堿激發粉煤灰固化淤泥的強度特性及微觀機制*

許國慶 李深圳 馬媛媛 王士權 牛智勇

宿州學院 安徽 宿州 234000

引言

我國在河湖疏浚、港口建設、航道疏浚等工程中每年產生的廢棄淤泥高達數億方，淤泥的安全有效處置已經迫在眉睫[1-2]。化學固化處置是指淤泥與水泥等膠凝材料混合制成新型土工建筑材料，既可以實現以廢治廢和資源利用，又可避免環境污染，是廣泛使用的技術之一。

水泥作為傳統固化劑具有能耗高、消耗自然資源等缺點，利用粉煤灰、礦渣等固廢材料替代部分水泥既可以節約資源，又能實現淤泥的高效固化處置。現有研究證實了NaOH、水玻璃等堿激發劑對礦渣、粉煤灰激發效果較好，可有效提高試樣抗壓強度[3]。楊愛武[4]用摻加堿性外加劑的水泥對海積軟土進行加固，通過現場和室內試驗證明了堿性環境可以提高水泥土的強度性能，吳燕開[5]用燒堿激發鋼渣固化淤泥質土，發現燒堿可以促進固化土的早期強度，并且單硫型硫鋁酸鈣可以提高固化土強度，王東星[6]等研究了MgO激發粉煤灰固化淤泥的抗干濕、凍融和浸水性能，證明了該堿激發固化劑對淤泥具有良好的加固效果，且具有較強的環境耐久性。

本研究采用水泥和粉煤灰為固化劑，選取NaOH和Na2SO4為堿激發劑，開展無側限抗壓和電子掃描顯微鏡實驗，分析固化淤泥的強度性能和微觀孔隙結構，并通過侵蝕溶液淋溶試驗（pH和氧化還原電位）評價固化淤泥作為土工建材的環境耐久性。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗所用淤泥取自安徽省宿州市某河道底泥，呈灰黑色，取回先進行自然晾曬，然后60℃烘干粉碎，過2mm的篩備用。根據《土工試驗方法標準》測得淤泥理化指標，液限53%，塑限26%，基本性質指標如表1所示。所用的堿激發劑NaOHNa2SO4為分析純級。粉煤灰呈深灰色粉末狀，其主要化學成分為 CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、MnO等，比表面積為402m2/kg，為一級粉煤灰。試驗所用水泥為#32.5普通硅酸鹽水泥，其主要化學成分為 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，符合GB175標準。

表1 淤泥理化性質指標

1.2 實驗配比和試樣制備

實驗配比和相應編號如表2所示。表中NaOH、Na2SO4、水泥和粉煤灰的含量均為各自與干土的質量比。表2中編號“HaSbPcFd”所表示的含義為：H表示NaOH，S表示Na2SO4，P表示水泥，F表示粉煤灰，a、b、c、d分別表示NaOH、Na2SO4、水泥、粉煤灰的質量比。

表2 實驗配比

本實驗先將淤泥初始含水量調配為70%，將其與固化劑均勻混合，利用攪拌機充分攪拌5min。然后將混合淤泥漿倒入 PVC模具（內徑50mm，高度50 mm），并進行機械振動，以消除內部滯留氣泡，最后將試樣與模具一起放入標準養護箱（20±2℃），相對濕度≥95%），直到試樣硬化足以脫模。將脫模試塊用自封袋完全密封，養護至預定齡期（7天、28天）。每種配比均制備3個平行試樣，以確保可重復性，并取平均值作為最終的無側限抗壓強度。

1.3 無側限抗壓和微觀測試

本實驗通過采用液壓伺服試驗機測定試樣的無側限抗壓強度，垂直加載速率為1mm/min。從壓碎后的試塊中取樣，進行冷凍干燥處理，再利用掃描電子顯微鏡（SEM）對干燥樣品的自然斷面進行微觀形貌分析。

1.4 侵蝕淋溶試驗

參照半動態浸出試驗，試樣標準養護14天后，每組取3個平行樣進行半動態淋溶試驗，侵蝕溶液Na2SO4的濃度為0.1mol/L，每只燒杯間隔一定時間更換淋濾液，每次淋濾結束后，對浸出液進行pH、氧化還原電位測定。設置水泥固化淤泥作為對照組（C2O）。

2 試驗結果與分析

2.1 激發劑對無側限抗壓強度的影響

圖1 固化淤泥的無側限抗壓強度

保持堿激發劑的總質量比不變，探究堿激發劑的種類對固化淤泥無側限抗壓強度的影響。摻入2%NaOH試樣H2P14F6在28天養護期下的無側限抗壓強度為900kPa，摻入2%Na2SO4（S2P14F6）試樣28天齡期的無側限抗壓強度為1250kPa，說明Na2SO4的單獨堿激效果要優于NaOH。當堿激發劑Na2SO4和NaOH各摻入1%時（H1S1P14F6），28天齡期強度為1600kPa，表明復合激發效果更好。固化機理如下：當單獨采用NaOH作為激發劑時，水解后產生充足的氫氧根離子（OH-），而粉煤灰主要化學成分是二氧化硅（SiO2）和三氧化二鋁（Al2O3），在高堿性環境下，粉煤灰的硅氧鍵（Si-O）、鋁氧鍵（Al-O）斷裂，二氧化硅（SiO2）和三氧化二鋁（Al2O3）轉化為硅酸鈉（Na2SiO3）和硅鋁酸鈉（NaAlO2），釋放出更多的游離態活性硅鋁元素，在水介質作用下重新聚合生成水化硅酸鈣（C-S-H）、水化鋁酸鈣（C-A-H）等凝膠性物質，這些水化產物發揮在土顆粒表面沉淀包裹，并在土團聚體間膠結搭橋，從而提高固化淤泥土的強度。當采用Na2SO4單獨激發石灰-粉煤灰混合原料時，石灰首先溶解于水生成OH－和Ca2+，Na2SO4溶解水后生成大量SO42+，在堿性環境下，部分粉煤灰同樣被溶蝕釋放游離態活性硅鋁物質，然后與SO42+和Ca2+發生聚合反應，生成大量的具有體積膨脹性的針狀鈣礬石（Ettringite，AFt），填充土顆粒團聚體的內部孔隙，顯著增大密實性，從而提高固化淤泥強度。

2.2 SEM形貌分析

典型試樣的微觀形貌如圖2所示。圖2（a）為不添加任何固化劑的初始淤泥，其微結構由不同粒徑的土顆粒組成，團聚體中有較大的孔隙，整體結構十分松散。圖2（b）為復合激發固化淤泥H1S1P14F6，當淤泥中加入固化劑后，可以觀察到CSH和CAH等膠凝物質，以及針狀鈣礬石，膠凝物質將土顆粒緊密膠結在一起，鈣礬石填充粒間孔隙，大孔隙消失，橫斷面布滿了均勻的小孔隙，結構變得非常密實，在外力作用下內部的黏聚力和摩擦角明顯提高，這是固化淤泥無側限抗壓強度提高的主要原因。

圖2 28天期齡固化試樣微觀結構

2.3 侵蝕淋溶液的理化指標

半動態淋溶液的pH和氧化還原電位變化如圖3所示，即在2h時初始淋溶中，固化體未發生破壞，pH偏低，7小時淋溶后pH進一步下降。1天之后，固化體內部堿性離子析出，導致pH陡增，并隨著淋溶循環級數的增加，固化體破壞速率加快，pH逐漸隨之下降，11d內均持續下降。在四種固化淤泥中，水泥的pH為最高，水泥的堿性比堿激發固化劑更大。

圖3 侵蝕液的pH演變

氧化還原電位是反映侵蝕溶液的宏觀氧化還原能力的值，氧化電位越大，其氧化性越強。淋溶液整體的發展趨勢如圖3（b）所示，淋溶前2天，其氧化還原電位呈逐漸下降趨勢，溶液的氧化性變低，固化淤泥內部繼續發生水化反應，從2天至11天，氧化還原電位呈現持續增加的趨勢，淋溶液中的氧化性逐漸增加，淋溶中析出的氧化性離子變多，固化體侵蝕程度加劇。

3 結束語

隨養護齡期的增加，堿激發粉煤灰固化高含水率淤泥的無側限抗壓強度逐漸提高。

Na2SO4堿激發的粉煤灰效果要優于NaOH，兩種試劑同時摻加對強度的提升效果要優于單獨激發。

膠凝水化物將土顆粒緊密膠結以及鈣礬石填充孔隙效應，兩者的共同作用是提高固化淤泥強度主要根本原因。