堿渣污染水泥土無側限抗壓強度與滲透性試驗研究

付大慶，曹連朋，陳汝振，卜令全，郝曉迅，毛樹亭

(1.山東恒源勘測設計有限公司，山東 濰坊 261205；2.濰坊市水利建筑設計研究院有限公司，山東 濰坊 261205)

由于水泥土具有施工簡單、材料來源廣泛、設計靈活、造價低廉等優勢，在道路、機場、港口等軟土地基處理、基坑支護以及水庫、攔河閘壩、堤防、渠道防滲等方面得到了廣泛的應用[1-6]。水泥土的工程性能受水泥摻入量、養護時間、水泥強度等級、土體含水率、土質、有機質含量及水泥外摻劑等眾多因素的影響，加之各因素相互影響導致了水泥土工程特性的復雜性和不確定性，眾多學者對水泥土的力學性質及增長規律進行了深入研究。許淼[7]采用無側限抗壓強度試驗的方法，研究了水泥摻量、含水率、養護時間和養護方式對水泥土強度和應力-應變關系的影響。高鵬飛等[8]通過試驗對水泥配比及土樣含水率對不同土質水泥土的強度及變形規律進行了研究，指出隨著水泥配比的增加，不同土質水泥土強度增長率有明顯不同，并擬合出了28d養護時間水泥土變形模量估算公式。董猛榮等[9]對海相軟土場地水泥土劣化機理進行了研究，從腐蝕離子干預水化反應進程和分解水化產物2個過程揭示了海相軟土場地水泥土劣化機理。鄭美如[10]對堿渣作為穩定材料的水泥土強度進行了分析，指出利用堿渣和水泥及礦渣配合開發適應淤泥土的固化劑，可以達到利用廢棄資源，提高水泥土強度，降低工程投資的效果。耿興華[11]研究了造紙廠污水對水泥土性能的影響，指出水泥土強度和電阻率都隨養護時間的增加而增大，隨著造紙廠污水溶液濃度的增加而減小。

堿渣是氨堿法生產純堿過程中產生的工業廢渣，具有高堿性、高含水率和高氯離子含量特點，目前堿渣處理方式主要是堆填[12]，其次是制成建筑材料。就地堆填對地基土及地下水均產生一定的污染，堿渣污染水泥土的工程特性尚無研究先例。位于渤海萊州灣南岸濱海平原地帶的萊州灣鹽場是我國四大鹽場之一，分布著山東海化集團有限公司、山東海天生物化工有限公司等以海鹽為原料的大型、特大型鹽化工企業，產生的堿渣就近堆放，形成了數座堿渣庫(池)，存在重大安全隱患。本文以山東海化股份有限公司純堿廠堿渣場新1#池、新2#池和南堿渣庫防滲墻加固項目為例，通過無側限抗壓強度試驗、滲透試驗對水泥土防滲墻處理深度范圍內堿渣污染的三類土與水泥按一定比例攪拌后制成的水泥土試塊進行不同養護時間的無側限抗壓強度與滲透性試驗研究。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

擬加固堿渣庫周邊地層自上而下分別為粉土、粉砂、粉質黏土三類土，相應厚度分別2、10、4m，均為海相沉積物，原狀土樣分別取自孔1、孔2與孔3的3個鉆孔，每孔每層土物理性質試驗組數3組，總計試驗組數27組。試驗用土顆粒分析、物理性質見表1，離子含量試驗結果見表2。試驗拌合用水、養護用水與水質分析用水通過在場地鉆孔旁開挖探坑滲水取得。試驗用水水質分析成果見表3。

表1 試驗用土顆粒組成百分比與物理性質

表2 試驗用土土質分析及pH值

表3 試驗用水水質分析及礦化度

固化劑采用濰坊山水水泥有限公司生產的P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，外摻劑采用濟南德利泰建材科技有限公司生產的DLT-A2混凝土抗裂防滲引氣劑。

1.2 試驗方案

水泥摻入量12.0%，水灰比0.5，外摻劑摻入量為水泥的8.3‰，制作水泥土試塊。每孔每層土料與水泥、外摻劑各制作3個試塊分別進行7d、14d與28d養護時間的無側限抗壓強度試驗，共計試塊81件；每孔每層土料與水泥、外摻劑各制作3個試塊，分別進行7d、14d與28d養護時間的滲透試驗，共計試塊81件；合計試塊162件。

原狀土物理性質試驗后的土料與鉆孔所取剩余原狀土經充分碾碎，清除雜質后與P·O32.5普通硅酸鹽水泥、DLT-A2混凝土抗裂防滲引氣劑，放入行星式攪拌機經充分攪拌，再逐次加水攪拌不少于10min，然后裝入70.7mm×70.7mm×70.7mm的內表面涂脫模劑的試模內，經振動臺振動及振搗棒振搗至少20次至試模的一半高度，緊接再次填入試料再振搗至少20次，最后將高出試模上沿口多余的拌合物刮除，抹平后蓋上塑料薄膜，防止水分蒸發。抗壓強度試塊成型后48h拆模，脫了模的試塊用天平稱重后與未拆模的滲透試驗試塊放入養護室，在標準養護條件(溫度20±1℃，濕度≥95%)下分別進行不同養護時間的養護，2d更換1次養護用水。抗壓強度試驗試塊尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體，滲透試驗試塊尺寸為上口直徑70mm，下口直徑80mm，高度40mm的圓臺體。

2 試驗成果與分析

2.1 無側限抗壓強度試驗成果分析

對不同養護時間的水泥土試塊進行無側限抗壓強度試驗，三類水泥土試塊不同養護時間的無側限抗壓強度試驗成果見表4。

表4 堿渣污染水泥土不同養護時間的無側限抗壓強度

由表4及圖1可知，隨著養護時間的增加，堿渣污染粉土水泥土7～14d無側限抗壓強度增長較快，14～28d強度增長逐漸減緩。7d～14d～28d養護時間的無側限抗壓強度與養護時間呈冪函數關系，孔1和孔3相關系數R2分別為0.999與0.933，孔2相關系數R2為0.873，相關性相對較差，無側限抗壓強度與養護時間呈良好的函數關系。分析各孔粉土水泥土相同養護時間的無側限抗壓強度可得出，7、14、28d養護時間的無側限抗壓強度離散性相對較大，孔1比孔3在7、14、28d養護時間的無側限抗壓強度高一倍以上。不同養護時間的粉土水泥土無側限抗壓強度比例關系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.500∶0.778∶1.000。

圖1 堿渣污染水泥土養護時間-無側限抗壓強度曲線

隨著養護時間的增加，堿渣污染粉砂水泥土7～14d無側限抗壓強度增長較快，14～28d強度增長逐漸減緩，7d～14d～28d養護時間的無側限抗壓強度與養護時間呈冪函數關系，3孔相關系數R2分別為0.992、0.998、0.972，無側限抗壓強度與養護時間呈很好的函數關系。分析各孔粉砂水泥土相同養護時間的無側限抗壓強度可得出，7、14、28d養護時間的粉砂水泥土無側限抗壓強度離散性較大，孔1和孔2相同養護時間的無側限抗壓強度相近，與孔3相同養護時間的抗壓強度相差較大。不同養護時間的粉砂水泥土無側限抗壓強度比例關系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.655∶0.836∶1.000。

隨著養護時間的增加，堿渣污染粉質黏土水泥土7～14d無側限抗壓強度增長較快，14～28d強度增長逐漸減緩。7d～14d～28d養護時間的無側限抗壓強度與養護時間呈很好的冪函數關系，3孔相關系數R2分別為0.975、0.971、0.994，無側限抗壓強度與養護時間呈很好的函數關系。分析各孔粉質黏土水泥土相同養護時間的無側限抗壓強度可得出，7、14、28d養護時間的粉質黏土水泥土無側限抗壓強度離散性較大，各孔相同養護時間的無側側抗壓強度相差較大。不同養護時間的粉質黏土水泥土無側限抗壓強度比例關系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.534∶0.740∶1.000。

28d養護時間的粉土水泥土、粉砂水泥土、粉質黏土水泥土的無側限抗壓強度比例關系為

fcu，28，粉土水泥土∶fcu，28，粉砂水泥土∶fcu，28，粉質黏土水泥土

=1.000∶0.764∶0.910

粉質黏土水泥土的無側限抗壓強度是粉土水泥土的91%，粉砂水泥土的無側限抗壓強度分別是粉質黏土水泥土的84.0%與粉土水泥土的76.4%，粉土水泥土與粉質黏土水泥土的無側限抗壓強度高于粉砂水泥土無側限抗壓強度的主要原因是：粉土與粉質黏土的主要粒組是粉粒，顆粒細小，而粉砂的主要粒組是粉砂粒，顆粒相對于粉粒較粗，由于水泥的摻量只有12%，水泥水解和水化反應完全是在有一定活性的介質的圍繞下進行。

普通硅酸鹽水泥主要由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、三氧化硫等氧化物分別組成了硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣等水泥礦物。水泥與土充分攪拌做成試塊置于水中養護后，水泥顆粒表面的礦物很快與土中的吸著水與薄膜水發生分解和水化反應，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化鐵鋁酸鈣等水合物。當水泥中的各種水化物生成后，有的自身繼續硬化；有的則與其周圍具有一定活性的粉土顆粒、黏土顆粒發生離子交換和團粒化作用，水泥水化生成的凝膠粒子的比表面積比水泥顆粒大數百倍甚至千倍，有很強的吸附活性，使得較大的土顆粒團粒進一步相互結合，形成水泥土的團粒結構，并封閉土團之間的孔隙，形成堅固的連結[13]，從而使粉土水泥土與粉質黏土水泥土的無側限抗壓強度高于粉砂水泥土的無側限抗壓強度。

2.2 滲透試驗成果分析

滲透試驗組數及養護時間同無側限抗壓強度試驗，試驗前將達到養護時間的試塊飽水48h，采用砂漿抗滲儀進行滲透試驗，根據達西定律，三類水泥土試塊不同養護時間的滲透試驗成果見表5。

由表5及圖2可知，隨著養護時間的增加，堿渣污染粉土水泥土滲透系數均呈10-7cm/s數量級，7～14d滲透曲線降低明顯，14～28d滲透曲線降低減緩，7d～14～28d養護時間的滲透系數與養護時間呈對數函數關系，3孔相關系數R2分別為0.998、0.983、0.997，滲透系數與養護時間呈很好的函數關系。分析各孔相同養護時間滲透系數可知，各孔相同養護時間的滲透系數相差較小，差值最大2.8×10-8cm/s。不同養護時間的粉土水泥土滲透系數比例關系k7∶k14∶k28=1.133∶1.068∶1.000。

圖2 堿渣污染水泥土養護時間-滲透系數曲線

表5 堿渣污染水泥土不同養護時間的滲透系數

隨著養護時間的增加，堿渣污染粉砂水泥土滲透系數均呈10-7cm/s數量級，7～14d滲透曲線降低明顯，14～28d滲透曲線降低減緩，7d～14d～28d養護時間的滲透系數與養護時間呈對數函數關系，3孔相關系數R2分別為0.952、0.991、0.957，滲透系數與養護時間呈良好的函數關系。分析各孔相同養護時間滲透系數可知，各孔相同養護時間的滲透系數相差較小，差值最大1.04×10-7cm/s。不同養護時間的粉砂水泥土滲透系數比例關系k7∶k14∶k28=1.101∶1.055∶1.000。

隨著養護時間的增加，堿渣污染粉質黏土水泥土滲透系數均呈10-7cm/s數量級，7d～14d滲透曲線降低非常明顯，14～28d滲透曲線降低極度減緩，7d～14d～28d養護時間的滲透系數與養護時間大致呈對數函數關系，3孔相關系數R2分別為0.952、0.991、0.957，滲透系數與養護時間呈良好的函數關系。分析各孔相同養護時間的滲透系數可知，各孔相同養護時間滲透系數相差較小，差值最大1.49×10-7cm/s。不同養護時間的粉質黏土水泥土滲透系數比例關系k7∶k14∶k28=1.164∶1.053∶1.000。

28d養護時間的粉土水泥土、粉砂水泥土、粉質黏土水泥土的滲透系數比例關系為

k28，粉土水泥土∶k28，粉砂水泥土∶k28，粉質黏土水泥土

=1.000∶2.409∶1.989

粉土水泥土的滲透系數最小，粉砂水泥土滲透系數是粉土水泥土滲透性的2.409倍，粉質黏土水泥土滲透系數是粉土水泥土滲透性的1.989倍，粉砂水泥土的滲透系數是粉質黏土水泥土滲透性的1.211倍。

一般情況下，粉土、粉砂與粉質黏土三種土中，粉質黏土的滲透性最小，粉砂的滲透性最大，粉土滲透性介于二者之間。陶高粱等[14]認為土體孔隙通道由不同數量級尺度的孔隙組成，孔隙通道尺度越小，相應滲透系數越小，滲透系數與孔隙通道尺度的平方成正比。普通硅酸鹽水泥中硫酸鈣含量極低，堿渣除含有大量的氯離子外，還含有一定數量的鈣離子、硫酸根離子，受堿渣污染后，粉土水泥土相較于粉砂水泥土與粉質黏土水泥土，含有更多的鈣離子、硫酸根離子，它和鋁酸三鈣與水發生反應

3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

該反應能把大量的自由水以結晶水的形式固定下來，同時，水泥水化產物中游離的氫氧化鈣與水中二氧化碳及堿渣中的碳酸根離子、重碳酸根離子發生碳酸化反應，生成不溶于水的碳酸鈣，使粉土水泥土試塊中的孔隙通道數量及尺度低于粉砂水泥土與粉質黏土水泥土試塊中的數量及尺度，從而使粉土水泥土的滲透性低于粉砂水泥土與粉質黏土水泥土。

3 結論

本文通過對堿渣污染的粉土水泥土、粉砂水泥土與粉質黏土水泥土三類土進行研究，得到結論如下：

(1)無側限抗壓強度隨養護時間的增加而增大，7～14d強度增長較快，14～28d強度增長逐漸減緩，無側限抗壓強度與養護時間呈冪函數關系，28d養護時間的三者比例關系1.000∶0.764∶0.910。

(2)7～14d滲透性降低明顯，14～28d滲透性降低減緩，滲透性與養護時間呈對數函數關系，28d養護時間的滲透系數均呈10-7cm/s數量級，三者比例關系1.000∶2.409∶1.989。

本次水泥摻量單一，在后序的研究中可用多種摻量與不同種類的水泥，采用X射線衍射(XRD)試驗、掃描電鏡(SEM)試驗、能譜(EDS)分析等多種試驗方法研究水泥土的無側限抗壓強度與滲透性變化規律。