侵蝕環境中堿渣-礦渣固化淤泥的力學性質

何 俊，栗志翔，石小康，王小琦

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

水泥土攪拌樁法[1]具有適用土質廣、施工工期短和機械化程度高等優點，但在處理高含水率淤泥時為了提高強度需增加水泥摻量，工程成本高，且水泥等固化劑存在環境效益差、能源消耗高、固化時間長等弊端[2]。解決以上問題常用的方法主要有：(1)往水泥土中摻入高性能添加劑，如石膏、礦粉、水泥窯灰、粉煤灰和偏高嶺土等[3-5]。(2)利用礦渣等工業固體廢棄物代替水泥進行軟土加固，如利用電石渣、MgO、堿渣等激發礦渣固化軟土[6-8]。(3)開發其他攪拌樁代替水泥土攪拌樁，如利用活性MgO和CO2氣體作為聯合固化劑提出的碳化攪拌樁法[2]。

堿渣作為鹽化工產業氨堿法生產純堿過程中產生的固體廢棄物，是一種強堿性材料，對礦渣具有堿激發作用，堿渣-礦渣可對軟土起到較好的固化效果[6]。為擴展堿渣和礦渣等工業固體廢棄物的資源化利用途徑，探討堿渣-礦渣固化淤泥在復雜環境下耐久性，本文在已有和前期研究的基礎上，選取幾種代表性的侵蝕性溶液開展浸泡模擬試驗，研究堿渣-礦渣固化淤泥的表觀和無側限抗壓強度隨浸泡時間的變化規律，并結合微觀測試初步探討其機理，以期為擴展工業固體廢棄物固化淤泥的應用提供技術支持。

1 試驗材料和方法

試驗土樣為國道319線漳州段流傳特大橋處海積軟土，呈流塑—軟塑狀，為欠固結土。土樣基本物理指標如表1所示，屬高液限黏土。堿渣取自湖北雙環科技股份有限公司，礦渣取自中建三局商品混凝土公司。材料的化學成分見表2所示。淤泥中SiO2、Al2O3和 Fe2O3總量高達92.1%；堿渣中CaO含量高達66.5%，且SO3和Cl含量也較高，主要礦物成分為碳酸鈣和硫酸鈣等；礦渣中CaO、MgO、SiO2和Al2O3總量高達95.3%，主要礦物成分為硅酸鈣、碳酸鈣以及鎂鋁硅酸鈣等。淤泥、堿渣和礦渣的平均粒徑分別為0.026、0.145和0.018 mm，堿渣的平均粒徑大于淤泥和礦渣。

試驗時，將淤泥105 ℃烘干后研磨過2 mm篩，與堿渣和礦渣混合均勻，其比例根據前期試驗結果，選為干土﹕堿渣﹕礦渣的質量比為100∶42.8∶11.4。根據淤泥天然含水率的范圍將其初始含水率設為80%，由干土質量和初始含水率計算加入的水量，將自來水或溶液加入混合料中攪拌均勻后浸潤24 h。其中，溶液選用30 g/L NaCl、15 g/L MgSO4和30 g/L NaCl +15 g/L MgSO4，自來水和溶液分別用N0+M0、N30+M0、N0+M15和N30+M15表示，用以模擬典型的海水環境[12]。采用分層擊實法制樣，將攪拌好的混合土分層裝入內徑3.91 cm、高8.0 cm的鋼模中，分5層擊實，制樣過程中注意排出氣泡。在溫度為20±2 °C、濕度大于95%的標準養護箱內養護1 d后脫模后繼續養護至28 d。養護后的試樣浸泡在自來水或溶液中，定期輕輕攪拌浸泡液，并測量試樣的尺寸和質量，其中尺寸測量是選取上、中、下不同部位用游標卡尺測量后取平均值。根據質量和體積計算試樣密度。浸泡28 d或42 d后，采用YSH-2型應變控制式無側限壓力儀進行無側限抗壓強度試驗，變形速率為1.18 mm/min，每組試樣測定2個平行樣取平均值。將試驗結束后的試樣取完整試塊，切成1 cm3左右，采用液氮凍干法干燥后選新鮮斷面進行SEM觀測。

表1 試驗所用淤泥基本物理指標

表2 淤泥、堿渣和礦渣的主要化學組成(%)

2 試驗結果分析

2.1 試樣外觀及物理指標變化

部分試樣外觀隨浸泡時間的變化如圖1所示。可以看出，在自來水和NaCl溶液浸泡環境中，試樣的完整性好，表面基本沒有變化；而在MgSO4和混合溶液浸泡環境中，試樣外觀發生明顯變化，浸泡時間為7 d時試樣表面已開始出現起皮現象，隨著浸泡時間的增加侵蝕程度逐漸加深，試樣表面的散落和破碎現象也更為顯著。相對而言，MgSO4溶液對試樣的侵蝕程度略大于混合溶液。

圖1 試樣外觀隨浸泡時間的變化

相對于28 d標準養護后試樣的體積、質量和密度與浸泡時間的關系如圖2所示，可以看出：

(1)隨著浸泡時間的增加，試樣相對體積減小，在自來水和NaCl溶液浸泡環境中體積減小幅度較小，浸泡42 d時平均體積減小為原體積的98%左右。

圖2 試樣體積、質量和密度隨浸泡時間的變化

雖然在MgSO4和混合溶液浸泡環境中試樣表面出現侵蝕后不再是光滑圓柱體，體積測量有一定誤差，但整體規律性較強，即試樣體積隨浸泡時間的增加而大幅減小，尤其是在21 d及以后體積明顯減小，浸泡42 d時平均體積減小為原體積的93%左右。

(2)在自來水和NaCl溶液浸泡環境中，試樣質量隨浸泡時間變化較小；在MgSO4和混合溶液浸泡環境中，試樣質量隨浸泡時間的增加顯著減小，浸泡42 d時試樣平均質量減小為原質量的92%～93%。

(3)在自來水和NaCl溶液浸泡環境中，由于體積減小而質量變化不大，導致試樣密度隨浸泡時間的增加而增大，浸泡42 d時試樣密度增加為原密度的102%左右；在MgSO4和混合溶液浸泡環境中，試樣密度變化規律性不強，且由于體積測量結果誤差造成密度的誤差相對較大，但在MgSO4溶液浸泡35 d和42 d時試樣平均密度減小為原密度的98.8%左右。

在自來水和NaCl溶液浸泡環境中，試樣外觀上是完整的，但試樣的體積減小，其可能原因在于有部分肉眼無法觀察到的物質發生溶解[18]。同時，由于土樣初始含水率較大、孔隙比較大，有足夠的空間提供給膨脹性的水化產物發展(如鈣礬石，圖6)，在孔隙中起到填充和加筋作用，表現出試樣的體積沒有發生膨脹。

2.2 無側限抗壓強度試驗結果

無側限抗壓強度試驗所得結果如圖3所示。其中，變形系數是表征材料變形特性的一個參數，定義為應力-應變曲線上破壞應變的一半所對應點的割線模量[2]。可以看出：(1)隨著浸泡時間的增加，在自來水浸泡環境中無側限抗壓強度有所增大，其他3種浸泡環境中無側限抗壓強度變化較小；與自來水和NaCl溶液相比，MgSO4和混合溶液浸泡時無側限抗壓強度較小。例如，當浸泡時間為28 d時，前兩種浸泡環境下試樣的無側限抗壓強度分別為1 970 kPa和2 356 kPa，而后兩種浸泡環境下試樣的無側限抗壓強度分別為1 135 kPa和1 024 kPa，只有前兩種環境下強度的一半左右。(2)浸泡時間為28 d時破壞應變為0.8～1.2%，浸泡時間為42 d時破壞應變有所增大，為1.5～2%。(3)變形系數隨浸泡時間的增加而減小，表明試樣抵抗變形的能力有所降低；自來水和NaCl溶液浸泡環境下變形系數大于MgSO4和混合溶液浸泡環境，表明后兩種浸泡環境下抵抗變形的能力較差，其原因在于MgSO4和混合溶液對試樣的侵蝕作用較強，不僅試樣表面有嚴重的散落和破碎現象，試樣內部也有微裂隙發展，使結構變得疏松(圖6)。

圖3 無側限抗壓強度、破壞應變和變形系數隨浸泡時間的變化

試樣典型應力-應變曲線和破壞照片如圖4和圖5所示，可以看出：

(1)試樣大都表現出應變軟化特征，有明顯的應力降；但在MgSO4溶液浸泡環境中試樣有塑性流動特征，峰值后應力降相對較小。

(2)試樣的破壞模式主要有剪切破壞和張裂破壞兩種，其中在自來水和NaCl溶液浸泡環境中多為剪切破壞模式(圖5a，圖5b)，在MgSO4和混合溶液浸泡環境中則以張裂破壞為主(圖5c，圖5d)，其原因在于試樣受到侵蝕的程度較大，試樣在產生剪切破壞之前由于試樣表面及內部缺陷的存在而發生張裂破壞，而固化土的抗拉強度較低，因此表現出無側限抗壓強度也較前兩種環境下有大幅減小。

圖4 試樣典型應力-應變曲線

圖5 試樣典型破壞模式

3 微觀結構特征及討論

部分固化土的SEM照片如圖6所示，可以看出：

(1)在自來水和NaCl溶液環境中，固化土的顆粒以團聚狀為主，針狀或纖維狀的鈣礬石晶體填充在孔隙中，起到膠結和加筋作用(圖6a，圖6d)。

(2)與圖6a相比，當在自來水中的浸泡時間增加時，生成的鈣礬石和一些硅酸鹽水化物增多，膠結和加筋作用增強，結構更顯致密(圖6b，圖6c)，因此固化土的強度比浸泡28 d時有所增加。

(3)當在MgSO4及混合溶液中浸泡28 d時，試樣中有較多的鈣礬石附著于顆粒表面(圖6e，圖6g，圖6h)，片狀顆粒較多(圖6f，圖6h)，微觀上出現一些的裂縫(圖6e)，與圖6c相比土的結構較為疏松，造成其強度和變形系數低于自來水和NaCl溶液環境中浸泡的試樣。固化土的微觀結構特征與宏觀力學性質具有一致的規律。

圖6 固化土SEM照片

Ca(OH)2+Al2O3+CaSO4+H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·(30-32)H2O

(1)

由化學分子式可知，鈣礬石可將土中大量的自由水固定下來，在形成過程中固相體積增加120%左右，從而有效降低軟土含水率，填充于孔隙中，使結構更加致密[4,19]。軟土的高含水率和大孔隙比為膨脹性鈣礬石提供生成所需的空間。而且固化土中鈣礬石呈針狀或纖維狀(圖6)，其比表面積大，可起到較好的加筋作用，從而有效提高土的強度[20]。

在堿渣提供Cl-的情況下，可生成水化氯鋁酸鈣：

Ca(OH)2+Al2O3+Cl-+H2O→

3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O

(2)

水化氯鋁酸鈣能在固化土中起到填充孔隙作用[21]。而礦渣的火山灰反應生成水化鋁酸鈣，能提高對Cl-結合能力，從而抵抗氯侵蝕[20-22]。因此，固化土在NaCl溶液中仍有較高的強度。

MgSO4+Ca(OH)2+H2O→

CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

(3)

C-S-H+MgSO4+H2O→

Mg(OH)2+ CaSO4·2H2O + H2SiO4

(4)

C-A-H+MgSO4+Ca(OH)2→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Mg(OH)2

(5)

固化土在MgSO4及混合溶液中浸泡的過程中，水化硅酸鈣等物質的分解、膨脹性二水硫酸鈣和鈣礬石的生成，導致固化土出現微裂隙和疏松結構，從而造成較嚴重的侵蝕。

4 結論

(1)在自來水和30 g/L的NaCl溶液浸泡情況下，標準養護28 d的固化土表面完整性較好，試樣密度隨浸泡時間的增加而增大；在15 g/L的MgSO4溶液和混合溶液浸泡情況下，固化土表面受到明顯侵蝕，隨著浸泡時間的增加，侵蝕程度逐漸加深，試樣體積、質量和密度呈減小趨勢。

(2)當浸泡時間從28 d增至42 d時，自來水浸泡試樣的無側限抗壓強度略有增大，溶液浸泡試樣的無側限抗壓強度基本保持不變；浸泡導致試樣的延性增強，抵抗變形的能力減弱。

(3)在浸泡時間相同的條件下，自來水和NaCl溶液浸泡時固化土強度較高，試樣以剪切破壞模式為主；MgSO4和混合溶液浸泡時強度約為前兩種環境下的一半，變形系數也較小，試樣以張裂破壞模式為主。堿渣-礦渣固化淤泥抗NaCl侵蝕能力強，但抗MgSO4侵蝕能力較弱。

(4)固化土中生成的針狀或纖維狀的鈣礬石晶體及一些硅酸鹽水化產物，在孔隙中起到填充和加筋作用。在MgSO4和混合溶液環境中，土中形成微觀裂隙，結構變得疏松，是導致堿渣-礦渣固化淤泥抗MgSO4侵蝕能力較弱的原因。