土的加入改善了固化土的力学性能。当矿粉和偏高岭土一起加入时效果更加明显，主要是因为矿粉和偏高岭土加入后提高了地聚合物的密实性，反应产物结果致密程度提高，在被激发剂激发后，发生聚合反应生成大量凝胶体并固化，提高了土骨架的承载力，土体破坏形式由塑性破坏（无应力峰）转化为弹性破坏（明显应力峰）；而水泥组没有明显应力峰，为塑性破坏。可能原因是水泥固化土中水泥掺量不足，没有足够的水化反应产物以形成土骨架支撑结构。

图4 应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curve

2.3 固化疏浚淤泥弹性模量

固化淤泥的刚度特性也是衡量固化疏浚淤泥效果的重要参数，通常以割线弹性模量E50来体现，即无侧限抗压强度试验得到的应力-应变曲线上qu/2 处对应的切线模量。疏浚淤泥固化14 d 时的弹性模量见图5。

图5 疏浚淤泥固化14 d 弹性模量Fig.5 Elastic modulus of dredged silt solidified for 14 days

由图5 可知偏高岭土和矿粉对粉煤灰进行部分替代后均能提高固化土的弹性模量。火山灰反应或水化反应生成硅酸钙和铝酸钙凝胶体等产物，黏结土颗粒而形成网络状骨架结构，导致淤泥固化土的整体结构性增强。在两者同时加入时掺量的不同会对固化土的弹性模量有较大的影响。3.5%矿粉+3.5%粉煤灰+3%偏高岭土掺量的固化土弹性模量提升最为明显。

2.4 固化土的弹性模量E50 与抗压强度关系

弹性模量E50是反映变形特性的重要指标。

式中：σ1/2是压缩应变为破坏应变εf的一半时对应的应力。固化淤泥弹性模量与抗压强度的关系见图6。

图6 固化土弹性模量与抗压强度的关系Fig.6 Relationship between elastic modulus and compressive strength of solidified soil

由图6 可以看出地聚合物固化淤泥的弹性模量E50与无侧限抗压强度有着线性的关系，E50随着无侧限抗压强度近似线性增大，拟合直线的表达式为E50=71.8qu，汤怡新等[1]的研究中水泥固化土的弹性模量E50与无侧限抗压强度qu也呈现线性关系，这与本文的结果相符。

2.5 经济分析与碳排放计量分析

各组地聚合物胶凝材料固化1 m3疏浚淤泥的成本与碳排放量见表4。从表中可以看出单独使用水泥或者粉煤灰固化淤泥虽然便宜，但固化淤泥的强度和其他组别相比低很多。各组胶凝材料固化淤泥的成本相差并不是很大，有的组别成本还低于水泥成本。粉煤灰、偏高岭土等材料可以当地获取，水泥需承担运输成本，使用矿粉、粉煤灰、偏高岭土复合基固化能在保证固化土强度的同时，还有较好的经济性。部分地聚合物固化价格提高的原因是加入的氢氧化钠与硅酸钠价格偏高，但是在复合以后可以扩大胶凝材料的使用种类，本次试验利用了之前不常用到的粉煤灰固化疏浚淤泥，有效提高工业固废体的使用量。此次试验使用的工业级硅酸钠价格偏贵，从降低成本方面考虑，可以使用磷石膏、草木灰等工业废渣来代替水玻璃作碱激发剂。

表4 各组胶凝材料固化1 m3 疏浚淤泥的成本与碳排放量Table 4 Cost and carbon emissions of each group of cementitious materials to solidify 1 m3 of dredged silt

碳排放计算一般考虑2 种情况：建材在生产阶段所产生的碳排放和建材在运输阶段所产生的碳排放。地聚合物固化淤泥的碳排放量主要来自疏浚淤泥的运输，而使用水泥固化疏浚淤泥的碳排放量很大一部分来自水泥的生产。从表中可以看出地聚合物固化淤泥每立方米的碳排放量是水泥固化的15%，使用地聚合物固化淤泥有效提高工业固废体的使用量，同时处置并有效利用废弃疏浚淤泥。避免废弃疏浚物的外抛和堆置，减少土地占用，降低成本，节约土资源，减缓航道整治工程对环境的影响，具有良好的经济、社会和环境效益。

3 结语

1） 相比于传统水泥固化，使用矿粉-粉煤灰-偏高岭土复合基地聚合物固化淤泥能得到抗压强度更高，韧性更好的固化土。7 d 无侧限抗压强度相比同掺量10%水泥提高244%，土体的破坏形式由塑性破坏转变为弹性破坏。

2） 矿粉、偏高岭土的加入能弥补粉煤灰活性不足的缺陷。3.5%矿粉+3.5%粉煤灰+3%偏高岭土掺量的固化土在抗压强度和弹性模量方面的表现均优于双掺固化淤泥，抗压强度相比双掺固化淤泥提高15%~27%，弹性模量相比双掺固化淤泥最高提高9 倍，淤泥固化土的整体结构性得到增强。

3） 水泥固化与地聚合物固化的成本相差不多，使用矿粉、粉煤灰、偏高岭土复合基固化能在保证固化土强度的同时，还有较好的经济性，复合以后可以扩大胶凝材料的使用种类，后续还可以使用磷石膏、草木灰等工业废渣做碱激发剂进一步降低成本。同时地聚合物作为环保材料，固化淤泥每立方米的碳排放量是水泥固化的15%，缓解了传统固化对环境的影响，研究可为疏浚废弃物的资源化利用提供有效途径。