脫硫灰-水泥固化淤泥強度特性與固化-抽濾聯(lián)合加固應用

姜 赟 侯 爵 陳加富 梅達放 陳斯寧 段寶東 鄧永鋒

(1東南大學交通學院, 南京 211189)

(2江蘇省交通工程建設局, 南京 210004)

淤泥廣泛分布在國內(nèi)各地[1-2],承載能力低,占據(jù)了大量的土地資源,其處理方式備受關(guān)注[3-4].目前,常采用固化/穩(wěn)定的方式處理淤泥.在眾多固化淤泥的無機材料中,水泥應用廣泛并且施工技術(shù)成熟[5],然而過多制造水泥會產(chǎn)生大量CO2和SO2,造成環(huán)境問題,需要開發(fā)一種新型固化材料以減少水泥用量.

中國鋼鐵行業(yè)常采用煙氣脫硫技術(shù)來降低SO2排放,主要包括干法、濕法和半干法3種方法[6-7].其中廣泛使用的旋轉(zhuǎn)噴霧半干法[8-9],在工程實際中會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物脫硫灰,化學成分以CaSO3和Ca(OH)2為主.國內(nèi)每年脫硫灰增量約2×106t,被視為鋼鐵行業(yè)的第三大固體廢物[10-11].如果隨意堆放處理脫硫灰,會導致土地占用和環(huán)境污染,需將其進行資源化利用.提高脫硫灰利用率可以增加經(jīng)濟效益和環(huán)境效益.文獻[12-14]認為CaSO3·1/2H2O可作為水泥的緩凝劑,可應用于水泥熟料和無機膠凝材料的生產(chǎn)中[15],還可以作為結(jié)構(gòu)填充材料、水泥替代品、人工骨料和磚塊[16-17].部分鋼鐵廠設置了氧化反應過程,將脫硫灰中的主要成分亞硫酸鈣CaSO3氧化反應成硫酸鈣CaSO4,即脫硫石膏,從而進行資源化利用.脫硫灰與脫硫石膏具有類似的物理化學性質(zhì),借鑒脫硫石膏的利用模式[18-19],可采用水泥-脫硫灰復合體系對淤泥軟土進行固化,減少水泥用量,提高脫硫灰的利用率.

本文制備了不同水泥和脫硫灰質(zhì)量分數(shù)下固化淤泥的室內(nèi)實驗土樣,進行了液塑限、無側(cè)限抗壓強度、電子顯微鏡(SEM)和能譜分析(EDS)實驗,研究了固化土的物理力學性能.為進一步提高固化土的力學性能、降低固化土中的自由水含量,采用真空抽濾方法進行模型實驗.最后,通過現(xiàn)場實驗對固化與抽濾聯(lián)合加固效果進行了驗證.

1 實驗材料

1.1 土樣

實驗用土樣取自連云港至宿遷高速公路項目中沭陽至宿豫段一處塘底的淤泥.根據(jù)規(guī)范進行現(xiàn)場取樣和室內(nèi)土工實驗,測得土樣的天然含水率為76.75%,液限、塑限和塑性指數(shù)分別為49.6%、26.1%和23.5.土樣pH值為7.38,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為1.81%.土的顆粒分析實驗表明,黏粒、粉粒和砂粒質(zhì)量分數(shù)分別為31.7%、60.0%和8.1%.

1.2 脫硫灰

實驗用脫硫灰由江蘇沙鋼集團提供(制備工藝為旋轉(zhuǎn)噴霧半干法),呈白色粉狀,干燥且顆粒度細膩,pH值約為12.脫硫灰的化學成分由X射線衍射(XRD)和X射線熒光光譜(XRF)確定,其中Ca(OH)2、CaSO3·1/2H2O、CaCO3的質(zhì)量分數(shù)分別為31.2%、65.9%和2.9%.

1.3 水泥

實驗用水泥采用P.O 42.5海螺牌普通硅酸鹽水泥.利用XRD和XRF分析其化學組成,結(jié)果見表1.

表1 P.O 42.5水泥化學成分 %

2 室內(nèi)實驗結(jié)果與分析

2.1 脫硫灰摻入對土樣液塑限的影響

按照干土質(zhì)量的2%、4%、6%、8%摻入脫硫灰,并對改性土進行液塑限測定[20],結(jié)果見表2.表中,ωL、ωP分別為液限和塑限;Ip為塑性指數(shù).由表可知,脫硫灰的摻入會使土樣液限下降.當w(脫硫灰)=8%時,實驗土的液限為42.3%,較不摻脫硫灰時降低7.3%,塑性指數(shù)為15.8,較不摻脫硫灰降低了7.7.通過添加脫硫灰,改良土的液限和塑性指數(shù)均減小,持水能力和黏附性下降,導致土的水穩(wěn)定性增強,有利于工程應用[21-22].

表2 不同w(脫硫灰)時液塑限實驗結(jié)果

2.2 脫硫灰-水泥固化土的強度

將脫硫灰、水泥和水按比例摻入干土中,混合均勻后裝入尺寸為φ50 mm×100 mm的標準模具中,脫模后密封放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護7～28 d.根據(jù)實驗規(guī)程[20],測定不同質(zhì)量分數(shù)和養(yǎng)護齡期下固化土的無側(cè)限抗壓強度.試樣的含水率設置為80%,與天然含水率接近;水泥質(zhì)量設置為干土質(zhì)量的4%～8%;脫硫灰質(zhì)量設置為水泥質(zhì)量的10%～100%.實驗結(jié)果見表3.表中,W為脫硫灰與水泥的質(zhì)量比;Q7、Q14、Q28分別為7、14、28 d固化土強度.

由表3可知,當w(水泥)固定時,隨著脫硫灰與水泥質(zhì)量比的增加,固化土強度先增大后減小.W=20%時,固化土強度出現(xiàn)峰值.適量添加脫硫灰將提高固化土強度,過量添加則會抑制固化土強度的增加.從整個復合固化體系看,試樣C8A1.6的固化土強度最大,即水泥質(zhì)量分數(shù)為8%、脫硫灰與水泥質(zhì)量比為20%時,28 d強度達到最大值0.381 MPa.固化土強度隨水泥質(zhì)量分數(shù)的增加而大幅增加.以試樣C4A0.8、C6A1.2、C8A1.6為例,28 d固化土強度分別為0.080、0.160、0.381 MPa,后兩者較前者分別提高100%和375%.

表3 固化土無側(cè)限抗壓強度的實驗結(jié)果

圖1給出了試樣C4A0.8、C6A1.2、C8A1.6的無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化曲線.由圖可知,養(yǎng)護齡期增加時,不同質(zhì)量配比的固化土強度均大幅提高,但增長趨勢逐步減小.以試樣C8A1.6為例,養(yǎng)護齡期由7 d增加到14 d時,固化土強度由0.163 MPa增長至0.262 MPa,平均增長率為14 kPa/d;養(yǎng)護齡期繼續(xù)增加到28 d時,固化土強度增長至0.381 MPa,平均增長僅為8.5 kPa/d.由此表明,固化土強度增長期主要位于養(yǎng)護前期,14 d后強度增長速度明顯下降.因此,在室內(nèi)實驗環(huán)境以及工程現(xiàn)場對淤泥固化進行處理時,須注重固化土的前期養(yǎng)護.水泥質(zhì)量分數(shù)、脫硫灰質(zhì)量分數(shù)和養(yǎng)護齡期等因素的變化對固化土強度均有顯著影響.固化土強度隨水泥質(zhì)量分數(shù)、養(yǎng)護齡期的增加而逐漸增加.脫硫灰的摻入雖然會提升固化土強度,但存在峰值,過量的脫硫灰則會降低固化土強度.試樣C8A1.6的強度表現(xiàn)效果最優(yōu),其固化劑質(zhì)量配比可用作現(xiàn)場實驗參考.

圖1 不同養(yǎng)護齡期時固化土的無側(cè)限抗壓強度的變化

2.3 SEM和EDS分析

為研究水泥-脫硫灰復合體系下固化淤泥的微觀機制,采用SEM觀測實驗樣品的微觀結(jié)構(gòu),同時對特定位置進行EDS能譜分析掃描,以判斷其物質(zhì)組成.圖2給出了試樣C8A0和C8A1.6養(yǎng)護28 d后的SEM圖像.由圖可知,摻入脫硫灰后,樣品孔隙減少,表面結(jié)構(gòu)更加致密.脫硫灰與水泥中鋁酸鹽礦物反應,產(chǎn)生新的片狀水化產(chǎn)物,其EDS能譜分析結(jié)果見圖3.根據(jù)元素組成,綜合判斷該產(chǎn)物為C—S—H(水化硅酸鈣)和片狀的AFm(單硫型水化硫鋁酸鈣).由此可知,隨著齡期的增長和水化反應的進行,生成了AFm和C—S—H凝膠,成簇生長,顆粒間相互交織,使得孔隙率逐漸降低.脫硫灰和水泥的摻入,從物理化學上提升了固化土的強度.

(a) 試樣C8A0

(b) 試樣C8A1.6

圖3 試樣C8A1.6中水化產(chǎn)物EDS能譜分析圖

綜合液塑限、無側(cè)限抗壓強度實驗和微觀實驗結(jié)果可知,固化土強度隨脫硫灰質(zhì)量分數(shù)的增加先增大后減小.究其原因在于,樣品中摻入水泥后會發(fā)生水化反應,土顆粒間的膠凝程度增加,同時脫硫灰中CaSO3·1/2H2O在堿性環(huán)境與鋁酸鹽礦物發(fā)生反應并生成AFm,進一步膨脹和填充孔隙,使得強度繼續(xù)增大[23-24].脫硫灰中的Ca(OH)2可以提供堿性環(huán)境和Ca2+陽離子,使黏土表面的結(jié)合水膜變薄[25-26],土顆粒的親水性和持水能力下降;然而,當脫硫灰添加過量時,結(jié)合水進一步減少,釋放了過多的自由水,從而導致強度降低[27].

2.4 真空抽濾模型實驗

脫硫灰的存在會使固化土中自由水增多,引入真空抽濾可減少自由水.脫硫灰具有水泥緩凝的作用[12-14],可提升前期抽水效果.因此,本文對固化土進行真空抽濾處理,排出其中的氣體和水分,使試樣壓縮,減小孔隙率,降低自由水含量與水灰質(zhì)量比,從而提高混合料的強度.

取10 kg干土,按照試樣C0A0、C8A0、C8A4、C8A1.6的質(zhì)量配比設置情況,設計實驗土的含水率和固化劑質(zhì)量分數(shù).實驗過程中,對制成的均勻混合料進行密封處理,將專門處理過的水管(土工布阻隔土顆粒)插入固化土中,并與水箱和真空泵形成通路(見圖4),抽水24 h,記錄相關(guān)數(shù)據(jù).抽水完成后,將樣品養(yǎng)護7～28 d,測定其無側(cè)限抗壓強度.

圖4 真空抽濾實驗裝置

抽水量結(jié)果見表4.根據(jù)試樣C0A0和C8A0的結(jié)果可知,水泥的存在使抽水質(zhì)量下降,試樣C8A0較試樣C0A0少抽水1 934.6 g,降低53.4%.然而,加入脫硫灰后,當脫硫灰與水泥質(zhì)量比為20%時,抽水質(zhì)量為3 200.5 g;脫硫灰與水泥質(zhì)量比為50%時,抽水質(zhì)量可達3 357.6 g.由此說明,脫硫灰的存在大幅增加了固化土的抽水量.

表4 真空抽濾實驗結(jié)果 %

真空抽濾后固化土的無側(cè)限抗壓強度實驗結(jié)果見圖5.由圖可知,真空抽濾后固化土強度明顯提升.以7 d齡期樣品為例,試樣C8A0、C8A1.6、C8A4經(jīng)過抽濾后固化土強度分別提高71%、100%和127%.究其原因在于,脫硫灰中的Ca(OH)2會與土顆粒發(fā)生陽離子交換作用,抑制了黏土表面的吸附水膜,增強了滲透效果.另外,脫硫灰作為緩凝劑,減緩了水泥水化速度,提高了真空抽濾效率,進而增加了固化土強度.

圖5 固化土抽濾前后無側(cè)限抗壓強度對比

3 現(xiàn)場實驗

為驗證水泥-脫硫灰復合體系在實際現(xiàn)場的應用效果,依托連宿高速項目中LS-SQ8標的塘底清淤工程,在現(xiàn)場進行淤泥固化實驗,淤泥深度為0.9 m.根據(jù)室內(nèi)實驗中試樣C8A1.6的固化劑質(zhì)量配比情況,設置現(xiàn)場的水泥質(zhì)量分數(shù)和脫硫灰質(zhì)量分數(shù).為便于對比,現(xiàn)場實驗同時設置真空抽濾區(qū)域和就地固化區(qū)域(未抽濾).

施工過程中,抽干塘內(nèi)水,人工清除塘內(nèi)的植物、石塊,對塘內(nèi)進行分區(qū),每塊區(qū)域尺寸約為5 m×5 m,根據(jù)處理深度和面積計算各區(qū)域固化劑的用量(見圖6(a)).通過自動水泥漿配置裝置,按照設計水灰質(zhì)量比,后臺供料系統(tǒng)自動配置固化劑(見圖6(b)).固化劑通過泥漿泵和噴漿管進入攪拌機噴嘴,利用強力攪拌頭正反雙向攪拌葉片切削土體和轉(zhuǎn)動,使固化劑和土體均勻拌和(見圖6(c)).在各區(qū)塊攪拌完成后,對固化區(qū)域使用挖機進行粗整平,然后人工埋設排水板(見圖6(d)).排水板間距設置為0.8 m,真空抽水時間為24 h,真空度控制為-80 kPa.抽水過程中定時進行真空度監(jiān)測,保證抽水穩(wěn)定.抽水完成后對該區(qū)域進行養(yǎng)護.

(a) 塘底分區(qū)

(b) 后臺供料系統(tǒng)

(c) 噴漿攪拌

(d) 真空抽濾并養(yǎng)護

養(yǎng)護過程中,分別在1、3、7、14 d對A、B、C、D四個孔進行輕型動力觸探實驗,結(jié)果見表5.由表可知,真空抽濾區(qū)各深度的貫入擊數(shù)均遠高于未抽濾區(qū)域,抽濾區(qū)3 d的地基承載效果(16～38擊)已達到未抽濾區(qū)域14 d的地基承載效果(20～30擊).0～0.3 m抽濾區(qū)14 d時甚至可達40～80擊,遠高于未抽濾區(qū).淺層地基的固化效果優(yōu)于深層地基.

表5 輕型動力觸探實驗結(jié)果

對現(xiàn)場處理的淤泥地基進行鉆芯取樣,測試無側(cè)限抗壓強度,就地固化處理的7、14、28 d強度分別為0.026、0.039、0.051 MPa,真空抽濾處理的7、14、28 d強度分別為0.052、0.091、0.152 MPa.由此可知,真空抽濾處理的地基強度較未抽濾區(qū)提高2～3倍,但與室內(nèi)實驗結(jié)果相比,強度有所衰減,真空抽濾下28 d強度約為室內(nèi)試樣強度的33%.究其原因在于,現(xiàn)場養(yǎng)護條件、均勻度等指標會對實驗結(jié)果造成較大影響.就加固效果而言,通過真空抽濾工藝,可以進一步提高固化地基的強度,同時不改變固化劑用量.因此,脫硫灰與真空抽濾的聯(lián)合引入,能大幅度提升加固效果,減小水泥用量,實現(xiàn)環(huán)保、經(jīng)濟的社會效益.

4 結(jié)論

1) 脫硫灰可以改善混合土料的界限含水率,抑制黏土親水性.固化土強度隨養(yǎng)護齡期、水泥質(zhì)量分數(shù)的增加而增大,隨脫硫灰質(zhì)量分數(shù)的增加先增大后減小.試樣C8A1.6的無側(cè)限抗壓強度最高.

2) 脫硫灰中的CaSO3·1/2H2O會與鋁酸鹽礦物發(fā)生反應,生成的AFm膨脹并填充孔隙,從而提高了固化土的強度.過量脫硫灰產(chǎn)生的強堿高鈣環(huán)境則會抑制黏土礦物水膜,增加土中自由水含量,導致強度降低.

3) 真空抽濾可減少自由水質(zhì)量分數(shù),提高強度.盡管水泥的摻入會使抽水質(zhì)量降低,但是脫硫灰的添加可以增加自由水并減緩水泥水化,提高抽水質(zhì)量.

4) 受現(xiàn)場攪拌均勻性和養(yǎng)護條件的影響,現(xiàn)場實驗的無側(cè)限抗壓強度較室內(nèi)結(jié)果存在一定程度的折減.但總體而言,脫硫灰與真空抽濾的聯(lián)合引入,能大幅度提升淺層淤泥地基的加固效果,減少水泥用量,具有環(huán)保和經(jīng)濟意義.