矿粉固化淤泥的试验研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 02 月 02 日 作者简介：陈曦（1999），男，通讯作者，汉族，河南新乡人，硕士研究生学历，研究方向为岩土工程。-17-矿粉固化淤泥的试验研究 陈 曦 张长轩 赵 玲 王光增 张 宁 华北水利水电大学，河南 郑州 450046 摘要：摘要：目前，对于水库淤泥的处理方式，经常采用水泥等胶凝材料，来提高淤泥的力学性能作为路基材料。传统的水泥材料消耗大、CO2 排放量高。地聚合物可以作为绿色建筑材料。本文基于地聚合作用，采用矿粉固化淤泥，研究其力学性能及路用性能。通过改变矿粉以及碱激发剂的掺量对固化淤泥进行无侧限抗压强度试验、水稳性试验，来评估其路用性能。根据实验结果，确定了矿粉掺量和碱固比的最佳配比，此时地聚合物的 UCS 最高，达到了 1.7 MPa。并且固化淤泥抗崩解率达到 99%以上，此时具有良好的水稳性，可以作为道路建筑材料使用。试验表明矿粉在碱性环境下，受激发形成不同聚合度的硅铝酸盐聚合物，这些聚合物包裹在淤泥颗粒表面，从而提高了固化淤泥的强度。研究结果为地聚物固化淤泥土工程应用提供了实验基础。关键关键词：词：淤泥；矿粉；无侧限抗压强度；水稳性 中图分类号：中图分类号：TU52 0 引言 淤泥的工程性质差、天然含水率高1。淤泥不能直接作为路基填料使用。在工程上，采用水泥、石灰等对淤泥进行固化提高其承载能力作为道路路基材料2-6。然而，这些传统固化剂生产过程会直接排放出大量 CO2，消耗大量的化石原料，不利于可持续发展7。因此，如果将淤泥和矿粉等工业废料再生资源化利用并将它作为路基等填土材料使用，在降低成本、保护环境的同时，还能够解决道路、桥梁等工程经常遇到的构筑物填筑材料短缺的问题。这些年来，地聚物在岩土体加固领域有着显著的优势，引起学者广泛关注。地聚合物是绿色水泥，由活性硅铝化合物在碱激发作用下生成的无机胶凝材料，粉煤灰、矿粉、赤泥、偏高岭土等均可作为合成地聚合物的原料8。常用的碱激发剂有苛性碱、硅酸盐、碳酸盐 和硫酸盐等9。相比硅酸盐水泥，地聚合 物的 CO2 排放可减少约 70%，并且还有重度轻、耐 久性强、收缩性小、不与集料反应等优点10。这些硅酸盐矿物需要在碱激发剂的作用下，经历地质聚合反应形成的一种具有三维空间网状结构的聚硅铝酸盐胶凝材料11。矿粉是一种有效地参与地质聚合反应的高活性材料。很多学者已经针对固化土的物理属性、力学特性和变形规律等方面开展了对疏浚淤泥固化处理的研究，分析了强度增长机制和影响因素。田亮等12通过矿渣地聚物生成的片晶状水化硅酸钙等胶凝材料对盐渍土进行固化，浸水后的固化土表现出了良好的水稳性。吴俊等13研究了矿渣粉煤灰基地聚物固化淤泥质黏土的力学性能，发现 14d 的无侧限抗压强度可达到 1.5MPa，表明矿渣粉煤灰基地聚物可有效提高固化土的力学性能。Yi 等人14研究发现，NaOH、NaCO3、和 Na2SO4都可以作为碱激发剂激发 GGBS 从而提高土体强度。章培培等15通过对微观构造的观察分析来研究淤泥混合土的强度特性和破坏机理。陈萍等16采用焚烧底灰和疏浚淤泥混合做填土工程材料，30的焚烧底灰掺量和 4水泥掺量 对初始含水率为 5070的疏浚淤泥的固化效果可以满足填土材料的强度要求。然而目前研究中，采用矿粉作固化剂的相关数据很少，以致矿粉在固化处理淤泥理论和工程应用方面缺乏必要的土工参数。为了探究矿粉对淤泥力学性质效果的影响，本文建立了矿粉基地聚合体系，进行了不同配比对淤泥路用性能的可行性研究，最后得到了力学性能良好的地质聚合产物，并在相同试验条件下，与未处理淤泥的力学性能进行对照。本实验以“以废治废”为目的，以紫坪铺水库淤积物为研究对象，通过添加矿粉、硅酸钠等材料，研究了固化淤泥的力学特性、水稳定性，以及用于道路路基填筑的可行性。致力于实现废弃淤泥与工业废弃物双重资源化利用，达到可持续发展的目标。中国科技期刊数据库 工业 A-18-1 试验材料 1.1 淤泥、矿粉和硅酸钠的特性 试验用土选用的是中国四川省成都市紫坪铺水库淤泥。按照规范 公路土工试验规程（JTG3430-2020），将淤泥放在烘箱中进行高温（105）烘干 24h。之后将烘干的土磨碎，用来制备重塑土。对淤泥进行液塑限、颗粒分析、击实等试验。根据试验结果，可以得到，淤泥属于低液限粘土，最佳含水率为 20%，最大干密度为 1.47 g/cm3，如图 1 所示。含水率低于最优含水率时，含水量低，土中的粘粒扩散层不能够充分发展，团粒结构间作用力强，土体很难压密；含水率高于最优含水率时，含水量升高，粘粒扩散层充分发展，粒间作用力减小，击实作用使得团粒被挤压，颗粒趋于定向排列，孔隙比增大，密度减小。图 1 击实曲线 矿粉又称矿渣微粉，或粒化高炉矿渣粉、GGBS 等，是钢铁生产的主要副产品。本试验采用三种等级的矿粉（S95 矿粉、S105 矿粉和 S140 矿粉）进行预实验。S105 矿粉和 S140 矿粉的粒径均小于 0.075mm。由于S140 矿粉在工程中不常用，且价格昂贵，故选取活性较高的 S105 矿粉进行正式试验。矿粉的主要化学成分是 CaO（34.92%）、SiO2（32.56%）、Al2O3（17.11%）和 MgO（11.24%）。S105 矿粉的活性指数在 7 天内不低于 95%，28 天内不低于 105%，比表面积不低于 500 m2/kg。作为一种具有潜在活性的材料，矿粉本身磨细后加水再经过凝结就能产生一定强度，但强度并不高，不足以作为建筑材料使用。要想获得较高强度，必须使用激发剂来激发矿粉的潜在活性。地聚合反应需要碱激发剂的催化。一般说来，凡是在水中能发生碱性反应的碱金属化合物均能作为矿渣的碱性激发剂。在这些碱金属化合物中，由于来源和价格因素，常用的激发剂多是钠的化合物，且以氢氧化钠和硅酸钠最为常用。有研究发现，过高的碱性反而会抑制地聚合反应的发生。因此本试验选用硅酸钠作为碱激发剂。硅酸钠选用天津市科密欧化学试剂有限公司生产的Na2SiO35H2O，其中，Na2O 含量为 28.0%30.0%,Na2O与 SiO2含量之比为 1.030.03，相对分子质量为212.14，为白色粉末状，通过与水配比，完全溶解后进行试验。表 1 原料的化学组成 Chemical Silt(%)GGBS(%)SiO2 58.98 32.56 Al2O3 12.68 17.11 CaO 6.95 34.92 Fe2O3 4.61 0.52 MgO 0.11 11.24 1.2 试样的准备和处理过程 改性淤泥试样的制作和养护根据土工试验规程进行。本研究中制样前测定淤泥的含水率，控制其含水率在 20%左右。试验前将淤泥通过 1mm 网径的振筛，选取粒径小于 1mm 的淤泥进行试样的制作，以保证在试样制作过程中淤泥能够与添加剂混合均匀，反应程度相同，减少因淤泥粒径不统一而造成的误差。加入硅酸钠溶液的试验部分，待硅酸钠水浴至完全溶解且硅酸钠溶液降至常温时与其他材料搅拌。试验中搅拌至各部分材料混合均匀之后开始制样。对固化土进行UCS 试验和水稳性试验，需要制作圆柱体试样。称取相应质量的干土和 GGBS，搅拌均匀后倒入硅酸钠溶液再次搅拌均匀，得到混合土。然后，将混合土均匀地分成 5 份，用静压加载装置将混合土分层填入 39.1 mm 80.0 mm 的标准柱形模具中。每个样品在分层静压加载结束后立即脱模。试样采用密闭养护的方式，将脱模的试样装入密闭袋中。为了减少误差，每组制作三个平行样。将 UCS 试验剩余的试样残块用作抗崩解试验的原料。1.3 试样的测试和方法 1.3.1 无侧限抗压强度试验 进行土体无侧限抗压强度试验需要制备直径 39.1 mm、高度 80.0 mm 的圆柱体试样。试样在室温下自然中国科技期刊数据库 工业 A-19-养护 3 d、7 d、14 d。采用全自动三轴试验机，将 39.1 mm 80.0 mm 的试样放入机器中，使用华勘三轴采集监控软件，设置围压为零，剪停应变为 5.0%，固定剪切速率为 0.5%/min 进行加载。试验结束后，按照公式 1 计算无侧限抗压强度。c=PA （1）式中：c-无侧限单轴抗压强度（MPa）；P-试样破坏时的最大荷载（N）；圆柱体试样的底面面积（mm2）。图 2 无侧限抗压强度曲线 1.3.2 水稳性试验 水稳性衡量路基耐久性的重要指标之一。水稳性试验所用试样制备、养护与无侧限抗压强度试验一致。按照土壤固化剂应用技术标准（CJJ/T286-2018），将一部分试样养护 6 d 的试样放入侧面密封的装置中，底面和顶面分别安放一块透水石，再将整个装置浸入水中 1 d，浸水后状态如图所示，取出沥水 1 h 后进行无侧限抗压强度试验，得到饱水无侧限抗压强度。将另一部分试样养护 7 d 后测试其 7 d 不饱水抗压强度。且每组制备三个平行样。试验结束后，按照公式 2 计算试样的水稳系数。=0 100%（2）式中：-水稳系数（%）-饱水无侧限抗压强度（MPa）0-不饱水无侧限抗压强度（MPa）2 结果与讨论 2.1 无侧限抗压强度试验 固化淤泥无侧限抗压强度随养护龄期的变化如图2 所示。随固化剂掺量的增加，固化淤泥的 UCS 不断提高。当只加入硅酸钠时，试样的 UCS 值略有提高，这说明淤泥土颗粒中含有部分活性的硅铝成分参与了部分化学反应。而当加入矿粉后，固化淤泥的 UCS 显著提高。这说明矿粉能够促进地聚合反应，从而产生更多的胶凝产物，使得强度提高越显著。随着养护龄期的增加，地聚合作用进行得越充分，反应所产生的胶凝物质也就越多，形成新的骨架支撑土体，从而使固化淤泥土的强度不断提高。同时随矿粉掺量的增加，固化淤泥的 UCS 也在不断提高。与纯淤泥样相比，加入矿粉的混合土的无侧限抗压强度明显要高。随矿粉掺量的增加，固化淤泥的无侧限抗压强度值显著提高。这是由于GGBS改变了土壤中硅铝质材料的结构和磨细程度，提高了 Si、Al 单体的溶出程度，进而促进了地质聚合物的形成。2.2 水稳性试验 试样养护 28 d 后，在水中浸泡 1 d、3 d、5 d，测试他们的无侧限抗压强度。从表 2 可以看出，在加入 GGBS 后试样浸水 1 d 的含水率增长最快，此时试样的 UCS 也是下降最快的。在浸水 3 d、5 d 时试样的含水率增长缓慢，试样的 UCS 下降幅度也变得缓慢。在浸水后，随着含水率的增高，UCS 值逐渐下降。在浸泡5 d 后，试样的 UCS 能够保持在 0.8 MPa 以上，仍然能够满足 JTG F20（2015）对于高等级公路路基无侧限抗压强度要求。与纯淤泥组相比，加入 GGBS 和 Na2SiO3后的试样的水稳性显著提高。表 2 水稳性试验结果 Immersion time（d）Moisture content(%)UCS(MPa)0 10.71 3.20 1 34.52 1.20 3 35.13 1.01 5 35.82 0.82 3 结论 本实验的目的是研究固化河道淤泥作为路基填料的可行性。在本研究中，硅酸钠溶液提供碱性环境，少量高活性矿粉作为地质聚合反应的添加剂。根据实验结果，主要结论如下：（1）矿粉可以提高固化淤泥的无侧限抗压强度，并且碱激发剂可以加快地聚合反应的速度。其强度随着龄期延长和外加剂掺量的增加而得到提高。试验中中国科技期刊数据库 工业 A-20-试样的最高强度可以达到 1.7MPa。（2）在地聚物固化淤泥中，随着加入矿粉的试样的水稳性显著提高。地质聚合作用形成的凝胶生成并填充在了土颗粒的孔隙中，这使得淤泥的强度得到很大的提高。参考文献 1丁慧,孙秀丽,刘文化,等.固化疏浚淤泥作路基材料工程特性试验研究J.土木建筑与环境工程,2017,39(2):8.2汤怡新,刘汉龙,朱伟.水泥固化土工程特性试验研究J.岩土工程学报,2000,22(5):549-554.3贾尚华,申向东,解国梁.石灰-水泥复合土增强机制研究Z.4杨爱武,杜东菊,赵瑞斌,等.水泥及其外加剂固化天津海积软土的试验研究J.岩土力学,2007,28(9):5.5 Pourakbar S,Huat B B K.Laboratory-Scale Model of Reinforced Alkali-Activated Agro-Waste for Clayey Soil StabilizationJ.Advances in Civil Engineering Materials,2017,6(1):20160023.6李芳菲,华 渊,刘文化,等.干湿循环条件下水泥固化疏浚淤泥的物理力学特性J.硅酸盐通报.2019,28(2):344-350.7秦川,刘松玉,杜广印,等.淤泥质土的整体碳化固化模型试验研究J.工程地质学报,2019,27(6):9.8Wu Y,Lu B,Bai T,et al.Geopolymer,green alkali activated cementitious material:Synthesis,applications and challengesJ.Construction and Building Materials,2019,224(Nov.10):930-949.9Salimi M,Ghorbani A.Mechanical and compressibility characteristics of a soft clay stabilized by slag-based mixtures and geopolymersJ.Applied Clay Science,1842023-11-03.10 Vu M C,Satomi T,Takahashi H.Influence of initial water,moisture,and 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