李光耀,張 振,葉觀寶,單衛(wèi)良,舒 歡

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系, 上海 200092; 2.上海寶粉材料科技有限公司, 上海 200000;3.金茂蘇皖企業(yè)管理(天津)有限公司, 江蘇 南京 320100)

1 引 言

隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施,在工程領(lǐng)域海底淤泥的處治越來越受到人們的關(guān)注。海底淤泥具有有機(jī)質(zhì)含量高、含水率高、強(qiáng)度低、含鹽量高等特殊土性特性[1-2]。與此同時(shí),海洋環(huán)境與陸域環(huán)境有很大差異,建(構(gòu))筑物長(zhǎng)期暴露在含有污損生物介質(zhì)和腐蝕化學(xué)介質(zhì)的環(huán)境之中[3]。因此,海底淤泥固化土的耐久性問題是工程中普遍關(guān)注的問題。

水泥是最常用的土體固化劑[4-5]。然而大量研究與工程實(shí)踐表明,在特殊環(huán)境中,如干濕循環(huán)、硫酸鹽侵蝕等,水泥基復(fù)合材料在工程應(yīng)用中常因耐久性問題導(dǎo)致強(qiáng)度降低甚至破壞[6-8]。李芳菲等[8]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥摻量較少時(shí),干濕循環(huán)后固化淤泥的屈服應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度都出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Liu等[9]也得到了類似的結(jié)論。徐楊等[10]通過試驗(yàn)指出,水泥加固淤泥應(yīng)對(duì)干濕循環(huán)的耐久性較差。因此,研發(fā)新型固化劑解決海底淤泥固化土的耐久性問題,成為研究的熱點(diǎn)[11-12]。Phetchuay等[13]對(duì)一種基于土工聚合物的碳化鈣渣和粉煤灰的固化劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Zainuddin等[14]和Al-Bared等[15]研究使用瓷磚材料來加固海底淤泥的工程性能。何俊等[16]對(duì)堿渣-鋼渣-電石渣固化淤泥面對(duì)干濕循環(huán)條件的耐久性進(jìn)行了研究。

GS固化劑一種以工業(yè)廢渣為主要原料的新型固化劑,其中煉鋼產(chǎn)生的工業(yè)固廢占比達(dá)到70%以上。程占括等、Ye等研究了GS固化劑加固軟土的力學(xué)特性[17-18]。研究表明,在齡期、摻量均相同的情況下,GS固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥土的1.3～2.1倍,現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)是水泥土的1.8～2.3倍。由于海底淤泥土性和海洋環(huán)境的特殊性,固化土的耐久性問題必須著重考慮。目前針對(duì)GS固化劑加固海底淤泥耐久性的研究鮮有報(bào)道,對(duì)于其微觀機(jī)理層面的分析更是匱乏。

本研究分別利用水泥及GS固化劑對(duì)海底淤泥進(jìn)行加固,通過對(duì)兩種固化土的耐久性進(jìn)行對(duì)比分析,開展相關(guān)研究。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析了兩種固化土在干濕循環(huán)和硫酸鹽浸泡條件下的強(qiáng)度衰減規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,開展背散射衍射(BES)試驗(yàn)及X 射線衍射(XRD)分析,從微觀機(jī)理角度揭示了GS固化劑加固海底淤泥時(shí)的抗侵蝕耐久性原因。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用海底淤泥取自香港某地基處理工程,該淤泥含水量高,呈流塑狀,有機(jī)質(zhì)含量高,硫酸鹽含量高于普通沿海軟土。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取土密封后,運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室開展后續(xù)研究。表1給出了該海底淤泥的主要化學(xué)含量指標(biāo)和基本物理參數(shù)。GS固化劑是一種以工業(yè)固體廢渣為主要原料的新型固化劑,通過混合一定比例的爐渣、鋼渣、粉煤灰、脫硫石膏和水泥及其他添加劑制成。表2 為利用X 射線熒光(XRF)測(cè)試檢測(cè)的GS固化劑化學(xué)成分。試驗(yàn)采用P·O42.5水泥作為對(duì)比參照,表3給出了水泥及GS固化劑的主要性能指標(biāo)。

表3 GS固化劑與水泥性能指標(biāo)Table 3 Performance indices of GS agent and cement

2.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)固化劑摻量定為10%、15%和20%三種,水灰比取1.0,試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為56 d 和90 d。試驗(yàn)所用試樣分別為長(zhǎng)寬高均為50 mm 的立方體(用于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn))以及長(zhǎng)寬高均為10 mm 的立方體(用于BES試驗(yàn))。將試驗(yàn)所用的海底淤泥進(jìn)行風(fēng)干搗碎,分別與不同的固化劑混合,加水?dāng)嚢杈鶆蚝蟮谷肓⒎襟w試模,并振動(dòng)密實(shí)。抹平試模上部沿口,封膜24 h后拆模,養(yǎng)護(hù)至所需齡期。為便于說明,試驗(yàn)組采用GS/CX 進(jìn)行命名區(qū)分,其中GS表示利用GS固化劑進(jìn)行加固,C 表示利用水泥進(jìn)行加固,X 代表固化劑摻量。例如,GS20即為GS固化劑摻量20%的試驗(yàn)組。

將尺寸為50 mm 的立方體試樣養(yǎng)護(hù)至指定齡期后,依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50082-2009)[19]進(jìn)行干濕循環(huán)和硫酸鹽溶液浸泡試驗(yàn)。對(duì)照組將試樣在常溫下放入清水中全浸泡30 d以備后續(xù)實(shí)驗(yàn);干濕循環(huán)時(shí),常溫下將試樣放入清水中浸泡24 h,再取出用干布擦干表面水分,靜置在凈玻璃板上晾干24 h,記作完成1次干濕循環(huán)過程,循環(huán)15次以備后續(xù)試驗(yàn);硫酸鹽溶液浸泡時(shí),將試樣在常溫下放入5%的Na2SO4溶液中全浸泡30 d以備后續(xù)試驗(yàn)。完成上述操作后,便可進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中均勻連續(xù)施加荷載直至試件破壞,加載頭采用應(yīng)力控制,速度為0.15 kN/s。通過計(jì)算試樣的抗蝕系數(shù)分析固化土的耐蝕能力,即干濕循環(huán)或硫酸鹽溶液浸泡后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值。每組6個(gè)試樣,取算術(shù)平均值。

為研究不同固化劑固化土的耐蝕機(jī)理,將尺寸為10 mm 的立方體試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至90 d,再用環(huán)氧樹脂固化樣品,打磨拋光后在高真空條件下進(jìn)行不同固化劑摻量固化土的BES試驗(yàn)。試驗(yàn)采用QUANTA 200型掃描電子顯微鏡(SEM)搭載的背散射電子顯微鏡探頭進(jìn)行。與此同時(shí),對(duì)完成硫酸鹽浸泡試驗(yàn)前后的GS固化土以及水泥土試樣(90 d),利用X射線衍射儀進(jìn)行物相鑒定分析,得到XRD衍射數(shù)據(jù)圖譜。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 干濕循環(huán)

圖1是在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及干濕循環(huán)條件下,不同固化劑摻量固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及耐蝕系數(shù)。從圖可見,齡期為90 d的固化土在干濕循環(huán)后的變化規(guī)律與齡期56 d的類似。在相同的條件下,GS固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥土2.00～2.76倍,耐蝕系數(shù)約為水泥土的1.05～1.10倍。因此,GS固化土對(duì)干濕循環(huán)的加固效果和耐蝕能力要高于水泥土。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),兩種固化土的強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨之增大,這是由于水化反應(yīng)產(chǎn)物隨齡期增長(zhǎng)而增加,進(jìn)而增強(qiáng)固化土顆粒骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,有效地提高固化土對(duì)干濕循環(huán)的抵抗能力。

圖1 干濕循環(huán)及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及耐蝕系數(shù) (a)56 d; (b)90 dFig.1 Unconfined compressive strength and corrosion resistance coefficients under dry-wet cycle and standard curing condition (a) 56 d; (b) 90 d

3.2 耐硫酸鹽浸泡

從圖2可見,兩種齡期的水泥固化土在硫酸鹽浸泡30 d后已完全崩解,無法完成無側(cè)限抗壓試驗(yàn);利用GS固化劑進(jìn)行加固的試件仍比較完整,但產(chǎn)生了一些裂隙以及四周周邊有小塊脫落。圖3是在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及硫酸鹽浸泡條件下,不同固化劑摻量固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及耐蝕系數(shù)。整體可以看出,固化土強(qiáng)度受硫酸鹽溶液的影響明顯,GS固化土的耐硫酸鹽腐蝕性能遠(yuǎn)好于水泥土,其耐蝕系數(shù)為18.6%～71.2%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),GS 固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)提高,即抗硫酸鹽腐蝕性能提升。

圖2 硫酸鹽浸泡30 d后的固化土腐蝕情況(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56 d)Fig.2 Corrosion of stabilized soil after soaking in sulfate for 30 days (standard curing for 56 days)

圖3 硫酸鹽浸泡及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及耐蝕系數(shù) (a)56 d; (b)90 dFig.3 Unconfined compressive strength and corrosion resistance coefficient under sulfate immersion and standard curing conditions (a)56 d; (b)90 d

3.3 BES試驗(yàn)

土體中加入固化劑后,發(fā)生水化反應(yīng)生成凝膠狀的水化硅酸鈣(C-S-H)和Ca(OH)2等水化產(chǎn)物,這些水化產(chǎn)物使土體形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[20]。對(duì)不同固化劑摻量固化土進(jìn)行1 000倍的背散射電鏡圖像(圖4)觀察。根據(jù)物相的灰度值進(jìn)行分相,依次分割出的物相為土中未水化顆粒、水化產(chǎn)物和孔隙相圖像,如圖5所示。從圖可見,不同固化劑固化土具有不同的灰度分布直方圖,即不同的灰度分布模式。GS固化土和水泥土灰度分布的主峰均為水化產(chǎn)物。GS固化土的水化產(chǎn)物含量明顯高與水泥土,孔隙含量相對(duì)較低。水泥土僅有一個(gè)灰度峰值,不同物相識(shí)別之間的灰度界限不清晰。與水泥土不同,GS固化土還有兩個(gè)不太明顯的較小未水化顆粒以及孔隙分布峰。

圖4 固化土BSE圖像 (a)GS10; (b)C10; (c)GS15; (d)C15; (e)GS20; (f)C20Fig.4 BSE image of solidified soil (a)GS10; (b)C10; (c)GS15; (d)C15; (e)GS20; (f)C20

圖5 固化土灰度直方圖Fig.5 Gray histogram of stabilized soil

表4為不同試樣孔隙橫截面的平均面積分?jǐn)?shù)(平均孔隙率)以及平均孔徑, 由Image J軟件基于灰度值累計(jì)分布圖的溢出法[21]進(jìn)行分析得到。由表可知,無論是GS固化劑還是水泥的摻量增加,孔隙率均會(huì)減小。這是因?yàn)閾搅康脑黾邮顾a(chǎn)物增加,水化產(chǎn)物包裹著土體顆粒并填充在土顆粒間,使土顆粒間的孔隙變小和孔隙率降低,水化產(chǎn)物與土體顆粒形成較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié),強(qiáng)度也得到了大幅度提高。

表4 固化土的孔隙指標(biāo)數(shù)值與水化產(chǎn)物比例Table 4 Pore index value and hydration product ratio of stabilized soil

3.4 XRD分析

圖6為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90 d的固化土在硫酸鹽溶液中浸泡30 d前后的XRD圖譜。由圖6(a)、(b)可知,水泥土在經(jīng)過硫酸鹽溶液浸泡之后,石膏和鈣礬石的含量顯著增加。這是由于硫酸根等腐蝕性離子滲入試件之后,與內(nèi)部水化產(chǎn)物反應(yīng),生成了石膏和鈣礬石等一系列產(chǎn)物[22]。這些腐蝕產(chǎn)物具有一定膨脹性,容易引起固化土開裂,同時(shí)加劇侵蝕,最終導(dǎo)致試樣的破壞。

圖6 硫酸鹽浸泡前后固化土XRD衍射圖(a)水泥土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù); (b)水泥土硫酸鹽浸泡; (c)GS固化土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù); (d) GS固化土硫酸鹽浸泡Fig.6 XRD diffraction patterns of stabilized soil before and after sulfate immersion(a) cement stabilized soil under standard curing; (b) cement stabilized soil under sulfate attack; (c) GS stabilized soil under standard curing; (d) GS agent stabilized soil under sulfate attack

由圖6(c)、(d)可知,相比于水泥土,GS固化土經(jīng)硫酸鹽溶液浸泡之后,石膏和鈣礬石的含量雖有所增加但不顯著。這是由于GS固化劑中的爐渣和鋼渣發(fā)生二次水化反應(yīng),消耗了Ca(OH)2,從而減少了石膏和鈣礬石的產(chǎn)生[23]。AL-Dakheeli等[24]同樣發(fā)現(xiàn),含有爐渣的固化劑能夠降低固化土中石膏和鈣礬石的含量。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)開展了GS固化劑加固海底淤泥耐久性及微觀機(jī)理研究,得到主要結(jié)論如下:

1.干濕循環(huán)和硫酸鹽腐蝕均會(huì)導(dǎo)致水泥土和GS固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的衰減,其中硫酸鹽溶液的影響明顯。干濕循環(huán)條件下GS固化土的耐蝕系數(shù)約為水泥土的1.05～1.10倍。硫酸鹽浸泡條件下水泥土發(fā)生崩解,GS固化土的耐蝕系數(shù)為18.6%～71.2%。提高固化劑摻量和增加標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間,有助于提高固化土的耐久性。

2.固化劑固化海底淤泥的主要是通過水化反應(yīng),生成C-S-H 和Ca(OH)2等水化產(chǎn)物包裹和填充于土顆粒之間,從而導(dǎo)致固化土的強(qiáng)度得到顯著提高。在相同條件下,GS固化土的水化程度高,水化產(chǎn)物所占比例大,孔隙率小,平均孔徑更小,結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

3.水泥土以及GS固化土中水化生成的產(chǎn)物基本相同。相比于水泥土,GS 固化土面對(duì)硫酸根等腐蝕性離子時(shí),反應(yīng)生成的石膏和鈣礬石更少,限制了固化土的開裂與破壞,表現(xiàn)出優(yōu)于水泥固化土的耐蝕性。