堿激發礦渣加固淤泥的物理力學性能與機理

陳林, 李彬,*, 陳勝邦, 徐仰龍, 陶送林, 熊海蓉

(1.青海省有色第一地質勘查院, 西寧 810007; 2.青海省青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室, 西寧 810000; 3.青海省有色第三地質勘查院, 西寧 810000; 4.青海中煤地質工程有限責任公司, 西寧 810000)

城市發展過程中大量堆存的工程渣土造成了較大的土地浪費與環境污染,合理處置淤泥質工程渣土并進行工程再利用是解決固廢圍城問題的關鍵[1]。

淤泥質渣土在工程利用中,存在壓實難、水穩差、承載力弱等不利工程問題,目前已有多種技術來改善淤泥質工程渣土的力學性能,包括壓實和置換(機械方法)和固化(化學方法)[2]。化學固化劑包括但不限于水泥[3-4]、聚合物[5-6]。處理方法通常包括將土體與固化劑混合或用含有活性顆粒(如水泥、樹脂或石灰)的溶液對土體進行注漿。實際應用中,一般選用化學固化方式作為地基、路基等回填材料資源化就地利用[2]。楊和平等[11]采用生石灰固化瀏醴高速公路路床高液限土,承載比大幅提升;莫秋旭等[12]針對液限47.2%、塑限20.6%的紅色高液限土采用水泥改良,摻入水泥比例為7%時,強度大幅提高。然而,傳統固化劑在固化渣土過程中存在水穩性差、耐久性不足的缺陷[13-16],此外渣土中的腐殖酸等有機質會阻礙水泥基材料的水化反應進程并降低后期強度;另一方面石灰、水泥的生產消耗大量不可再生資源,并且其高能耗高碳排放的環境劣勢嚴重限制了其應用。因此,采用固廢替代水泥基材料成了土壤固化劑的發展趨勢。磨細的高爐礦渣(ground granulated blast-furnace slag, GGBS)是煉鐵產生的一種常見的工業固廢,其化學成分與普通硅酸鹽水泥化學成分相似,但環境成本和經濟成本更低,并且在堿激發作用下具有非常高的活性,代替水泥與石灰使用固化工程渣土具有耐干濕交替、抗凍融循環等優點。喬京生等[17]采用不同摻量的GGBS對淤泥質土進行固化處理,固化土的動靜力學性能均獲得較好的效果;何俊[18]等利用堿渣和GGBS作為固化劑對淤泥進行固化處理,深入揭示了該反應系統的固化機理。然而高液限淤泥質工程渣土固化路用性能的綜合評價與機理研究鮮見報道。

綜上所述,采用堿激發GGBS改良淤泥質工程渣土的物理力學性質,符合目前尋找新一代環保材料的需求,以替代或限制巖土工程應用中水泥的應用和生產。因此,現探究不同固化劑摻量對固化土的綜合性能影響規律,采用X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)、掃描電鏡(scanning electron microscopy,SEM)、核磁共振( nuclear magnetic resonance,NMR) 對固化效果進行微觀表征,用分形理論闡述微觀孔隙特征揭示堿激發GGBS固化淤泥質渣土機理。為淤泥質工程渣土的安全消納提供參考,具有較好的應用前景。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥質工程渣土取自武漢東湖開挖工程,依據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)[19]測定工程渣土物理性質指標,如表1所示。該渣土呈黑褐色,黏粒含量高,液限大,塑性指數范圍寬,水敏性較強,根據水電部《土工試驗規程》(SD128-84)土的分類法,該工程渣土定名為高液限淤泥質黏土。試驗所用固化劑為河南某鋼鐵廠S95級商用GGBS,堿激發劑為國藥分析純氫氧化鈣[Ca(OH)2≥AR95%]。

表1 渣土的基本物理性質Table 1 Basic physical properties of muck

取回的淤泥質工程渣土經自然風干,碾碎,除雜,過2 mm篩,篩下物備用,采用激光粒度分析儀測試的粒徑分布如圖1所示。其中,渣土不均系數Cu=3.48,曲率系數Cc=0.91,粒徑分布窄,顆粒細,為級配不良的均勻土。

圖1 渣土和GGBS粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of muck and GGBS

渣土和GGBS的礦物成分分析如圖2所示。渣土中主要礦物為石英,次要礦物為片狀結構的白云母,這是導致渣土遇水易崩解的原因之一。GGBS在20°～40°存在較多非晶相玻璃態物質,具有較高活性,并還有少量的鈣黃長石和鎂硅鈣石。

圖2 渣土與礦粉的礦物組成Fig.2 Mineral composition of muck and GGBS

渣土和GGBS的元素組成如表2所示。組成渣土的主要元素是Si、Al,而GGBS的主要元素組成是Si、Ca。

表2 渣土與GGBS的化學組成Table 3 Chemical composition of bottom ash

1.2 試驗方法

取回的工程渣土經風干,碾碎,除雜,過2 mm篩,篩下物備用。堿激發劑Ca(OH)2摻量依據前期預試驗結果確定,占GGBS的10%時,具有較高的強度。因此,固定堿激發劑比例,通過外摻不同比例的固化劑開展試驗研究,試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案Table 3 Experiment material ratio and number

試樣制備步驟如下:采用水膜遷移法制備所需含水率工程渣土,燜料24 h,直至水膜遷移均勻后開展相關試驗。獲取最優含水率和最大干密度后,通過靜壓一次成型,無側限抗壓強度和柔性壁滲透試驗為φ50 mm×50 mm圓柱體試樣,分別養護7、14、28 d。達所需齡期后取樣開展試驗,試驗方法如下。

擊實試驗利用哈佛輕型擊實儀開展試驗,參照美國實驗標準ASTM D4609-08規程,探討工程渣土添加固化劑后最大干密度與最優含水率的變化規律。采用濟南中正試驗機制造有限公司生產的WDW-100E型萬能試驗機,根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》JTG E51—2009[20]開展無側限抗壓強度(unconfined compressive strength, UCS)試驗,加載速度為0.5 mm/min。柔性壁滲透試驗根據美國實驗標準ASTM D5084 and ASTM D 7100執行,其中圍壓為80 kPa,滲透壓力60 kPa。依據《土壤固化外加劑》(C/T486—2015)[21]對標準養護6 d的試樣浸水24 h[水溫為(20±2) ℃]開展水穩性試驗。強度試驗結束后,收取破壞試樣殘渣,無水乙醇浸泡中止水化反應,真空干燥代表性試樣,開展XRD和SEM試驗分析微觀形貌。利用IPP6.0軟件提取微孔隙數據,使用低場核磁共振儀定量分析微觀結構。需要說明的是,XRD、SEM和核磁共振樣品均為28 d齡期下代表性樣品。

2 結果分析

2.1 固化土的基本物理性質

土體稠度狀態所對應的液塑限反映了土顆粒吸附水多少的能力,加入不同摻量的固化劑后工程渣土的基本物理性質測試結果如圖3所示。結果表明,固化劑摻入增加工程渣土的液塑限和降低塑性指數,這對工程施工是不利的,尤其當固化劑摻量大于10%時,液限超過了50%,不符合路基填料要求,分析固化劑造成的基本物理性質變化的原因可知,相對于土顆粒而言,外摻固化劑吸水性更強,干燥的固化劑顆粒被土體中的水分浸潤,因此稠度狀態改變時需要更多水分,另一方面,一旦固化劑與水接觸,開始發生水化反應,消耗了一部分水,生成的水化產物起到膠凝團聚作用,從而需要更多水分來改變土體的稠度狀態,進而導致了固化土的液塑限增加[22]。此外,由于固化劑的水化反應,生產的水化產物形成膠結,降低了土的可塑性范圍,因此塑性指數降低。擊實曲線對固化渣土的工程應用具有重要的指導意義,如圖3所示,相比較原始工程渣土23.1%的最優含水率而言,固化渣土最優含水率隨摻量先減少后增大,3%的添加量,最優含水率降低至22.3%,隨后隨固化劑摻量增加至29.3%,對應的最大干密度表現為先增大后減少,在10%固化劑的摻量時達到最大為1.79 g/cm3。這是由于在擊實壓密的作用下,固化劑水化消耗掉自由水,在擊實過程中用于潤滑作用的自由水減少,因此最優含水率增加,同時,適當摻量的固化劑摻量水化產物填充孔隙,因此更為密實,但生成的水化產物較多時,其與土顆粒膠結形成團絮結構,承擔了更多擊實功,從而阻礙土體擊實,因此樣品最大干密度降低。

圖3 不同摻量固化土基本物理性質Fig.3 Basic physical properties of solidified soil

2.2 強度特征分析

固化土的力學性質包括無側限抗壓強度(UCS)、CBR以及水穩性與固化劑摻量密切相關,不同齡期下固化渣土的力學性能試驗結果如圖4所示。結果表明,固化劑可改善工程渣土的UCS,并且隨著養護齡期增加而增加,但主要增長發生在14 d養護齡期之前,原始的渣土UCS僅為0.21 MPa,7 d齡期3%摻量的樣品L100G3C10UCS值為0.68 MPa,摻量增加至6%時,即可滿足路基填料要求,強度隨摻量的增加近似線性增加,20%摻量可提升至3.4 MPa。這是由于固化劑的摻入,生成水化產物為工程渣土顆粒的膠結提供了新的膠結方式,從而形成網絡骨架抵抗外力作用[23]。固化劑摻入量越多,骨架結構越完整,從而強度越高。路基填料另一力學性質CBR可以看出,隨著固化劑的摻入,CBR由原來的25%,增加至3%摻量的60.7%,隨后線性增長至20%摻量的302.7%,這說明固化改良工程渣土可以提高其抗車轍性。水穩特性是衡量固化效果環境耐久性的重要指標,可以通過水穩系數進行表征,即固化土體水穩強度與同齡期標準養護固化土體強度之比,該系數越大,則水穩性越好,其計算公式為

圖4 不同齡期下各組樣品的力學性質Fig.4 Mechanical property of each sample at different ages

(1)

式(1)中:γw為水穩系數,%;Rw為標準養護6 d浸水1 d試樣的無側限抗壓強度,MPa;R0為標準養護7 d試樣的無側限抗壓強度,MPa。

水穩性結果可以看出,需要添加10%摻量,固化體才能滿足《土壤固化外加劑》(CJ/T486)[21],7 d水穩系數γw≥80%的要求。力學性質分析可知,堿激發GGBS固化淤泥質工程渣土的最優摻量為10%。

2.3 滲透性分析

工程渣土的滲透性反映其密實程度和孔隙連通性[24],滲透性越大,耐久性越差,28 d齡期不同固化劑摻量工程渣土固化體的滲透系數變化規律如圖5所示。原始渣土的滲透系數較高,為8.3×10-6cm/s,固化劑水化產物填充了可滲透孔隙,降低了孔隙連通性,因此,滲透系數隨固化劑摻量的增大而減少。可以看出,固化劑摻量需要達到10%時,方可將滲透系數降低至10-7cm/s量級以下,此時固化體屬于一種良好的抗滲材料,具有較好的耐久性能。

圖5 固化渣土的滲透性Fig.5 Permeability of solidified muck

2.4 微觀表征分析

Ca(OH)2堿激發GGBS發生水化反應固化渣土的機理可以解釋為:GGBS中的氧化硅、氧化鈣、氧化鋁等組成的玻璃體結構,在Ca(OH)2的堿性環境下活性被激發,玻璃體中的-Si-O-Si-溶解,生成硅酸和-Si-O-,之后-Si-O-會再次聚合形成水化硅酸物,再次聚合形成最終水化產物[17-18],而這些水化產物與土顆粒之間能夠相互膠結,從而為工程渣土提供骨架,提高強度。XRD分析結果如圖6所示。主要的水化產物為部分鈉同晶替代的水合硅鋁酸鈣(N,C)-A-S-H以及少量的鈣礬石Aft。

圖6 10%摻量固化劑養護28 d固化渣土XRD圖譜Fig.6 XRD spectrum of 28 day with 10% curing agent

原始渣土和28 d養護齡期的固化渣土SEM分析結果如圖7所示。當顆粒較細時,原始渣土顆粒趨于團粒,存在較多孔隙,且吸附水較多較難壓密,因此強度低,耐水性差;在M100G10C10樣品中,水化產物(N,C)-A-S-H膠凝體系附著在黏土礦物表面且明顯可見,水化產物形成完整的相互鏈接的網絡骨架,包裹了較多的顆粒,因此,可提供較高的強度。并且可以看出完整的骨架結構耐水侵蝕能力強,密實的基質連通性的孔隙結構較少,滲透系數降低。

圖7 微觀形貌Fig.7 Micromorphology

為進一步定量分析固化前后渣土的孔隙特征,根據核磁共振(NMR)弛豫時間T2的分布特征反演出土體中的孔隙尺寸。依據土顆粒孔隙分類方法[25],將微觀孔隙劃分為:微孔隙、小孔隙、中孔隙和大孔隙,可以看出,渣土的孔隙以中孔隙為主,小孔隙和微孔隙較少。如圖8所示,摻加固化劑后,孔隙分布曲線的中間波峰峰值降低且向左移動,中孔隙被填充,孔隙數量減少。與工程渣土相比,10%固化劑摻量養護28 d,中孔隙分別從33.0%減少至18.3%,減少了14.7%。根據孔隙結構的變化,可以看出,孔隙的減少,固化劑改變土顆粒間的接觸和排列方式,促進土顆粒團聚,提高了工程渣土的密實程度[26],因此,滲透系數降低,強度和水穩性增加。

圖8 孔徑分布曲線Fig.8 Pore-size distribution curves

分形理論可以較好描述微觀結構的變化規律,為進一步討論孔隙形態的分布規律,本文研究利用微孔隙分析軟件提取渣土和10%摻量28 d養護齡期固化渣土微觀孔隙等效面積和等效周長等參數,依據分形理論,孔隙分布的分形維數的計算公式為

(2)

式(2)中:P、A分別為孔隙等效周長、等效面積;D為孔隙形態分布分形維數;C為常數。

繪制lnP～lnA雙對數圖[26],如圖9所示。獲取工程渣土的孔隙分布分維數為1.23,加入10%摻量固化劑養護28 d齡期后,分形維數減小為1.06。一般可用分形維數的大小反應孔隙結構的復雜程度,微觀孔隙越不規則,分維數越大[27]。堿激發GGBS能使得土體形成排列緊密、結構復雜程度較小的層狀堆疊結構,從而土體微觀孔隙分布分維數減小。這和SEM結果具有一致性。

圖9 孔隙形態分布分形維數Fig.9 Fractal dimension of pore morphology distribution

3 結論

探討了堿激發GGBS改良淤泥質工程渣土性能與機理,得出如下結論。

(1)固化劑增加了固化土液塑限,降低了塑性指數,最優含水率隨固化劑摻量增加呈現先減少后增大的趨勢,最大干密度與之相反。10%的摻量最大干密度最大為1.79 g/cm3。

(2)摻入固化劑能提高渣土力學性能和水穩性,10%的摻量的固化渣土,強度、CBR、水穩性以及滲透性分別為2.36 MPa、210.7%、81.3%和1.36×10-7cm/s,各項指標均能滿足路基填筑強度要求。

(3)微觀機理表明,固化渣土的主要水化產物為(N,C)-A-S-H以及鈣礬石Aft,固化體主要孔隙數量為中孔隙,10%摻量固化渣土,固化后中孔隙從33.0%減少至18.3%,減少了14.7%,孔隙分布分形維數由1.23減小為1.06。

通過堿激發GGBS固化淤泥質工程渣土,改善了渣土的穩定性,具有較好的應用前景。