粉煤灰對固化淤泥物理力學性質的影響研究

蔡偉娓

南京市公路管理處科學研究所，江蘇南京 210039

粉煤灰對固化淤泥物理力學性質的影響研究

蔡偉娓

南京市公路管理處科學研究所，江蘇南京 210039

粉煤灰；疏浚淤泥；含水率；液塑限；無側限抗壓強度；應力-應變

引言

我國擁有超過3萬公里的海岸線,內河等級航道里程超過6萬公里。交通運輸部在《交通運輸“十二五”發展規劃》中提出“十二五”期間要著力拓展港口功能，提升港口的保障能力和服務水平，同時加快以高等級航道為重點的內河航道建設，使得到2015年我國沿海港口深水泊位達到2214個，內河航道通航條件顯著改善。為此而進行的航道疏浚必將產生了大量的疏浚淤泥。目前絕大部分內陸疏浚淤泥是廢棄于陸地拋填區或低洼地區,有些占用原來的魚塘或耕田,形成的土地由于強度極低而很難進行開發利用,況且隨處廢棄的淤泥中重金屬、營養鹽將隨著降雨的淋溶作用,通過地下水或者地表徑流重新流入河湖形成二次污染。近年來，疏浚淤泥的資源化處理越來越受到國內外人們的認可，其中固化處理是最為有效的資源化處理方法。通常的做法是向疏浚淤泥中添加固化材料，進行攪拌混合，淤泥中的水和黏土礦物與固化材料進行一系列的物理化學反應從而改善了淤泥的工程性質[1]，使之能作為道路用建筑材料。

粉煤灰是以煤炭為燃料的火力發電廠排出的固體廢物，主要是由原煤中所含不燃的粘土質礦物發生分解、氧化、熔融等變化產生以玻璃相為主的固體灰渣，預計到2020年，我國粉煤灰的總堆存量將會達到30多億噸[2]。如此大量粉煤灰的產生，將對環境造成很大影響。近年來，粉煤灰已經被廣泛運用在土木工程領域，作為各種建材制作的原材料或用于地基與土壤的穩固方面。

在利用類似于粉煤灰等工業廢料作為固化材料處理淤泥方面，黃新[3]等研究了工業廢石膏在地基加固中的適用條件及加固機理。張明[4]對水泥土中粉煤灰外摻劑配方及粉煤灰加固土原理進行了研究。黃宏偉[5]采用水泥和粒化高爐礦渣對上海市西部某地區的灰色淤泥質黏土進行了固化，固化效果優于單摻水泥。荀勇[6]對水泥中摻工業廢料粉煤灰和磷石膏固化軟土進行了試驗研究，研究表明，其性能指標優于純水泥加固固化。但是，將粉煤灰用于淤泥固化處理方面的研究還并不多見，粉煤灰對固化淤泥物理力學性質的影響還不明確。

本文采用石灰作為固化材料，同時調整粉煤灰的添加量，測定固化淤泥含水率和液塑限的變化，明確粉煤灰對固化淤泥物理性質的影響。通過室內無側限抗壓強度試驗掌握粉煤灰對固化淤泥強度的影響規律。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用的淤泥取自無錫五里湖，基本物理性質指標見表1：

基于 Web of Science 數據庫的旅游業能源消耗研究綜述及啟示 張 燕 章杰寬 02（75）

表1 試驗淤泥基本物理性質指標

試驗中的淤泥固化材料選用石灰，產自上海實意化學試劑有限公司，石灰各成分含量如表2所示。

表2 石灰各成分含量

試驗采用南京第二熱電廠生產的粉煤灰，按照國標對采集的一些粉煤灰進行了相關項目測試，所得結果如表3所示：

表3 粉煤灰理化成分組成范圍及含量

1.2 試驗方法

本文所有試驗均按照《土工試驗方法標準》(GB/T50123—1999)[7]進行，固化淤泥界限含水率試驗采用的是液塑限聯合測定法。

試驗以1m3淤泥添加100kg石灰為基準量，增加粉煤灰添加量建立三個配比，石灰100kg/m3，石灰100kg/m3粉煤灰200kg/ m3，石灰100kg/m3粉煤灰400kg/m3，最后將石灰置換為粉煤灰，建立配比粉煤灰500kg/m3。這樣，前三個配比形成增加試驗，后兩個形成置換試驗。本文用ac/af表示各配比，如ac/af=100/200表示配比石灰100kg/m3粉煤灰200kg/m3。試驗方案見表4：

表4 試驗方案

2 結果

2.1 含水率變化

不同配比的固化淤泥含水率隨齡期的變化如圖1所示。可以看出，4組試驗固化淤泥的含水率在7天后基本穩定不變，這是由于石灰與水的反應在7內已經本完成。由圖2可以看出，淤泥的初試含水率為80%，加入100kg/m3的石灰，其含水率大致下降10%。在100kg/m3石灰的基礎上，再每增加200kg/m3的粉煤灰時，其含水率再都下降12%左右。如果只以500kg/m3的粉煤灰作為固化材料，固化淤泥的含水率會再降低5%。

圖1 含水率隨齡期變化曲線

圖2 含水率隨粉煤灰添加量變化曲線

2.2 液塑限變化

齡期為7天和28天的固化淤泥的液塑限和塑性指數變化如圖3、4所示。可以看出，液限在不同齡期隨著粉煤灰添加量的增加而逐漸減小；不同粉煤灰添加量的塑限在單加粉煤灰時基本上是最低的，加入了石灰的淤泥隨著粉煤灰添加量的增加，塑限有一點降低，但隨后逐步提高并超過單加石灰時的塑限；塑性指數隨著粉煤灰含量的增加，逐漸減小。

圖3 液塑限、塑性指數隨粉煤灰添加量的變化(7d)

圖4 液塑限、塑性指數隨粉煤灰添加量的變化(28d)

2.3 無側限抗壓強度

固化淤泥的無側限抗壓強度隨齡期和粉煤灰添加量的變化如圖5、6所示。由圖5可以看出，石灰100kg/m3以及石灰100kg/ m3粉煤灰200kg/m3前14天強度顯著增加，14～28天強度趨于平穩，增長緩慢。當石灰100kg/m3粉煤灰400kg/m3時7天強度最大，然后不再增加，反而降低，這說明石灰和粉煤灰復合來改良淤泥時，粉煤灰可能會存在一個最優添加量。當粉煤灰為500kg/ m3時，改良土的強度很低，且隨齡期的增長緩慢，這主要是因為粉煤灰和和淤泥發生的火山灰反應本身較緩慢，28天之后才能有較明顯的變化。

圖5 強度隨齡期變化曲線

由圖6可以看出，石灰土中復合粉煤灰，強度顯著提高。隨著粉煤灰的增加，強度增長近似線性關系，即每增加200kg/ m3粉煤灰，強度增加了原來的2倍。此外，單加粉煤灰500kg/m3的強度在5kPa左右，而石灰100kg/m3粉煤灰400kg/m3的強度約50kPa，整整提高了10倍。因此我們可以看出，單加粉煤灰對強度的增長并無顯著影響，而粉煤灰作為輔助材料與石灰共同改良淤泥能達到最優效果。

2.4應力-應變關系

7天和28天齡期固化淤泥的應力-應變關系如圖7、8所示。可以看出，當以粉煤灰作為輔助材料進行固化時，隨著其添加量的增加，應力應變曲線第一階段變化不明顯。第二階段塑性屈服階段很短，試樣的塑性特性不明顯，應力應變曲線的塑性屈服階段很難界定。第三階段試樣強度達到峰值，峰值強度后試樣還會有一定的壓密，故破壞后還存在一定的殘余強度。當以粉煤灰等量置換石灰時，其應力應變曲線發生很大變化，不再是理想的彈塑性曲線，應力隨應變的增加持續增長。隨著粉煤灰添加量的增加，試樣的應力應變曲線由軟化型向硬化型轉變。

圖7 關系曲線(7d)

圖8 關系曲線(28d)

3 討論

3.1 固化反應機理

采用石灰作為固化材料，一方面，石灰與淤泥中的水發生化學反應，反應方程式如下：

CaO+H2O→Ca(OH)2＋62.80kJ/mol

可見這是個放熱反應，放出的大量熱使得土體溫度升高，加速了淤泥中的水分蒸發，使固化淤泥的含水率降低；另一方面，石灰與淤泥顆粒之間會發生一系列的相互作用，從而使淤泥的性質發生根本的改變。這其中主要包括以下三個作用：①離子交換作用。熟石灰溶于水以后易于離解成Ca2+和(OH)-離子，隨著Ca2+濃度增大，根據質量作用定律，二價Ca2+離子就能當量替換淤泥粒表面所吸附的一價金屬離子。②碳酸化作用。所謂碳酸化作用，就是熟石灰Ca(OH)2吸收空氣中CO2，而生成CaCO3。CaCO3是堅硬的結晶體，具有較高的強度，它對淤泥顆粒的膠結作用使固化淤泥產生了一定的強度。由于CO2可能由混合料的孔隙滲入，也可能由淤泥本身產生，當淤泥的表層碳酸化后則形成一層硬殼，而阻礙CO2進一步滲入，因而Ca(OH)2的碳化是個相當長的反應過程，也是形成固化淤泥后期強度的主要原因之一。③結晶作用。消石灰(Ca(OH)2)摻入淤泥中，由于水分較少，只有少部分離解，還有少部分的Ca(OH)2進行化學作用，絕大部分飽和Ca(OH)2在淤泥中自行結晶，Ca(OH)2由膠體逐漸成為晶體。這種晶體能夠相互結合，并與淤泥粒結合起來形成共晶體，把淤泥顆粒膠結成整體。

3.2 粉煤灰對固化反應的影響

粉煤灰是一種粒徑遠小于2mm的火山灰物質，含有活性的A12O3和SiO2，它本身并無膠凝性，本身也很難和淤泥中的土顆粒或水發生反應。但它在石灰水化作用后的氫氧化鈣的激發下，可生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣。生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣都是水硬性化合物，具有較強的膠結能力和穩定性，并填充了粉煤灰顆粒間的孔隙，使結構變得緊密。另外，粉煤灰微小顆粒亦起著填充小孔隙的作用。這些都能對固化淤泥強度的形成和增長起到積極的作用。因此，在使用石灰作為固化材料處理高含水率淤泥時，加入適量的粉煤灰不僅不會影響固化淤泥的強度，還能使固化淤泥的結構更加致密和穩定，同時也使粉煤灰這種工業廢料得到了充分的利用，是一種既環保又經濟的處理方法。

4 結語

(1)在疏浚淤泥固化處理過程中加入粉煤灰可以有效降低淤泥的含水率；隨著粉煤灰添加量的增加，固化淤泥的液限不斷減小，塑限先減小，但隨后逐漸增加并超過單加石灰的固化淤泥的塑限；塑性指數隨著粉煤灰含量的增加，逐漸減小。

(2)在疏浚淤泥固化處理過程中，加入適量的粉煤灰可以顯著提高固化淤泥的無側限抗壓強度。

(3)利用石灰處理疏浚淤泥，固化淤泥的應力-應變曲線為軟化型；再加入粉煤灰處理后，固化淤泥的應力-應變曲線可分為三個階段：彈性階段、塑性屈服階段和破壞階段；隨著粉煤灰添加量的增加，應力-應變曲線由軟化型向硬化型轉變。

[1]朱偉,劉漢龍,高玉峰.工程廢棄土的再生資源利用技術[J].再生資源研究，2001,(6)：32-35

[2]劉興德,牛福生.粉煤灰的資源化利用現狀與研究進展[J]．建材技術與應用，2005,1:12-15.

[3]黃新,胡同安.水泥-廢石膏加固軟土的試驗研究[J].巖土工程學報,1998,20(5):72-76

[4]張明,白曉紅.粉煤灰在深層攪拌樁中應用[J].太原理工大學學報，2001,32(1):78-80.

[5]郭印.淤泥質土的固化及力學特性的研究[D].杭州：浙江大學, 2007.

[6]荀勇.粉煤灰對水泥系加固土強度的影響[J].建筑技術，2000,31(3):189-190

[7]中華人民共和國水利部.GB/T 50123-1999土工試驗方法標準[S].北京:中國計劃出版社, 1999.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.008