仲維華

(中國鐵建港航局集團有限公司總承包分公司,廣東 珠海 519000)

0 引 言

大宗工業(yè)廢渣具有體量大、面積廣、環(huán)境影響突出和利用前景廣闊等特點,是我國深入實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的主要內容和資源化整合利用的核心領域[1]。利用工業(yè)廢渣協(xié)同水泥處理淤泥是一種經(jīng)濟、環(huán)保的解決途徑[2-3],不僅能解決水泥能耗高、污染大和工業(yè)廢渣資源化利用等問題,同時也推動淤泥和工業(yè)廢渣有效利用,對工程建設和社會發(fā)展具有重要意義。

工業(yè)廢渣種類繁多且組分復雜,協(xié)同水泥固化土時的作用機制和效果也有所差異。常見工業(yè)廢渣如高爐礦渣、粉煤灰等具有豐富鋁硅酸鹽的潛在膠凝材料,電石渣、磷石膏等具有主要堿性或酸性的材料,協(xié)同水泥固化時能夠促進水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠或鈣礬石(AFt)產生,從而起到改善土體微觀結構、促進強度發(fā)展的作用[4-6]。Zhang等[7]利用高爐礦渣聯(lián)合水泥固化疏浚淤泥,得到高爐礦渣促進水化凝膠生成,進而有利于固化土強度發(fā)展的結論。Horpibulsuk等[8]通過研究粉煤灰聯(lián)合水泥固化土強度及微觀結構后發(fā)現(xiàn),摻入粉煤灰后水泥土的強度和延性得到極大增強。丁建文等[9]認為水泥-磷石膏雙摻法固化處理高含水率疏浚淤泥時磷石膏最佳摻量隨淤泥初始含水率增大而增大。王子帥等[10]對比工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化土抗硫酸鹽性能后發(fā)現(xiàn)工業(yè)廢渣摻入能夠有效提升固化土抗硫酸鹽侵蝕性能,且提升效果與工業(yè)廢渣組分有關。

壓縮性能是反映土體在外力作用下體積變化的重要指標。對于固化淤泥而言,許多學者就初始含水率、固化劑摻量和養(yǎng)護齡期對壓縮性能影響進行了深入研究。Jiang等[11]探討了水泥用量和養(yǎng)護齡期對水泥固化黏土壓縮性能影響,發(fā)現(xiàn)水泥處理后黏土壓縮指數(shù)大于未處理黏土壓縮指數(shù)。Wang等[12]研究了石灰固化淤泥的一維固結特性,對壓縮指數(shù)、膨脹指數(shù)等關系進行了詳細論述。Suganya等[13]評估了初始含水率和水灰比等參數(shù)對固化土壓縮性能影響,發(fā)現(xiàn)屈服應力前膠結作用和屈服后織物效應控制壓縮性能。孫海超等[14]研究低摻量水泥固化土時發(fā)現(xiàn),隨固結壓力增大固化土孔隙排列逐漸有序,屈服應力隨水泥摻量增加而增大。丁建文等[15]研究固化淤泥的壓縮變形和屈服應力特性,認為固化淤泥壓縮曲線存在明顯結構屈服點,并得出了屈服應力和抗壓強度的定量關系。綜合來看,現(xiàn)有研究對工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化淤泥的壓縮性能研究明顯較少,且預測模型建立存在明顯不足。

本文選用高爐礦渣、粉煤灰和電石渣等工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化淤泥,采用一維固結試驗探究固化土的壓縮性能,通過掃描電鏡測試手段,結合工業(yè)廢渣協(xié)同水泥反應機理,分析工業(yè)廢渣摻量和養(yǎng)護齡期等因素對固化淤泥的壓縮性能的影響,探究屈服應力、屈服前后壓縮指數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律,揭示工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化淤泥壓縮特性的內在機制。同時,基于有界函數(shù)建立固化淤泥壓縮量預測模型,為工程建設和后續(xù)研究提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥土取自廣東省珠海市洪灣港北片區(qū)填筑及市政基礎設施工程項目,基本物理性質如表1所示,顆粒級配曲線如圖1所示。試驗結果表明,該淤泥土初始含水率56.9%,液限53.6%,塑限28.3%,塑性指數(shù)25.3。

圖1 淤泥粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of sludge

試驗所用工業(yè)廢渣分別為高爐礦渣、粉煤灰和電石渣,均為市售材料,主要成分如表2所示(LOI為燒失量)。水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。根據(jù)之前研究[10],水泥質量分數(shù)選擇為6%,工業(yè)廢渣摻量為2%、4%、6%和8%。

表2 工業(yè)廢渣和水泥組分Table 2 Components of industrial by-products and cement

1.2 試驗方案

制備試樣前,將淤泥自然烘干、研磨過2 mm篩,隨后將其與固定摻量的水泥和工業(yè)廢渣攪拌均勻后加水至土體最優(yōu)含水率,再次攪拌后以“擊樣法”在最大干密度條件下制備,脫模后以保鮮膜包裹密封,稱重后立即放入恒溫恒濕箱內養(yǎng)護至設計齡期。養(yǎng)護溫度為20±1 ℃,濕度為98%±1%。每組試樣制備2個平行樣。具體配合比方案如表3所示。

表3 試驗方案Table 3 Test plans

研究將采用《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[16]中的快速固結試驗方法,即每級荷載作用時間為1 h,試驗采用YS系列高壓固結儀,加載等級分別為12.5、25、50、100、200、400、800、1 600、3 200、4 000 kPa共10個荷載水平。固結測試后選取試樣中心塊體進行凍干,并手工獲取新鮮斷面后噴金進行掃描電鏡測試,掃描電鏡儀器為Zeiss SIGMA的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM),用以研究固化淤泥土微觀相貌。

2 結果及分析

2.1 工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化土壓縮曲線

初始孔隙比e0是衡量土體初始狀態(tài)結構特征的重要指標,對各固化土試樣的初始孔隙比進行計算。由于各材料間相對密度不同,故混合物相對密度Gm計算時應考慮摻量和種類影響,如式(1)所示[17],即

(1)

式中:GS為淤泥土相對密度;GC為水泥相對密度;GI為工業(yè)廢渣相對密度;RC為水泥摻量;RI為工業(yè)廢渣摻量。

養(yǎng)護過程中由于水泥水化反應等引起試樣的密度ρ和含水率ω發(fā)生變化,試驗前對其再次測定并進行相應修正。根據(jù)土的三相比例指標換算公式,試樣的干密度ρd計算公式和初始孔隙比e0的關系式如下:

(2)

(3)

由此計算出的試樣初始孔隙比e0如表4所示,工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化土的初始孔隙比隨養(yǎng)護齡期的增加沒有明顯變化規(guī)律,這是由于養(yǎng)護過程中水泥的水化和工業(yè)廢渣的火山灰效應等作用引起試樣內部結合水和自由水含量變化,導致試樣初始孔隙比發(fā)生改變,在相同工業(yè)廢渣種類下試樣內的化學反應基本相同。值得注意的是,固化土試樣初始孔隙比隨工業(yè)廢渣摻量的增加表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢,其原因在于工業(yè)廢渣的摻入引起了試樣含水率、干密度和相對密度等的改變。

表4 固化土試樣初始孔隙比e0Table 4 Initial void ratio e0 of solidified soil

圖2為不同工業(yè)廢渣摻量協(xié)同水泥固化土的e-lgp(e為孔隙比,p為固結壓力)曲線。圖2中試樣編號第1部分C代表水泥,數(shù)字代表摻量;第2部分G代表高爐礦渣,F代表粉煤灰,D代表電石渣,后面數(shù)字代表摻量;第3部分代表養(yǎng)護齡期。由圖2可知,工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化土壓縮性能受摻量和齡期影響較大。隨著養(yǎng)護齡期增加,試樣養(yǎng)護曲線陡峭程度隨之降低,表明早期試樣內部水化產物較少,存在較多孔隙結構,承受荷載時的壓縮壓縮量隨之增加;當養(yǎng)護至28 d時,水泥與工業(yè)廢渣協(xié)同反應產生的C-S-H凝膠能夠填充孔隙并提供較強的膠結力,改善孔隙結構和受力方式,增強試樣壓縮性能,表現(xiàn)在相同荷載下試樣孔隙比變化減慢。當工業(yè)廢渣摻量增加時,試樣初始孔隙比降低,壓縮曲線性狀演變規(guī)律基本一致。這是由于工業(yè)廢渣摻入不會引起試樣內部化學反應和生成產物發(fā)生變化,固化土性能保持穩(wěn)定。反之,對比C6-C2-28d、C6-F2-28d和C6-G2-28d試樣發(fā)現(xiàn),在相同豎向荷載下試樣的孔隙比演變規(guī)律存在明顯區(qū)別,這表明不同種類工業(yè)廢渣的摻入引起了試樣中孔隙結構的差異性變化。

圖2 固化土壓縮曲線Fig.2 Compression curves of solidified soil

2.2 摻量和養(yǎng)護齡期對壓縮系數(shù)和屈服應力影響

在固化土壓縮過程中,產生一定的屈服現(xiàn)象,即應力小幅增加,應變急速增長。為描述這種現(xiàn)象,采用Butterfield[18]提出的雙對數(shù)法(ln(1+e)-lgp)確定固化土的屈服應力,如圖3所示。由圖3可知,工業(yè)廢渣摻量增加時,壓縮曲線隨初始孔隙比降低而逐漸下降;試樣屈服前后的斜率出現(xiàn)明顯變化:屈服前壓縮曲線斜率較為平緩,而屈服后的壓縮曲線斜率急速增加,表明固化土試樣中化學膠結形成的受力結構遭到破壞。因此本研究將固化土壓縮性能分為2個部分:當豎向荷載低于屈服應力時,固化土試樣體系中的水化作用及火山灰效應產生的C-S-H凝膠膠結土顆粒起骨架作用,承擔荷載后孔隙比變化呈線性減小;當豎向荷載超過屈服應力時,凝膠提供的膠結作用遭到破壞,土顆粒迅速承受固結壓力,導致固化土孔隙比快速減小,壓縮曲線陡降。

圖3 固化土屈服應力曲線Fig.3 Yield stress curves of solidified soil

由上述分析可以得知,工業(yè)廢渣種類、摻量和養(yǎng)護時間對固化土試樣屈服應力產生重要影響。圖4所示為各因素影響下固化土試樣的屈服應力變化曲線。由圖4可以看出,各固化土試樣28 d屈服應力均>7 d屈服應力,表明養(yǎng)護齡期增加有利于試樣體系中化學反應進行,生成產物發(fā)揮土顆粒間膠結作用明顯,促進土體屈服應力增加;同時,相同齡期下工業(yè)廢渣摻量增加提高了試樣屈服應力。如電石渣摻量增加,試樣28 d屈服應力從2%摻量時的893.9 kPa逐漸增加至8%時1 226.6 kPa,增長率為37.2%;而在粉煤灰和礦渣協(xié)同水泥固化土試樣中,屈服應力表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,說明固化土屈服應力變化受工業(yè)廢渣種類影響。這是由于粉煤灰和礦渣是具有潛在水硬性和火山灰性的材料,在堿性環(huán)境下顆粒溶解發(fā)生地聚合反應生成具有膠結性質的C-S-H凝膠,因此粉煤灰和礦渣協(xié)同水泥固化土性能受水化產物Ca(OH)2含量影響[10]。當固化土體系中堿度不足時,粉煤灰和礦渣未反應顆粒增多,削弱了土顆粒間膠結力,造成屈服應力下降。反之,電石渣主要成分為Ca(OH)2,隨摻量增加提高固化土體系中堿度,有利于黏土礦物火山灰效應進行,促進固化土屈服應力增長。

圖4 不同摻量和齡期下屈服應力變化曲線Fig.4 Curves of yield stress at different content and age of industrial by-products

2.3 壓縮系數(shù)和壓縮量

采用100～200 kPa壓力范圍內的壓縮系數(shù)a1-2表征土體壓縮性能如圖5所示?？傮w而言,所有固化土試樣壓縮系數(shù)均<0.1 MPa-1,屬于低壓縮性土,表明工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化土具有優(yōu)異的壓縮性能;養(yǎng)護齡期對壓縮系數(shù)曲線趨勢影響較小,除部分電石渣協(xié)同水泥固化土外,28 d試樣壓縮系數(shù)均<7 d壓縮系數(shù),說明隨養(yǎng)護齡期增加,固化土壓縮性能逐漸增強;高爐礦渣和粉煤灰協(xié)同固化土壓縮系數(shù)隨著摻量增加表現(xiàn)出先降低后升高的規(guī)律,而電石渣協(xié)同水泥固化土壓縮系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,證明不同工業(yè)廢渣種類能夠引起土體壓縮性能的變化,這也與屈服應力得到的結論一致。對比3種工業(yè)廢渣的壓縮系數(shù)可以發(fā)現(xiàn),在協(xié)同水泥固化土壓縮性能提升方面排序為高爐礦渣>粉煤灰>電石渣。

圖5 不同摻量和齡期下壓縮系數(shù)曲線Fig.5 Curves of compression coefficient at different content and age of industrial by-products

圖6為工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化土的壓縮量-壓力曲線,其變化特征基本一致,呈“S”型趨勢。由圖6(a)可知,在相同豎向荷載下,工業(yè)廢渣摻量變化對壓縮量具有重要影響,隨摻量增加表現(xiàn)出先減小后增加的規(guī)律,這種趨勢與屈服應力和壓縮系數(shù)一致,均由工業(yè)廢渣的加入促進固化土體系中化學反應進程引起。圖6(b)中詳細展示了工業(yè)廢渣種類和養(yǎng)護齡期對固化土壓縮量的影響,經(jīng)分析可知:隨著齡期的增加,固化土試樣的壓縮量隨之減少,即養(yǎng)護時間增加促進了固化土體系中凝膠產生,顆粒間膠結作用明顯提升,荷載作用下壓縮量降低。以C6-C2、C6-G2和C6-F2試樣為例,7 d壓縮量分別為0.80、1.05、0.75 mm,而28 d壓縮量依次為0.63、0.92、0.55 mm,分別降低了21.2%、12.3%、26.6%,這表明工業(yè)廢渣種類同樣引起了固化土壓縮量減小比例的程度差異。

圖6 壓縮量隨粉煤灰摻量和養(yǎng)護齡期的變化Fig.6 Variation curves of compression amount with content of fly ash and curing age

2.4 微觀特征

圖7是工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化淤泥的掃描電鏡圖。從圖7中可以看出,水泥固化土體系中的主要產物為蜂窩狀C-S-H凝膠[10],起膠結土顆粒、受力骨架的作用。在加入工業(yè)廢渣后,固化土體系出現(xiàn)明顯的微觀形貌差異。

圖7 固化土掃描電鏡圖像Fig.7 SEM images of solidified soil

電石渣摻入后提高了體系中堿度,促進C-S-H凝膠生成,同時未反應電石渣主要成分Ca(OH)2呈板狀結構分散土體內部[19],起到改善土顆粒粒徑分布作用,體系中孔隙數(shù)量明顯減少,提升了固化土的壓縮性能,且提升效果隨摻量增大更加優(yōu)異;粉煤灰協(xié)同水泥固化土同樣促進了C-S-H凝膠的生成,較純水泥土而言改善土體微觀結構,對壓縮性能提升起到了促進作用,但體系中堿度較低,部分粉煤灰微珠未能參與堿激發(fā)反應而分散在土顆粒間,其圓滑球形結構減弱了顆粒間膠結力,過多粉煤灰摻量不利于固化土壓縮性能發(fā)展;由于礦渣屬于高活性潛在膠凝材料,在礦渣協(xié)同水泥固化土中可以看出更多的C-S-H凝膠生成,對固化土的孔隙結構改善效果明顯,因此也獲得了優(yōu)異的壓縮性能,但同時受體系中堿度限制,壓縮性能隨礦渣摻量增加而發(fā)生變化。由此看出,工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化土壓縮性能改善原因主要來源于凝膠膠結和顆粒填充作用,且受工業(yè)廢渣組分和摻量影響。

3 壓縮量預測模型建立

土體沉降預測是工程設計和建設中的關鍵部分。對固化土而言,應力-應變關系和邊界條件等易受固化材料、摻量與養(yǎng)護齡期影響,復雜的固結理論很難適用,利用沉降數(shù)據(jù)進行分析處理,得到其經(jīng)驗擬合函數(shù)的方法更具有便宜性和實用性。

通過圖8發(fā)現(xiàn)曲線在壓力范圍內壓縮量呈遞增趨勢,而斜率逐漸變小,表明隨豎向荷載增大,固化土逐漸固結沉降,壓縮量逐漸降低。根據(jù)土顆粒不能被壓縮理論可知,荷載無限大時孔隙比無限減小,壓縮量應當趨于穩(wěn)定有上限,因此利用有界函數(shù)建立壓縮量y和壓力x關系式為

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圖8 壓縮量擬合曲線Fig.8 Fitting curves of compression amount of solidified soil

為了約束y值上限,引入經(jīng)驗常數(shù)a和b,確定預測公式為

(5)

由圖8可以看出,擬合曲線與實際值吻合度較高,同時式(6)—式(9)表明該經(jīng)驗公式擬合結果的決定系數(shù)R2均>0.99,說明擬合效果優(yōu)異。

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(8)

(9)

從表5中可以看出,a、b的值整體上均隨齡期增加而增大(少數(shù)a值減小),說明養(yǎng)護齡期影響固化土壓縮量差異,這也與之前論證一致。同時,隨著摻量增加,a、b值的變化規(guī)律與工業(yè)廢渣種類有關,如粉煤灰中隨摻量增加,a、b值基本逐漸減小,而礦渣中表現(xiàn)先減小后增加的趨勢,究其原因是工業(yè)廢渣引起固化土體系中化學反應變化,導致膠結產物改善孔隙結構能力存在差異。

表5 工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化土擬合系數(shù)Table 5 Fitting coefficient of soil solidified by the combination of cement with industrial by-products

4 結 論

(1)工業(yè)廢渣加入明顯提升了水泥固化土的壓縮性能。隨工業(yè)廢渣摻量和養(yǎng)護齡期增加,固化土孔隙比和壓縮量逐漸減小,固結屈服應力逐漸增大,在協(xié)同水泥固化土壓縮性能提升方面排序為高爐礦渣>粉煤灰>電石渣。

(2)工業(yè)廢渣種類影響摻量對固化土壓縮性能提升規(guī)律。隨摻量增加,電石渣協(xié)同水泥固化土壓縮性能逐漸增大,粉煤灰和高爐礦渣協(xié)同水泥固化土表現(xiàn)出先增加后較小的規(guī)律。

(3)掃描電鏡試驗表明工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化土壓縮性能提升歸因于膠結和填充作用。工業(yè)廢渣摻入促進固化土中凝膠物質增多,孔隙結構得到顯著改善,但過多摻量工業(yè)廢渣不利于固化土壓縮性能發(fā)展。

(4)基于有界函數(shù)建立了壓縮量預測模型,預測結果R2均>0.99,具有良好的效果。擬合系數(shù)a、b與工業(yè)廢渣種類有關,隨養(yǎng)護齡期和摻量增加基本呈減小趨勢(少數(shù)a值除外)。