工业废渣协同水泥固化淤泥压缩特性

仲维华

(中国铁建港航局集团有限公司总承包分公司,广东 珠海 519000)

0 引 言

大宗工业废渣具有体量大、面积广、环境影响突出和利用前景广阔等特点,是我国深入实施可持续发展战略的主要内容和资源化整合利用的核心领域[1]。利用工业废渣协同水泥处理淤泥是一种经济、环保的解决途径[2-3],不仅能解决水泥能耗高、污染大和工业废渣资源化利用等问题,同时也推动淤泥和工业废渣有效利用,对工程建设和社会发展具有重要意义。

工业废渣种类繁多且组分复杂,协同水泥固化土时的作用机制和效果也有所差异。常见工业废渣如高炉矿渣、粉煤灰等具有丰富铝硅酸盐的潜在胶凝材料,电石渣、磷石膏等具有主要碱性或酸性的材料,协同水泥固化时能够促进水化硅酸钙(C-S-H)凝胶或钙矾石(AFt)产生,从而起到改善土体微观结构、促进强度发展的作用[4-6]。Zhang等[7]利用高炉矿渣联合水泥固化疏浚淤泥,得到高炉矿渣促进水化凝胶生成,进而有利于固化土强度发展的结论。Horpibulsuk等[8]通过研究粉煤灰联合水泥固化土强度及微观结构后发现,掺入粉煤灰后水泥土的强度和延性得到极大增强。丁建文等[9]认为水泥-磷石膏双掺法固化处理高含水率疏浚淤泥时磷石膏最佳掺量随淤泥初始含水率增大而增大。王子帅等[10]对比工业废渣协同水泥固化土抗硫酸盐性能后发现工业废渣掺入能够有效提升固化土抗硫酸盐侵蚀性能,且提升效果与工业废渣组分有关。

压缩性能是反映土体在外力作用下体积变化的重要指标。对于固化淤泥而言,许多学者就初始含水率、固化剂掺量和养护龄期对压缩性能影响进行了深入研究。Jiang等[11]探讨了水泥用量和养护龄期对水泥固化黏土压缩性能影响,发现水泥处理后黏土压缩指数大于未处理黏土压缩指数。Wang等[12]研究了石灰固化淤泥的一维固结特性,对压缩指数、膨胀指数等关系进行了详细论述。Suganya等[13]评估了初始含水率和水灰比等参数对固化土压缩性能影响,发现屈服应力前胶结作用和屈服后织物效应控制压缩性能。孙海超等[14]研究低掺量水泥固化土时发现,随固结压力增大固化土孔隙排列逐渐有序,屈服应力随水泥掺量增加而增大。丁建文等[15]研究固化淤泥的压缩变形和屈服应力特性,认为固化淤泥压缩曲线存在明显结构屈服点,并得出了屈服应力和抗压强度的定量关系。综合来看,现有研究对工业废渣协同水泥固化淤泥的压缩性能研究明显较少,且预测模型建立存在明显不足。

本文选用高炉矿渣、粉煤灰和电石渣等工业废渣协同水泥固化淤泥,采用一维固结试验探究固化土的压缩性能,通过扫描电镜测试手段,结合工业废渣协同水泥反应机理,分析工业废渣掺量和养护龄期等因素对固化淤泥的压缩性能的影响,探究屈服应力、屈服前后压缩指数等参数的变化规律,揭示工业废渣协同水泥固化淤泥压缩特性的内在机制。同时,基于有界函数建立固化淤泥压缩量预测模型,为工程建设和后续研究提供参考。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用淤泥土取自广东省珠海市洪湾港北片区填筑及市政基础设施工程项目,基本物理性质如表1所示,颗粒级配曲线如图1所示。试验结果表明,该淤泥土初始含水率56.9%,液限53.6%,塑限28.3%,塑性指数25.3。

图1 淤泥粒径分布Fig.1 Particle size distribution of sludge

试验所用工业废渣分别为高炉矿渣、粉煤灰和电石渣,均为市售材料,主要成分如表2所示(LOI为烧失量)。水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥。根据之前研究[10],水泥质量分数选择为6%,工业废渣掺量为2%、4%、6%和8%。

表2 工业废渣和水泥组分Table 2 Components of industrial by-products and cement

1.2 试验方案

制备试样前,将淤泥自然烘干、研磨过2 mm筛,随后将其与固定掺量的水泥和工业废渣搅拌均匀后加水至土体最优含水率,再次搅拌后以“击样法”在最大干密度条件下制备,脱模后以保鲜膜包裹密封,称重后立即放入恒温恒湿箱内养护至设计龄期。养护温度为20±1 ℃,湿度为98%±1%。每组试样制备2个平行样。具体配合比方案如表3所示。

表3 试验方案Table 3 Test plans

研究将采用《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[16]中的快速固结试验方法,即每级荷载作用时间为1 h,试验采用YS系列高压固结仪,加载等级分别为12.5、25、50、100、200、400、800、1 600、3 200、4 000 kPa共10个荷载水平。固结测试后选取试样中心块体进行冻干,并手工获取新鲜断面后喷金进行扫描电镜测试,扫描电镜仪器为Zeiss SIGMA的场发射扫描电子显微镜(FESEM),用以研究固化淤泥土微观相貌。

2 结果及分析

2.1 工业废渣协同水泥固化土压缩曲线

初始孔隙比e0是衡量土体初始状态结构特征的重要指标,对各固化土试样的初始孔隙比进行计算。由于各材料间相对密度不同,故混合物相对密度Gm计算时应考虑掺量和种类影响,如式(1)所示[17],即

(1)

式中:GS为淤泥土相对密度;GC为水泥相对密度;GI为工业废渣相对密度;RC为水泥掺量;RI为工业废渣掺量。

养护过程中由于水泥水化反应等引起试样的密度ρ和含水率ω发生变化,试验前对其再次测定并进行相应修正。根据土的三相比例指标换算公式,试样的干密度ρd计算公式和初始孔隙比e0的关系式如下:

(2)

(3)

由此计算出的试样初始孔隙比e0如表4所示,工业废渣协同水泥固化土的初始孔隙比随养护龄期的增加没有明显变化规律,这是由于养护过程中水泥的水化和工业废渣的火山灰效应等作用引起试样内部结合水和自由水含量变化,导致试样初始孔隙比发生改变,在相同工业废渣种类下试样内的化学反应基本相同。值得注意的是,固化土试样初始孔隙比随工业废渣掺量的增加表现出逐渐减小的趋势,其原因在于工业废渣的掺入引起了试样含水率、干密度和相对密度等的改变。

表4 固化土试样初始孔隙比e0Table 4 Initial void ratio e0 of solidified soil

图2为不同工业废渣掺量协同水泥固化土的e-lgp(e为孔隙比,p为固结压力)曲线。图2中试样编号第1部分C代表水泥,数字代表掺量;第2部分G代表高炉矿渣,F代表粉煤灰,D代表电石渣,后面数字代表掺量;第3部分代表养护龄期。由图2可知,工业废渣协同水泥固化土压缩性能受掺量和龄期影响较大。随着养护龄期增加,试样养护曲线陡峭程度随之降低,表明早期试样内部水化产物较少,存在较多孔隙结构,承受荷载时的压缩压缩量随之增加;当养护至28 d时,水泥与工业废渣协同反应产生的C-S-H凝胶能够填充孔隙并提供较强的胶结力,改善孔隙结构和受力方式,增强试样压缩性能,表现在相同荷载下试样孔隙比变化减慢。当工业废渣掺量增加时,试样初始孔隙比降低,压缩曲线性状演变规律基本一致。这是由于工业废渣掺入不会引起试样内部化学反应和生成产物发生变化,固化土性能保持稳定。反之,对比C6-C2-28d、C6-F2-28d和C6-G2-28d试样发现,在相同竖向荷载下试样的孔隙比演变规律存在明显区别,这表明不同种类工业废渣的掺入引起了试样中孔隙结构的差异性变化。

图2 固化土压缩曲线Fig.2 Compression curves of solidified soil

2.2 掺量和养护龄期对压缩系数和屈服应力影响

在固化土压缩过程中,产生一定的屈服现象,即应力小幅增加,应变急速增长。为描述这种现象,采用Butterfield[18]提出的双对数法(ln(1+e)-lgp)确定固化土的屈服应力,如图3所示。由图3可知,工业废渣掺量增加时,压缩曲线随初始孔隙比降低而逐渐下降;试样屈服前后的斜率出现明显变化:屈服前压缩曲线斜率较为平缓,而屈服后的压缩曲线斜率急速增加,表明固化土试样中化学胶结形成的受力结构遭到破坏。因此本研究将固化土压缩性能分为2个部分:当竖向荷载低于屈服应力时,固化土试样体系中的水化作用及火山灰效应产生的C-S-H凝胶胶结土颗粒起骨架作用,承担荷载后孔隙比变化呈线性减小;当竖向荷载超过屈服应力时,凝胶提供的胶结作用遭到破坏,土颗粒迅速承受固结压力,导致固化土孔隙比快速减小,压缩曲线陡降。

图3 固化土屈服应力曲线Fig.3 Yield stress curves of solidified soil

由上述分析可以得知,工业废渣种类、掺量和养护时间对固化土试样屈服应力产生重要影响。图4所示为各因素影响下固化土试样的屈服应力变化曲线。由图4可以看出,各固化土试样28 d屈服应力均>7 d屈服应力,表明养护龄期增加有利于试样体系中化学反应进行,生成产物发挥土颗粒间胶结作用明显,促进土体屈服应力增加;同时,相同龄期下工业废渣掺量增加提高了试样屈服应力。如电石渣掺量增加,试样28 d屈服应力从2%掺量时的893.9 kPa逐渐增加至8%时1 226.6 kPa,增长率为37.2%;而在粉煤灰和矿渣协同水泥固化土试样中,屈服应力表现出先增加后减小的趋势,说明固化土屈服应力变化受工业废渣种类影响。这是由于粉煤灰和矿渣是具有潜在水硬性和火山灰性的材料,在碱性环境下颗粒溶解发生地聚合反应生成具有胶结性质的C-S-H凝胶,因此粉煤灰和矿渣协同水泥固化土性能受水化产物Ca(OH)2含量影响[10]。当固化土体系中碱度不足时,粉煤灰和矿渣未反应颗粒增多,削弱了土颗粒间胶结力,造成屈服应力下降。反之,电石渣主要成分为Ca(OH)2,随掺量增加提高固化土体系中碱度,有利于黏土矿物火山灰效应进行,促进固化土屈服应力增长。

图4 不同掺量和龄期下屈服应力变化曲线Fig.4 Curves of yield stress at different content and age of industrial by-products

2.3 压缩系数和压缩量

采用100～200 kPa压力范围内的压缩系数a1-2表征土体压缩性能如图5所示。总体而言,所有固化土试样压缩系数均<0.1 MPa-1,属于低压缩性土,表明工业废渣协同水泥固化土具有优异的压缩性能;养护龄期对压缩系数曲线趋势影响较小,除部分电石渣协同水泥固化土外,28 d试样压缩系数均<7 d压缩系数,说明随养护龄期增加,固化土压缩性能逐渐增强;高炉矿渣和粉煤灰协同固化土压缩系数随着掺量增加表现出先降低后升高的规律,而电石渣协同水泥固化土压缩系数呈现先增加后减小的趋势,证明不同工业废渣种类能够引起土体压缩性能的变化,这也与屈服应力得到的结论一致。对比3种工业废渣的压缩系数可以发现,在协同水泥固化土压缩性能提升方面排序为高炉矿渣>粉煤灰>电石渣。

图5 不同掺量和龄期下压缩系数曲线Fig.5 Curves of compression coefficient at different content and age of industrial by-products

图6为工业废渣协同水泥固化土的压缩量-压力曲线,其变化特征基本一致,呈“S”型趋势。由图6(a)可知,在相同竖向荷载下,工业废渣掺量变化对压缩量具有重要影响,随掺量增加表现出先减小后增加的规律,这种趋势与屈服应力和压缩系数一致,均由工业废渣的加入促进固化土体系中化学反应进程引起。图6(b)中详细展示了工业废渣种类和养护龄期对固化土压缩量的影响,经分析可知:随着龄期的增加,固化土试样的压缩量随之减少,即养护时间增加促进了固化土体系中凝胶产生,颗粒间胶结作用明显提升,荷载作用下压缩量降低。以C6-C2、C6-G2和C6-F2试样为例,7 d压缩量分别为0.80、1.05、0.75 mm,而28 d压缩量依次为0.63、0.92、0.55 mm,分别降低了21.2%、12.3%、26.6%,这表明工业废渣种类同样引起了固化土压缩量减小比例的程度差异。

图6 压缩量随粉煤灰掺量和养护龄期的变化Fig.6 Variation curves of compression amount with content of fly ash and curing age

2.4 微观特征

图7是工业废渣协同水泥固化淤泥的扫描电镜图。从图7中可以看出,水泥固化土体系中的主要产物为蜂窝状C-S-H凝胶[10],起胶结土颗粒、受力骨架的作用。在加入工业废渣后,固化土体系出现明显的微观形貌差异。

图7 固化土扫描电镜图像Fig.7 SEM images of solidified soil

电石渣掺入后提高了体系中碱度,促进C-S-H凝胶生成,同时未反应电石渣主要成分Ca(OH)2呈板状结构分散土体内部[19],起到改善土颗粒粒径分布作用,体系中孔隙数量明显减少,提升了固化土的压缩性能,且提升效果随掺量增大更加优异;粉煤灰协同水泥固化土同样促进了C-S-H凝胶的生成,较纯水泥土而言改善土体微观结构,对压缩性能提升起到了促进作用,但体系中碱度较低,部分粉煤灰微珠未能参与碱激发反应而分散在土颗粒间,其圆滑球形结构减弱了颗粒间胶结力,过多粉煤灰掺量不利于固化土压缩性能发展;由于矿渣属于高活性潜在胶凝材料,在矿渣协同水泥固化土中可以看出更多的C-S-H凝胶生成,对固化土的孔隙结构改善效果明显,因此也获得了优异的压缩性能,但同时受体系中碱度限制,压缩性能随矿渣掺量增加而发生变化。由此看出,工业废渣协同水泥固化土压缩性能改善原因主要来源于凝胶胶结和颗粒填充作用,且受工业废渣组分和掺量影响。

3 压缩量预测模型建立

土体沉降预测是工程设计和建设中的关键部分。对固化土而言,应力-应变关系和边界条件等易受固化材料、掺量与养护龄期影响,复杂的固结理论很难适用,利用沉降数据进行分析处理,得到其经验拟合函数的方法更具有便宜性和实用性。

通过图8发现曲线在压力范围内压缩量呈递增趋势,而斜率逐渐变小,表明随竖向荷载增大,固化土逐渐固结沉降,压缩量逐渐降低。根据土颗粒不能被压缩理论可知,荷载无限大时孔隙比无限减小,压缩量应当趋于稳定有上限,因此利用有界函数建立压缩量y和压力x关系式为

(4)

图8 压缩量拟合曲线Fig.8 Fitting curves of compression amount of solidified soil

为了约束y值上限,引入经验常数a和b,确定预测公式为

(5)

由图8可以看出,拟合曲线与实际值吻合度较高,同时式(6)—式(9)表明该经验公式拟合结果的决定系数R2均>0.99,说明拟合效果优异。

(6)

(7)

(8)

(9)

从表5中可以看出,a、b的值整体上均随龄期增加而增大(少数a值减小),说明养护龄期影响固化土压缩量差异,这也与之前论证一致。同时,随着掺量增加,a、b值的变化规律与工业废渣种类有关,如粉煤灰中随掺量增加,a、b值基本逐渐减小,而矿渣中表现先减小后增加的趋势,究其原因是工业废渣引起固化土体系中化学反应变化,导致胶结产物改善孔隙结构能力存在差异。

表5 工业废渣协同水泥固化土拟合系数Table 5 Fitting coefficient of soil solidified by the combination of cement with industrial by-products

4 结 论

(1)工业废渣加入明显提升了水泥固化土的压缩性能。随工业废渣掺量和养护龄期增加,固化土孔隙比和压缩量逐渐减小,固结屈服应力逐渐增大,在协同水泥固化土压缩性能提升方面排序为高炉矿渣>粉煤灰>电石渣。

(2)工业废渣种类影响掺量对固化土压缩性能提升规律。随掺量增加,电石渣协同水泥固化土压缩性能逐渐增大,粉煤灰和高炉矿渣协同水泥固化土表现出先增加后较小的规律。

(3)扫描电镜试验表明工业废渣协同水泥固化土压缩性能提升归因于胶结和填充作用。工业废渣掺入促进固化土中凝胶物质增多,孔隙结构得到显著改善,但过多掺量工业废渣不利于固化土压缩性能发展。

(4)基于有界函数建立了压缩量预测模型,预测结果R2均>0.99,具有良好的效果。拟合系数a、b与工业废渣种类有关,随养护龄期和掺量增加基本呈减小趋势(少数a值除外)。