索崇嫻，郝雅芬，樊珮閣，溫 浩，董曉強(qiáng)

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

水泥土是將軟土與外加劑進(jìn)行混合，經(jīng)物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生凝結(jié)硬化，得到的一種材料強(qiáng)度改善的復(fù)合土[1]。水泥土較混凝土材料而言更加經(jīng)濟(jì)，但在大型工程中水泥用量也比較大，成本偏高，因此許多學(xué)者考慮可以摻其他外加劑，保持材料較好性能的同時(shí)，降低水泥用量。其中，脫硫石膏是一種比較常見(jiàn)的外加劑[2]，主要將其與礦渣[3]和粉煤灰[4]等物質(zhì)進(jìn)行聯(lián)合利用，制備膠凝材料及建筑材料[5-6]。

脫硫石膏(Flue Gas Desulphurization Gypsum,FGD)是燃煤電廠產(chǎn)生的含有大量二水硫酸鈣礦物的廢渣[7-8]，呈現(xiàn)一定黏性[9]。赤泥是制備氧化鋁所產(chǎn)生的工業(yè)廢渣[10]，具有比表面積大、顆粒較小、存在一定潛在活性膠凝物質(zhì)等性質(zhì)，可用作建筑材料[11]及礦山充填劑[12]的制備。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)FGD和赤泥之間存在激發(fā)作用，可聯(lián)合利用進(jìn)行固化劑的制備[13-14]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)FGD和赤泥的利用率都很低，但其產(chǎn)量和儲(chǔ)量卻在逐年上升。因而本文將這兩種固廢物聯(lián)合利用制備復(fù)合水泥土，研究固廢物對(duì)水泥土強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變的復(fù)合影響，以拓寬其在工程中的應(yīng)用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料照片如圖1所示,水泥(圖1 (a))選用42.5#普通硅酸鹽水泥，F(xiàn)GD(圖1(b))取自太原某電廠，土(圖1(c))取自山西太原某建筑工地。經(jīng)檢測(cè)，土粒比重Gs=2.7，液限ωL=25.2%，塑限ωP=15.3%，塑性指數(shù)Ip=9.9，黏粒含量為19.6%，粉粒含量為78.7%，砂粒含量為1.7%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50021—2001(2009版)，可判定為粉土。赤泥(圖1(d))材料為拜耳法赤泥，其塑性指數(shù)Ip=11.9，黏粒含量為59%，粉粒含量為27.3%，砂粒含量為13.7%，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知其具有粉質(zhì)黏土性能。各試驗(yàn)材料主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)材料Fig.1 Materials photos

表1 試驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of materials /%

1.2 試驗(yàn)方法

參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 70—2009，以表2中各方案進(jìn)行固化土的制備(各材料百分比均以干土重量為基準(zhǔn))。各方案中，固廢物總量(FGD+赤泥)和水泥所占土的比例保持不變，兩種固廢物比例發(fā)生改變。將制備好的試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到待測(cè)齡期7 d、14 d、28 d時(shí)，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變、SEM、XRD及pH值的測(cè)定。

表2 方案編號(hào)及試驗(yàn)材料占干土比例Table 2 Test scheme No. and the proportion of materials to dry soil /%

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves

圖2為14 d復(fù)合水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。曲線開(kāi)始呈上凹型，試塊內(nèi)原先存在的細(xì)微裂紋和孔隙在外力作用下不斷被擠壓[15]。隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力不斷上升并達(dá)到峰值。其中，方案6的試塊峰值應(yīng)力最大，較方案1增大約8倍(σ1=1.35 MPa，σ6=10.80 MPa)。同時(shí)，曲線的斜率在逐漸增大，即復(fù)合土的彈性模量在增大。這可能是由于赤泥和FGD顆粒粒徑大小不同，二者對(duì)試塊有充填作用，也可能是二者比例不同使試塊內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)加劇，生成了更多的膠凝材料，導(dǎo)致彈性模量增大。隨應(yīng)變的持續(xù)增加，材料在達(dá)到峰值應(yīng)力后出現(xiàn)應(yīng)力軟化現(xiàn)象。此外，隨著固廢物中脫硫石膏量的增加，復(fù)合土的峰值應(yīng)變有所減小，說(shuō)明材料配比對(duì)復(fù)合水泥土韌性有影響，使材料偏脆性發(fā)展。

圖3為試塊受壓過(guò)程中的裂縫發(fā)展圖。由圖可知，單軸受壓階段，試塊在外力作用下原有的諸多細(xì)小裂隙或孔洞逐漸被壓實(shí)。隨著應(yīng)變的增加，復(fù)合土試塊表面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小裂紋，并逐漸擴(kuò)展成較大的裂縫(如圖3(a))。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線超過(guò)峰值應(yīng)力后，裂紋不斷產(chǎn)生，已存在裂紋迅速發(fā)展并不斷貫通(如圖3(b))，最終導(dǎo)致試塊破壞。

圖3 試塊受壓過(guò)程中的裂縫發(fā)展圖Fig.3 Crack diagram of test block

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨FGD摻量的變化Fig.4 Changes of unconfined compression strength with FGD content

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨FGD摻量的變化

圖4為固廢物總量一定的情況下，固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨FGD摻量的變化曲線。強(qiáng)度曲線呈上升趨勢(shì)，且增幅先大后小。曲線的變化趨勢(shì)以FGD∶赤泥=1∶1為界限，可分為A和B兩個(gè)區(qū)域。A區(qū)為FGD∶赤泥<1∶1，B區(qū)為FGD∶赤泥>1∶1。A區(qū)，試塊強(qiáng)度增大的趨勢(shì)較穩(wěn)定，且增幅較大，強(qiáng)度值從1 MPa增大到約8 MPa；B區(qū)，曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，試塊強(qiáng)度的變化幅度降低。說(shuō)明在FGD與赤泥之間存在較優(yōu)的比例，且FGD占比量的增大會(huì)改善固化土的強(qiáng)度性能。

曲線呈現(xiàn)出A和B兩個(gè)區(qū)域不同的變化趨勢(shì)，可能是由于FGD含量對(duì)生成物鈣礬石的影響所導(dǎo)致的。試塊中的孔隙較大時(shí)，F(xiàn)GD存在的條件下，水泥及赤泥中活性物質(zhì)發(fā)生水化反應(yīng)會(huì)生成細(xì)針狀鈣礬石；當(dāng)FGD的含量逐漸增大時(shí)，鈣礬石的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，形成的鈣礬石逐漸由細(xì)針狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)桿狀，短柱狀和六角柱狀[16]，使得結(jié)構(gòu)更加致密，出現(xiàn)強(qiáng)度增大的趨勢(shì)。但是在FGD添加到一定程度時(shí)，其添加對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度影響程度降低，且赤泥量的減少使得產(chǎn)生鈣礬石的堿性環(huán)境有所變化，因而強(qiáng)度的提高幅度變平緩。

圖5為土和固化土的SEM照片，土中存在很多不規(guī)則的孔隙，而固化土中由于內(nèi)部細(xì)小顆粒和水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)物等對(duì)孔隙進(jìn)行了填充和黏結(jié)，結(jié)構(gòu)密實(shí)度得到提高，強(qiáng)度得到提高。赤泥中的活性物質(zhì)[17]及水泥中物質(zhì)的水化會(huì)產(chǎn)生水化硅酸鈣凝膠、水化鋁酸鈣等膠結(jié)物質(zhì)[18]。赤泥顆粒粒徑較小，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中的孔隙發(fā)揮填充效應(yīng)，F(xiàn)GD的黏性會(huì)使結(jié)構(gòu)整體性提高。此外，在赤泥堿性環(huán)境下[19]，試塊中活性物質(zhì)鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等物質(zhì)會(huì)與CaSO4·2H2O反應(yīng)生成鈣礬石[20]。這些物理化學(xué)反應(yīng)均會(huì)對(duì)試塊的孔隙進(jìn)行填充，使其整體性得到改善，強(qiáng)度提高。

圖5 土與固化土的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of soil and stabilized soil

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

圖6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化Fig.6 Changes of unconfined compression strength with curing age

各方案下，試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化的柱狀圖如圖6所示。當(dāng)FGD∶赤泥<1∶1時(shí)，強(qiáng)度隨著齡期的增大而增大，增加幅度相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)FGD∶赤泥>1∶1時(shí)，試塊的強(qiáng)度在后期有所降低。

圖7為FGD摻量為30%時(shí)固化土的XRD譜，圖7(a)所示為試塊養(yǎng)護(hù)7 d后的礦物成分分析，從圖中可以看到，固化土中有SiO2、CaSO4·2H2O、CaCO3和CaAl2Si2O8·4H2O等物質(zhì)。圖7(b)所示為相同材料配比下28 d固化土的成分分析，與圖7(a)相比，圖中有一些峰值消失，有些峰值處礦物成分有所改變，說(shuō)明齡期對(duì)試塊中礦物成分有影響。

2.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與pH值的關(guān)系

圖8為各齡期每個(gè)配比下相應(yīng)試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與pH值的關(guān)系圖。在區(qū)域A中無(wú)分布的點(diǎn)，區(qū)域B中分布的點(diǎn)最多。區(qū)域A的強(qiáng)度值相對(duì)較小，最大值約為4 MPa，而區(qū)域B中強(qiáng)度值可達(dá)約11 MPa，且區(qū)域B中各點(diǎn)的強(qiáng)度值均相對(duì)較大。

圖7 FGD摻量為30%時(shí)固化土的XRD譜Fig.7 XRD patterns of stabilized soil with 30% FGD

圖8 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與pH值的關(guān)系圖Fig.8 Relationship of unconfined compression strength and pH value

3 結(jié) 論

(1)固廢物復(fù)合水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化型，且其彈性模量隨脫硫石膏與赤泥之間比例的增大而增大，材料抵抗變形的能力在增強(qiáng)。此外，隨FGD的增加，材料偏脆性發(fā)展。

(2)固廢物復(fù)合水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受固廢物比例、養(yǎng)護(hù)齡期和pH值等因素影響，隨著固廢物比例和養(yǎng)護(hù)齡期的增大以及堿性的增強(qiáng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值逐漸增大。其中，pH值的增大會(huì)使試塊中的黏粒含量和析出的膠質(zhì)增多，且堿性對(duì)鈣礬石的生成有利，為材料強(qiáng)度提高起到聯(lián)合作用。

(3)微觀分析和宏觀結(jié)果均表明加入適量比例的FGD和赤泥可改善水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)并顯著提高其強(qiáng)度。因此，可考慮在水泥土中加入這兩種固廢物來(lái)改善其抗壓能力，為工程的安全性及固廢物的利用提供新方案。