钢渣/粉煤灰为骨架的混凝土阻隔墙研究

张 建，陈钰頔，李小芳，何雨航，谷 牧

(重庆市二零八地质环境研究院有限公司，重庆 400799)

阻隔技术是通过阻隔层阻断渣体介质中污染物迁移扩散的途径，使污染介质与周围环境隔离，避免污染物与人体接触和降水或地下水迁移进而对人体和周围环境造成危害的技术[1-3]。常用的阻隔墙材料包括土基、水泥基阻截材料，化学阻截材料和土工膜材料等[4-6]。研究表明[7-14]由水泥、膨润土、粉煤灰等材料复合组成的阻隔墙能够有效控制地下水中污染物扩散。向甲甲[9]研究了水泥土阻隔墙的渗透性、稳定性及吸附性能，结果表明：水泥土阻隔墙的渗透性随着水泥掺量而增加而降低，稳定性与水泥掺量成正比，对Cu2+、Zn2+有较好的吸附性能，工程应用验证了水泥土阻隔墙对地下水石油烃污染物的防控效果；黄琴琴等[6]研究了粉煤灰-膨润土阻隔墙材料对地下水镉污染的控制效果，结果表明膨润土∶粉煤灰=1∶5时，阻隔墙渗透系数满足要求，Cd2+的穿透浓度较低；龚锐等[15]研究了改性土-膨润土阻隔墙材料对地下水中氨氮的阻隔，结果表明硅灰∶土=1∶10，改性阻隔材料的阻隔墙防渗性能最好。

重庆某场地有大量钢渣、粉煤灰填埋，为预防地下水进入钢渣、粉煤灰溶虑出污染物，拟采用阻隔技术，对填埋区域采用高压喷射灌浆形成垂直混凝土阻隔墙。混凝土主要由胶凝材料、骨料与水拌合而成。钢渣具有硬度大、耐磨度大及强度高等特点[16-17]，而粉煤灰中含有大量玻璃体SiO2、Al2O3以及游离CaO，它们都是其活性组分，起到胶凝硬化作用，能够提高混凝土的早期强度，对活性起到很大的促进效果[18-19]。将钢渣、粉煤灰掺入制备混凝土时，其作用相当于天然骨料，不仅能够使水泥浆接触界面的黏结性能大大提高，而且钢渣、粉煤灰等的主要化学组分为硅酸盐矿物，可以在碱性条件下发生水化作用，生成水化硅酸钙凝胶等水化产物[20-22]，具有类似水泥的结构和特性，可以将集料和水泥浆的黏结性能进一步增强，形成具有一定强度和抗渗的阻隔混凝土材料[20]。

因此，本研究将钢渣/粉煤灰替代骨料与水泥浆液混合，形成混泥土防渗墙体，实现钢渣、粉煤灰与外界环境的隔离。通过对混凝土阻隔墙试件不同配合比的浸出浓度、渗透系数、抗压强度等性能指标进行综合判断，在满足风险管控的基础上，筛选出各混凝土试件的最佳掺量，获得最优的阻隔水泥浆液配比，为后续中试和大规模工程应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料和仪器

试验材料：中沙、FMA-H抗抗渗耐蚀剂、水、P.O.32.5水泥、钢渣、灰渣，钢渣、灰渣采自重庆填埋场地，成分见表1。

表1 钢渣、灰渣和水泥的化学成分Table 1 Chemical composition of steel slag，ash slag and cement (%)

1.2 材料的制备

首先将钢渣/粉煤灰、水泥、砂、抗渗剂人工混合均匀，在搅拌机中混合5 min后，逐步加入水进行混合，再搅拌5 min；然后将混合均匀的物料倒入涂刷隔离剂的模具中，抗压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm正方体，抗渗试件尺寸为185 mm×175 mm×150 mm圆柱体，成型后放入振动台振动10 min后；最后将试件放入空调房进行28 d的养护，到试件龄期时将水泥试件从养护房中取出，分别测定各组试件的抗压强度、浸出浓度和渗透系数。

将钢渣/灰渣替代骨料制作混凝土尚处于研究阶段，没有明确的配合比可供直接使用，故本研究选取常用的混凝土强度等级C30。依据普通混凝土配合比作为基准，其初步配合比为水泥∶砂∶骨料∶水∶抗渗剂=1∶1.08∶2.63∶0.37∶0.03。钢渣和灰渣在地下单位面积为固定量，本次试验将钢渣/灰渣替代量定为10 kg，G2-G6/F2-F6试件在基准配合比的基础上，水泥、砂、水分别增加10%～50%(见表2)，此外试件S1使用常规骨料(石粉)配置一组混凝土作为基准样品。

表2 钢渣/粉煤灰-水泥配合比

1.3 阻隔墙浸出实验

在场地内采集了钢渣/粉煤灰进行毒性浸出检验，采用《固体废物浸出毒性浸出方法 水平振荡法》(HJ 557-2010)，固液比为1∶10，检出因子如表3所示。本次试验将水泥浆液与钢渣/粉煤灰混合固化形成防渗阻隔体，隔离地下水与废渣的水力联系，控制和减轻地下水污染，故通过检测固体混凝土试件中相关因子的浸出浓度，验证防渗阻隔体的抗渗能力。

表3 钢渣/粉煤灰浸出因子Table 3 Extraction factors of steel slag/fly ash

1.4 阻隔墙抗压强度实验

将钢渣/粉煤灰混凝土阻隔墙试样养护至相应龄期，采用抗压试验机测量混凝土抗压强度，用式(1)计算阻隔墙的单轴抗压强度：

(1)

式中：σc为阻隔墙单轴抗压强度，MPa；p为破坏荷载，N；A为垂直于加荷方向阻隔墙面积，mm2。

1.5 阻隔墙渗透系数实验

使用变水头渗透仪测定每组不同配比的渗透系数。在渗透仪环刀内壁上均匀的涂抹凡士林试剂，将装有试样的环刀放入渗透容器，在渗透系统的水源箱中加入蒸 馏水，待出水管处均匀出水时，按照式(2)计算渗透系数：

(2)

式中：K为渗透系数，cm·s-1；a为管面积，cm2；L为环刀厚度，cm；A为环刀面积，cm2；t2为渗透结束时间，s；t1为渗透开始时间，s；h2为渗透开始水头读数，cm；h1为渗透结束水头读数，cm。

2 结果与讨论

2.1 阻隔墙的浸出浓度

表4 试件浸出浓度Table 4 Leaching concentration of test pieces

续表4

对钢渣/粉煤灰作为骨料的混凝土阻隔墙试件进行了浸出实验，实验结果如表4所示。以钢渣为混凝土的阻隔墙试件在浸出实验中，试件浸出监测因子为氟化物、铜、锌、砷、铬和硒，其余钢渣浸出因子未检出；以粉煤灰为混凝土的阻隔墙试件在浸出实验中，试件浸出监测因子为氟化物、砷和硒，其余粉煤灰浸出因子未检出，且所有试件浸出检测因子浓度均远低于《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)Ⅳ类水体，可见钢渣/灰渣替代骨料制作的防渗体能有效阻隔废渣对地下水的影响。

2.2 阻隔墙的抗压强度

根据单轴抗压实验结果(表5)，以钢渣为骨料的混凝土阻隔墙试件中，最小抗压强度为2.8 MPa，最大抗压强度为16.6 MPa；以粉煤灰为骨料的混凝土阻隔墙试件中，最小抗压强度为11.1 MPa，最大抗压强度为17.0 MPa，均能达到混凝土阻隔墙材料的强度(103.4kPa)。以钢渣/粉煤灰为骨料的混凝土阻隔墙的抗压强度随着水泥的增加而增加，其中试件G1S水灰比较大，导致其强度较小仅有2.8 MPa，阻隔墙试件抗压强度均能满足阻隔墙材料的强度要求(103.4 kPa)[23]。

表5 试件抗压强度Table 5 Compressive strength of specimens

2.3 阻隔墙的渗透性

不同配比的阻隔墙渗透系数测量结果如表6所示。随着水泥、砂、水含量的增加，阻隔墙试件的渗透系数变大，随着其他原料的增加，混凝土基准配合比发生变化，同时试件的孔隙率增大，导致了渗透系数的增加。在水泥、砂、水含量相同的情况下，粉煤灰作为骨料的水泥混凝土阻隔墙渗透系数更低，这是因为粉煤灰的骨架比钢渣小，体系的孔隙率也会随之减小，渗透系数降低。仅G1、F1、G1S和S1阻隔墙试件渗透系数均能达到土壤-混凝土-膨润土泥浆墙的渗透系数要求(1×10-8m/s)。

表6 试件渗透系数Table 6 Permeability coefficient of test piece

3 结 论

(1)在钢渣/粉煤灰掺入量一定时，随着其他原料的增加，各试件抗压强度总体呈现先增加后下降，渗透系数总体呈现逐渐下降的趋势；

(2)钢渣/灰渣能够替常规代骨料与水泥、砂、水在一定配合比的条件下形成阻隔防渗体，其中G1、F1、G1S、S1试件浸出浓度、抗压强度、渗透系数均满足相关规范要求，从工程实施及成本考虑，在满足风险管控的要求下，尽量减少原材料的使用，因此G1S组效果最佳，其原材料消耗最小，且水灰比满足注浆要求；

(3)研究得出的钢渣/灰渣混凝土的基准配合比为水泥∶砂∶钢渣/灰渣∶水∶抗渗剂=1∶1.08∶2.63∶1∶0.03，后续可根据此配比展开中试或者进一步研究。