碱激发矿渣加固淤泥的物理力学性能与机理

陈林, 李彬,*, 陈胜邦, 徐仰龙, 陶送林, 熊海蓉

(1.青海省有色第一地质勘查院, 西宁 810007; 2.青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室, 西宁 810000; 3.青海省有色第三地质勘查院, 西宁 810000; 4.青海中煤地质工程有限责任公司, 西宁 810000)

城市发展过程中大量堆存的工程渣土造成了较大的土地浪费与环境污染,合理处置淤泥质工程渣土并进行工程再利用是解决固废围城问题的关键[1]。

淤泥质渣土在工程利用中,存在压实难、水稳差、承载力弱等不利工程问题,目前已有多种技术来改善淤泥质工程渣土的力学性能,包括压实和置换(机械方法)和固化(化学方法)[2]。化学固化剂包括但不限于水泥[3-4]、聚合物[5-6]。处理方法通常包括将土体与固化剂混合或用含有活性颗粒(如水泥、树脂或石灰)的溶液对土体进行注浆。实际应用中,一般选用化学固化方式作为地基、路基等回填材料资源化就地利用[2]。杨和平等[11]采用生石灰固化浏醴高速公路路床高液限土,承载比大幅提升;莫秋旭等[12]针对液限47.2%、塑限20.6%的红色高液限土采用水泥改良,掺入水泥比例为7%时,强度大幅提高。然而,传统固化剂在固化渣土过程中存在水稳性差、耐久性不足的缺陷[13-16],此外渣土中的腐殖酸等有机质会阻碍水泥基材料的水化反应进程并降低后期强度;另一方面石灰、水泥的生产消耗大量不可再生资源,并且其高能耗高碳排放的环境劣势严重限制了其应用。因此,采用固废替代水泥基材料成了土壤固化剂的发展趋势。磨细的高炉矿渣(ground granulated blast-furnace slag, GGBS)是炼铁产生的一种常见的工业固废,其化学成分与普通硅酸盐水泥化学成分相似,但环境成本和经济成本更低,并且在碱激发作用下具有非常高的活性,代替水泥与石灰使用固化工程渣土具有耐干湿交替、抗冻融循环等优点。乔京生等[17]采用不同掺量的GGBS对淤泥质土进行固化处理,固化土的动静力学性能均获得较好的效果;何俊[18]等利用碱渣和GGBS作为固化剂对淤泥进行固化处理,深入揭示了该反应系统的固化机理。然而高液限淤泥质工程渣土固化路用性能的综合评价与机理研究鲜见报道。

综上所述,采用碱激发GGBS改良淤泥质工程渣土的物理力学性质,符合目前寻找新一代环保材料的需求,以替代或限制岩土工程应用中水泥的应用和生产。因此,现探究不同固化剂掺量对固化土的综合性能影响规律,采用X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)、扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)、核磁共振( nuclear magnetic resonance,NMR) 对固化效果进行微观表征,用分形理论阐述微观孔隙特征揭示碱激发GGBS固化淤泥质渣土机理。为淤泥质工程渣土的安全消纳提供参考,具有较好的应用前景。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用淤泥质工程渣土取自武汉东湖开挖工程,依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[19]测定工程渣土物理性质指标,如表1所示。该渣土呈黑褐色,黏粒含量高,液限大,塑性指数范围宽,水敏性较强,根据水电部《土工试验规程》(SD128-84)土的分类法,该工程渣土定名为高液限淤泥质黏土。试验所用固化剂为河南某钢铁厂S95级商用GGBS,碱激发剂为国药分析纯氢氧化钙[Ca(OH)2≥AR95%]。

表1 渣土的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of muck

取回的淤泥质工程渣土经自然风干,碾碎,除杂,过2 mm筛,筛下物备用,采用激光粒度分析仪测试的粒径分布如图1所示。其中,渣土不均系数Cu=3.48,曲率系数Cc=0.91,粒径分布窄,颗粒细,为级配不良的均匀土。

图1 渣土和GGBS粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution curve of muck and GGBS

渣土和GGBS的矿物成分分析如图2所示。渣土中主要矿物为石英,次要矿物为片状结构的白云母,这是导致渣土遇水易崩解的原因之一。GGBS在20°～40°存在较多非晶相玻璃态物质,具有较高活性,并还有少量的钙黄长石和镁硅钙石。

图2 渣土与矿粉的矿物组成Fig.2 Mineral composition of muck and GGBS

渣土和GGBS的元素组成如表2所示。组成渣土的主要元素是Si、Al,而GGBS的主要元素组成是Si、Ca。

表2 渣土与GGBS的化学组成Table 3 Chemical composition of bottom ash

1.2 试验方法

取回的工程渣土经风干,碾碎,除杂,过2 mm筛,筛下物备用。碱激发剂Ca(OH)2掺量依据前期预试验结果确定,占GGBS的10%时,具有较高的强度。因此,固定碱激发剂比例,通过外掺不同比例的固化剂开展试验研究,试验方案如表3所示。

表3 试验方案Table 3 Experiment material ratio and number

试样制备步骤如下:采用水膜迁移法制备所需含水率工程渣土,焖料24 h,直至水膜迁移均匀后开展相关试验。获取最优含水率和最大干密度后,通过静压一次成型,无侧限抗压强度和柔性壁渗透试验为φ50 mm×50 mm圆柱体试样,分别养护7、14、28 d。达所需龄期后取样开展试验,试验方法如下。

击实试验利用哈佛轻型击实仪开展试验,参照美国实验标准ASTM D4609-08规程,探讨工程渣土添加固化剂后最大干密度与最优含水率的变化规律。采用济南中正试验机制造有限公司生产的WDW-100E型万能试验机,根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51—2009[20]开展无侧限抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)试验,加载速度为0.5 mm/min。柔性壁渗透试验根据美国实验标准ASTM D5084 and ASTM D 7100执行,其中围压为80 kPa,渗透压力60 kPa。依据《土壤固化外加剂》(C/T486—2015)[21]对标准养护6 d的试样浸水24 h[水温为(20±2) ℃]开展水稳性试验。强度试验结束后,收取破坏试样残渣,无水乙醇浸泡中止水化反应,真空干燥代表性试样,开展XRD和SEM试验分析微观形貌。利用IPP6.0软件提取微孔隙数据,使用低场核磁共振仪定量分析微观结构。需要说明的是,XRD、SEM和核磁共振样品均为28 d龄期下代表性样品。

2 结果分析

2.1 固化土的基本物理性质

土体稠度状态所对应的液塑限反映了土颗粒吸附水多少的能力,加入不同掺量的固化剂后工程渣土的基本物理性质测试结果如图3所示。结果表明,固化剂掺入增加工程渣土的液塑限和降低塑性指数,这对工程施工是不利的,尤其当固化剂掺量大于10%时,液限超过了50%,不符合路基填料要求,分析固化剂造成的基本物理性质变化的原因可知,相对于土颗粒而言,外掺固化剂吸水性更强,干燥的固化剂颗粒被土体中的水分浸润,因此稠度状态改变时需要更多水分,另一方面,一旦固化剂与水接触,开始发生水化反应,消耗了一部分水,生成的水化产物起到胶凝团聚作用,从而需要更多水分来改变土体的稠度状态,进而导致了固化土的液塑限增加[22]。此外,由于固化剂的水化反应,生产的水化产物形成胶结,降低了土的可塑性范围,因此塑性指数降低。击实曲线对固化渣土的工程应用具有重要的指导意义,如图3所示,相比较原始工程渣土23.1%的最优含水率而言,固化渣土最优含水率随掺量先减少后增大,3%的添加量,最优含水率降低至22.3%,随后随固化剂掺量增加至29.3%,对应的最大干密度表现为先增大后减少,在10%固化剂的掺量时达到最大为1.79 g/cm3。这是由于在击实压密的作用下,固化剂水化消耗掉自由水,在击实过程中用于润滑作用的自由水减少,因此最优含水率增加,同时,适当掺量的固化剂掺量水化产物填充孔隙,因此更为密实,但生成的水化产物较多时,其与土颗粒胶结形成团絮结构,承担了更多击实功,从而阻碍土体击实,因此样品最大干密度降低。

图3 不同掺量固化土基本物理性质Fig.3 Basic physical properties of solidified soil

2.2 强度特征分析

固化土的力学性质包括无侧限抗压强度(UCS)、CBR以及水稳性与固化剂掺量密切相关,不同龄期下固化渣土的力学性能试验结果如图4所示。结果表明,固化剂可改善工程渣土的UCS,并且随着养护龄期增加而增加,但主要增长发生在14 d养护龄期之前,原始的渣土UCS仅为0.21 MPa,7 d龄期3%掺量的样品L100G3C10UCS值为0.68 MPa,掺量增加至6%时,即可满足路基填料要求,强度随掺量的增加近似线性增加,20%掺量可提升至3.4 MPa。这是由于固化剂的掺入,生成水化产物为工程渣土颗粒的胶结提供了新的胶结方式,从而形成网络骨架抵抗外力作用[23]。固化剂掺入量越多,骨架结构越完整,从而强度越高。路基填料另一力学性质CBR可以看出,随着固化剂的掺入,CBR由原来的25%,增加至3%掺量的60.7%,随后线性增长至20%掺量的302.7%,这说明固化改良工程渣土可以提高其抗车辙性。水稳特性是衡量固化效果环境耐久性的重要指标,可以通过水稳系数进行表征,即固化土体水稳强度与同龄期标准养护固化土体强度之比,该系数越大,则水稳性越好,其计算公式为

图4 不同龄期下各组样品的力学性质Fig.4 Mechanical property of each sample at different ages

(1)

式(1)中:γw为水稳系数,%;Rw为标准养护6 d浸水1 d试样的无侧限抗压强度,MPa;R0为标准养护7 d试样的无侧限抗压强度,MPa。

水稳性结果可以看出,需要添加10%掺量,固化体才能满足《土壤固化外加剂》(CJ/T486)[21],7 d水稳系数γw≥80%的要求。力学性质分析可知,碱激发GGBS固化淤泥质工程渣土的最优掺量为10%。

2.3 渗透性分析

工程渣土的渗透性反映其密实程度和孔隙连通性[24],渗透性越大,耐久性越差,28 d龄期不同固化剂掺量工程渣土固化体的渗透系数变化规律如图5所示。原始渣土的渗透系数较高,为8.3×10-6cm/s,固化剂水化产物填充了可渗透孔隙,降低了孔隙连通性,因此,渗透系数随固化剂掺量的增大而减少。可以看出,固化剂掺量需要达到10%时,方可将渗透系数降低至10-7cm/s量级以下,此时固化体属于一种良好的抗渗材料,具有较好的耐久性能。

图5 固化渣土的渗透性Fig.5 Permeability of solidified muck

2.4 微观表征分析

Ca(OH)2碱激发GGBS发生水化反应固化渣土的机理可以解释为:GGBS中的氧化硅、氧化钙、氧化铝等组成的玻璃体结构,在Ca(OH)2的碱性环境下活性被激发,玻璃体中的-Si-O-Si-溶解,生成硅酸和-Si-O-,之后-Si-O-会再次聚合形成水化硅酸物,再次聚合形成最终水化产物[17-18],而这些水化产物与土颗粒之间能够相互胶结,从而为工程渣土提供骨架,提高强度。XRD分析结果如图6所示。主要的水化产物为部分钠同晶替代的水合硅铝酸钙(N,C)-A-S-H以及少量的钙矾石Aft。

图6 10%掺量固化剂养护28 d固化渣土XRD图谱Fig.6 XRD spectrum of 28 day with 10% curing agent

原始渣土和28 d养护龄期的固化渣土SEM分析结果如图7所示。当颗粒较细时,原始渣土颗粒趋于团粒,存在较多孔隙,且吸附水较多较难压密,因此强度低,耐水性差;在M100G10C10样品中,水化产物(N,C)-A-S-H胶凝体系附着在黏土矿物表面且明显可见,水化产物形成完整的相互链接的网络骨架,包裹了较多的颗粒,因此,可提供较高的强度。并且可以看出完整的骨架结构耐水侵蚀能力强,密实的基质连通性的孔隙结构较少,渗透系数降低。

图7 微观形貌Fig.7 Micromorphology

为进一步定量分析固化前后渣土的孔隙特征,根据核磁共振(NMR)弛豫时间T2的分布特征反演出土体中的孔隙尺寸。依据土颗粒孔隙分类方法[25],将微观孔隙划分为:微孔隙、小孔隙、中孔隙和大孔隙,可以看出,渣土的孔隙以中孔隙为主,小孔隙和微孔隙较少。如图8所示,掺加固化剂后,孔隙分布曲线的中间波峰峰值降低且向左移动,中孔隙被填充,孔隙数量减少。与工程渣土相比,10%固化剂掺量养护28 d,中孔隙分别从33.0%减少至18.3%,减少了14.7%。根据孔隙结构的变化,可以看出,孔隙的减少,固化剂改变土颗粒间的接触和排列方式,促进土颗粒团聚,提高了工程渣土的密实程度[26],因此,渗透系数降低,强度和水稳性增加。

图8 孔径分布曲线Fig.8 Pore-size distribution curves

分形理论可以较好描述微观结构的变化规律,为进一步讨论孔隙形态的分布规律,本文研究利用微孔隙分析软件提取渣土和10%掺量28 d养护龄期固化渣土微观孔隙等效面积和等效周长等参数,依据分形理论,孔隙分布的分形维数的计算公式为

(2)

式(2)中:P、A分别为孔隙等效周长、等效面积;D为孔隙形态分布分形维数;C为常数。

绘制lnP～lnA双对数图[26],如图9所示。获取工程渣土的孔隙分布分维数为1.23,加入10%掺量固化剂养护28 d龄期后,分形维数减小为1.06。一般可用分形维数的大小反应孔隙结构的复杂程度,微观孔隙越不规则,分维数越大[27]。碱激发GGBS能使得土体形成排列紧密、结构复杂程度较小的层状堆叠结构,从而土体微观孔隙分布分维数减小。这和SEM结果具有一致性。

图9 孔隙形态分布分形维数Fig.9 Fractal dimension of pore morphology distribution

3 结论

探讨了碱激发GGBS改良淤泥质工程渣土性能与机理,得出如下结论。

(1)固化剂增加了固化土液塑限,降低了塑性指数,最优含水率随固化剂掺量增加呈现先减少后增大的趋势,最大干密度与之相反。10%的掺量最大干密度最大为1.79 g/cm3。

(2)掺入固化剂能提高渣土力学性能和水稳性,10%的掺量的固化渣土,强度、CBR、水稳性以及渗透性分别为2.36 MPa、210.7%、81.3%和1.36×10-7cm/s,各项指标均能满足路基填筑强度要求。

(3)微观机理表明,固化渣土的主要水化产物为(N,C)-A-S-H以及钙矾石Aft,固化体主要孔隙数量为中孔隙,10%掺量固化渣土,固化后中孔隙从33.0%减少至18.3%,减少了14.7%,孔隙分布分形维数由1.23减小为1.06。

通过碱激发GGBS固化淤泥质工程渣土,改善了渣土的稳定性,具有较好的应用前景。