高掺量粉煤灰淤泥固化土无侧限抗压强度试验研究.pdf

晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂0引言淤泥具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、承载力低、蠕变性和触变性明显等特点，在工程建设中难以作为天然地基等材料使用。大量的工程淤泥如不妥善处理，会造成环境污染、资源浪费等问题1-2。淤泥固化稳定技术是常见的处理手段，国内外许多学者针对该项技术开展了一系列深入研究。徐日庆等3以二灰为主固化剂研究了固化淤泥的强度随含水量、龄期变化的变化规律。王东星等4-5深入探索了固化淤泥的抗压强度、化学成分等特征随活性 MgO-粉煤灰掺量、养护龄期多种因素的演变规律。Xiao 等6-7研究了水泥固化淤泥的力学性能随水泥掺量、养护龄期、含水量等因素的变化规律。谈云志等8开展了偏高岭土、石灰掺量和养护龄期对水泥固化淤泥耐久性影响的室内试验研究。何俊等9利用工业固体废弃物碱渣和矿渣作为固化剂，水玻璃作为激发剂，对高掺量粉煤灰淤泥固化土无侧限抗压强度试验研究程强强1，2，3，姚越1，崔胥阳4，阴琪翔1，3（1援江苏建筑职业技术学院 建筑建造学院，江苏 徐州221116；2.江苏省现代建筑工业化技术工程实验室，江苏 徐州221116；3援徐州市新型建筑工业化与信息化工程研究中心，江苏 徐州221116；4.江苏建筑职业技术学院 建筑智能学院，江苏 徐州221116）摘要：为实现固废粉煤灰改性淤泥资源化利用，通过无侧限抗压强度试验研究了粉煤灰掺量、养护龄期对淤泥固化土力学性能的影响。结果表明，随粉煤灰掺量的增加、养护龄期的延长，淤泥固化土的抗压强度和变形模量均有不同程度的提高；在高掺量粉煤灰条件下，粉煤灰早期火山灰效应和水化效应对淤泥固化土的强度提升不明显，34.5%高掺量粉煤灰、90 d 长养护龄期条件下强度增幅最显著。关键词：高掺量粉煤灰；固化淤泥；无侧限抗压强度；应力-应变关系中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）10-0117-04Experimental study on unconfined compressive strength of sludge solidified soil with high volume fly ashCHENG Qiangqiang1，2，3，YAO Yue1，CUI Xuyang4，YIN Qixiang1，3（1.School of Architectural Construction，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China；2.Jiangsu Modern Building Industrialization Technology Engineering Laboratory，Xuzhou 221116，China；3.Xuzhou New Building Industrialization and Information Engineering Research Center，Xuzhou 221116，China；4.Institute of Building Intelligence，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China）Abstract：In order to achieve the resource utilization of fly ash modified sludge，the mechanical properties of solidified sludgesoil under the influence of fly ash content and curing time were studied through unconfined compressive strength tests.The experi原mental results show that the compressive strength and deformation modulus of solidified sludge soil increase to different levels withthe increasing of fly ash content and the increasing of curing age.In the case of high-volume fly ash，the volcanic ash effect andhydration effect in the early curing time of fly ash do not significantly increase the strength of solidified sludge soil.The uncon原fined compressive strength increases the most significant under the condition of 34.5%high content fly ash and long curing periodof 90 days.Key words：high volume fly ash，solidified sludge soil，unconfined compressive strength，stress-strain relation基金项目：江苏省高校优秀中青年骨干教师赴境外研修项目（2022 3-16-829 号）；江苏省高等学校自然科学研究重大项目（22KJA560001）；徐州市社会发展重点研发计划项目（KC20199）收稿日期：2022-12-29；修订日期：2023-09-05作者简历：程强强，男，1987 年生，博士，副教授，主要从事软基改良、固废资源化利用，E-mail：chengqiang_。中国科技核心期刊117新型建筑材料圆园23援10高含水率疏浚淤泥的无侧限抗压强度随龄期变化进行了试验研究。我国是产煤大国，目前仍使用煤炭作为电力生产基本燃料。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国粉煤灰总量呈逐年增加趋势：1995年约为 1.25 亿 t，2000 年约为 1.5 亿 t，2010 年约为 3 亿 t，2015 年约为 6.2 亿 t，2017 年达 6.86 亿 t，预计在未来仍会保持增长的趋势，到 2024 年将达到 9.25 亿 t10。如此规模且不断增长的粉煤灰如不妥善处理，会污染环境甚至会危害人体和生物。与发达国家相比，我国粉煤灰综合利用率还较低，这给国民经济建设及生态环境保护造成巨大的压力。在传统的水泥、二灰固化淤泥的基础上，开发高掺量粉煤灰淤泥固化土，减少普通硅酸盐水泥用量，有利于降低生产成本、改善生态环境。本文以不同粉煤灰掺量、养护龄期为影响因素，重点研究高掺量粉煤灰条件下淤泥固化土的无侧限抗压强度、变形模量及破坏模式，以期为固废粉煤灰、淤泥的资源化利用提供新的路径，同时为淤泥固化工程实践降低成本提供参考。1试验1.1试验材料淤泥：新加坡某地铁车站工程，其基本物理性质如表 1 所示。现场挖取海相淤泥时可见较明显的贝壳、碎石等杂物，将挖取的淤泥样本放入 PVC 塑料桶运输至实验室备用。表 1淤泥的物理性质固化材料：CEM II/B-V 型复合水泥，其物理力学性能如表 2 所示。CEM II/B-V 型复合水泥中普通硅酸盐水泥占比65.5豫，粉煤灰质量占比 34.5豫。复合水泥的主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和 CaO。表 2复合水泥的物理力学性能1.2试验方法本试验以粉煤灰掺量和养护龄期为变量，重点研究不同掺量粉煤灰对淤泥固化土无侧限抗压强度的影响。BSEN197-1：2000 规定粉煤灰复合水泥中水泥质量占比为 65豫79豫，粉煤灰质量占比最大为 35%11。试验配合比为 m（淤泥）颐m（粉煤灰）颐m（普通硅酸盐水泥）颐m（水）=5颐0.345颐0.655颐6、2颐0.345颐0.655颐3、1颐0.345颐0.655颐2；对应粉煤灰掺量分别为6.9%、17.25%、34.5%，养护龄期分别为 7、14、28、90 d。依据文献12-13中海相淤泥的重塑和三轴试样制备方法，首先对海相淤泥重塑，然后按照粉煤灰掺量分别为 6.9%、17.25%、34.5%，制备直径为 50 mm、高度为 100 mm 的圆柱体试样，试样成型后在去离子水中标准养护 7、14、28、90 d 进行试验。采用 Wykeham Farrance 三轴试验设备，无侧限抗压强度采用恒定加载速率 1 mm/min，每组 3 个试样。2结果与分析2.1各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土的强度各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土无侧限抗压强度试验的应力-应变曲线如图 1 所示。安定性烧失量/%凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝3 d3 d28 d合格1.31502404.87.224.043.0终凝28 d相对密度液限/%塑限/%塑性指数海相黏土（d约4）淤泥（4d62.5）细砂（62.5d250）2.773324125.2066.088.72颗粒（滋m）成分占比/%图 1各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土的应力-应变曲线从图 1 可以看出：（1）粉煤灰掺量为 6.9%时，14 d 养护龄期的强度是 7 d的 1.2 倍，28 d 养护龄期的强度是 14 d 的 1.9 倍，90 d 养护龄期的强度是 28 d 的 1.5 倍。粉煤灰掺量为 17.25%时，14 d 养护龄期的强度是 7 d 的 1.5 倍，28 d 养护龄期的强度是 14 d的 1.2 倍，90 d 养护龄期的强度是 28 d 的 2.1 倍。粉煤灰掺量程强强，等：高掺量粉煤灰淤泥固化土无侧限抗压强度试验研究118晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂为 34.5%时，14 d 养护龄期的强度是 7 d 的 1.4 倍，28 d 养护龄期的强度是 14 d 的 1.4 倍，90 d 养护龄期的强度是 28 d 的2.0 倍。（2）7 d 养护龄期时，17.25%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是 6.9%掺量时的 2.0 倍，34.5%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是 17.25%掺量时的 2.1 倍。14 d 养护龄期时，17.25%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是 6.9%掺量时的 3.0 倍，34.5%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是 17.25%掺量时的 2.0 倍。28 d 养护龄期时，17.25%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是6.9%掺量时的 1.9 倍，34.5%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是17.25%掺量时的 2.2 倍。90 d 养护龄期时，17.25%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是 6.9%掺量时的 3.0 倍，34.5%粉煤灰掺量淤泥固化土的强度是 17.25%掺量时的 2.2 倍。（3）随着粉煤灰掺量的增加、养护龄期的延长，淤泥固化土的无侧限抗压强度提高且表现出相同的增长趋势：养护龄期在 2890 d 时无侧限抗压强度增幅最为显著。主要原因是粉煤灰淤泥固化土中粉煤灰在养护龄期较短时的火山灰作用未充分发挥，养护龄期延长至 2890 d 时，粉煤灰的火山灰活性充分显现，对提高淤泥固化土的强度产生积极作用。（4）无论养护龄期长短，粉煤灰掺量越多，淤泥固化土的无侧限抗压强度越高，且随粉煤灰掺量的倍数增加而倍数增加。直接原因是粉煤灰的填充效应，高掺量粉煤灰填充淤泥固化土的内部细小孔隙，使淤泥固化土的结构致密，强度提高。6.9%低掺量粉煤灰的淤泥固化土峰值强度较低；17.25%中等掺量粉煤灰的淤泥固化土峰值强度较低，但 90 d 养护龄期峰值强度较 28 d 增幅显著；34.5%高掺量粉煤灰的淤泥固化土峰值强度较低掺量粉煤灰增幅明显，90 d 养护龄期较 28 d 增幅显著，28 d 养护龄期内增幅不明显。表明 34.5%高掺量粉煤灰、90 d 长龄期条件下，粉煤灰淤泥固化土的强度改性效果好。2.2淤泥固化土的变形模量各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土的变形模量 E50如图 2 所示。图 2各龄期下不同掺量粉煤灰淤泥固化土的变形模量 E50从图 2 可以看出，对于淤泥固化土，当养护龄期从 7 d 延长至 90 d 时，不同粉煤灰掺量时的变形模量呈现出不同的变化规律。6.9%低掺量、714 d 短龄期时 E50增幅较少；34.5%高掺量、714 d 短龄期时 E50增幅较小，2890 d 长龄期时 E50增幅较大。主要由于粉煤灰的火山灰效应或水化反应短期效应不明显，且掺量少时对淤泥固化土的强度提高效果不佳。2890 d 长龄期粉煤灰的火山灰效应或水化反应作用显现，致使淤泥固化土的骨架结构致密，宏观上表现为淤泥固化土无侧限抗压强度和变形模量 E50提高。2.3淤泥固化土的破坏模式6.9%低掺量、34.5%高掺量粉煤灰淤泥固化土的破坏照片如图 3、图 4 所示。图 36.9%低掺量粉煤灰淤泥固化土的破坏照片图 434.5%高掺量粉煤灰淤泥固化土的破坏照片从图 3、图 4 结合前文分析可以看出：（1）随粉煤灰掺量增加、养护龄期延长，淤泥固化土的强度及刚度提高，7耀90 d 龄期呈现出韧性减小、脆性增大的趋势。（2）粉煤灰掺量为 6.9%时，随龄期的延长强度提高不明显，淤泥固化土的强度较低呈现塑性破坏，说明 6.9%低掺量时无论养护龄期长短，粉煤灰改良淤泥固化土的效果不佳。（3）粉煤灰掺量为 34.5%时，养护龄期 7、14、28、90 d 的淤泥固化土试样强度增幅较大，短龄期 14 d 较 7 d 增幅不明显，长龄期 90 d 较 28 d 增幅最显著，表明高掺量粉煤灰淤泥程强强，等：高掺量粉煤灰淤泥固化土无侧限抗压强度试验研究119新型建筑材料圆园23援10固化土的无侧限抗压强度提高的同时韧性和延展性随之降低。因此，高掺量粉煤灰在长养护龄期条件下，淤泥固化土的改性效果显著，从室内试验研究的角度分析高掺量粉煤灰具有淤泥固化工程应用的可行性。3结论（1）随养护龄期延长，淤泥固化土的无侧限抗压强度随之提高，不同粉煤灰掺量 728 d 龄期强度的增幅不明显，2890d 龄期的强度增幅明显。（2）低掺量粉煤灰淤泥固化土的无侧限抗压强度较低，随龄期增加幅度较小；高掺量粉煤灰淤泥固化土在 2890 d 龄期的强度和变形模量增幅最为显著。粉煤灰早期火山灰效应和水化效应对淤泥固化土的强度特性改善效果不明显，2890 d 龄期改善效果显著。（3）随粉煤灰掺量的增加、养护龄期的延长，淤泥固化土试件破坏由塑性变形向脆性变形转变，7 d 龄期未出现剥落现象，28 d、90 d 龄期出现不同程度的剥落现象。（4）34.5%高掺量粉煤灰淤泥固化土在 90 d 长龄期强度改性效果较好，说明在高掺量长龄期条件下，固废粉煤灰淤泥固化土具有潜在的工程应用前景，这为工业废料粉煤灰用于治理废弃淤泥提供了以废治废的思路。参考文献：1桂跃，余志华，刘海明，等.滇池固化淤泥重塑土的重塑时机及强度恢复特性试验J.吉林大学学报（地球科学版），2014，44（6）：1928-1935.2曹玉鹏，卞夏，邓永锋.高含水率疏浚淤泥新型复合固化材料试验研究J.岩土力学，2011，32（S1）：321-326.3徐日庆，文嘉毅，王旭，等.台州淤泥质土固化特性研究J.湖南大学学报（自然科学版），2019，46（11）：146-153.4王东星，王宏伟.活性 MgO-粉煤灰软土固化材料的孔隙结构与耐久性J.武汉大学学报（工学版），2021，4（5）：401-406.5王东星，王宏伟，邹维列，等.活性 MgO-粉煤灰固化淤泥耐久性研究J.岩土力学，2019，40（12）：4675-4684.6Xiao HW，Lee F.H，Chin 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