姜 赟 侯 爵 陳加富 梅達(dá)放 陳斯寧 段寶東 鄧永鋒

(1東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 211189)

(2江蘇省交通工程建設(shè)局, 南京 210004)

淤泥廣泛分布在國內(nèi)各地[1-2],承載能力低,占據(jù)了大量的土地資源,其處理方式備受關(guān)注[3-4].目前,常采用固化/穩(wěn)定的方式處理淤泥.在眾多固化淤泥的無機(jī)材料中,水泥應(yīng)用廣泛并且施工技術(shù)成熟[5],然而過多制造水泥會產(chǎn)生大量CO2和SO2,造成環(huán)境問題,需要開發(fā)一種新型固化材料以減少水泥用量.

中國鋼鐵行業(yè)常采用煙氣脫硫技術(shù)來降低SO2排放,主要包括干法、濕法和半干法3種方法[6-7].其中廣泛使用的旋轉(zhuǎn)噴霧半干法[8-9],在工程實(shí)際中會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物脫硫灰,化學(xué)成分以CaSO3和Ca(OH)2為主.國內(nèi)每年脫硫灰增量約2×106t,被視為鋼鐵行業(yè)的第三大固體廢物[10-11].如果隨意堆放處理脫硫灰,會導(dǎo)致土地占用和環(huán)境污染,需將其進(jìn)行資源化利用.提高脫硫灰利用率可以增加經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.文獻(xiàn)[12-14]認(rèn)為CaSO3·1/2H2O可作為水泥的緩凝劑,可應(yīng)用于水泥熟料和無機(jī)膠凝材料的生產(chǎn)中[15],還可以作為結(jié)構(gòu)填充材料、水泥替代品、人工骨料和磚塊[16-17].部分鋼鐵廠設(shè)置了氧化反應(yīng)過程,將脫硫灰中的主要成分亞硫酸鈣CaSO3氧化反應(yīng)成硫酸鈣CaSO4,即脫硫石膏,從而進(jìn)行資源化利用.脫硫灰與脫硫石膏具有類似的物理化學(xué)性質(zhì),借鑒脫硫石膏的利用模式[18-19],可采用水泥-脫硫灰復(fù)合體系對淤泥軟土進(jìn)行固化,減少水泥用量,提高脫硫灰的利用率.

本文制備了不同水泥和脫硫灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)下固化淤泥的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)土樣,進(jìn)行了液塑限、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、電子顯微鏡(SEM)和能譜分析(EDS)實(shí)驗(yàn),研究了固化土的物理力學(xué)性能.為進(jìn)一步提高固化土的力學(xué)性能、降低固化土中的自由水含量,采用真空抽濾方法進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn).最后,通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對固化與抽濾聯(lián)合加固效果進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 土樣

實(shí)驗(yàn)用土樣取自連云港至宿遷高速公路項(xiàng)目中沭陽至宿豫段一處塘底的淤泥.根據(jù)規(guī)范進(jìn)行現(xiàn)場取樣和室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn),測得土樣的天然含水率為76.75%,液限、塑限和塑性指數(shù)分別為49.6%、26.1%和23.5.土樣pH值為7.38,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.81%.土的顆粒分析實(shí)驗(yàn)表明,黏粒、粉粒和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為31.7%、60.0%和8.1%.

1.2 脫硫灰

實(shí)驗(yàn)用脫硫灰由江蘇沙鋼集團(tuán)提供(制備工藝為旋轉(zhuǎn)噴霧半干法),呈白色粉狀,干燥且顆粒度細(xì)膩,pH值約為12.脫硫灰的化學(xué)成分由X射線衍射(XRD)和X射線熒光光譜(XRF)確定,其中Ca(OH)2、CaSO3·1/2H2O、CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為31.2%、65.9%和2.9%.

1.3 水泥

實(shí)驗(yàn)用水泥采用P.O 42.5海螺牌普通硅酸鹽水泥.利用XRD和XRF分析其化學(xué)組成,結(jié)果見表1.

表1 P.O 42.5水泥化學(xué)成分 %

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 脫硫灰摻入對土樣液塑限的影響

按照干土質(zhì)量的2%、4%、6%、8%摻入脫硫灰,并對改性土進(jìn)行液塑限測定[20],結(jié)果見表2.表中,ωL、ωP分別為液限和塑限;Ip為塑性指數(shù).由表可知,脫硫灰的摻入會使土樣液限下降.當(dāng)w(脫硫灰)=8%時(shí),實(shí)驗(yàn)土的液限為42.3%,較不摻脫硫灰時(shí)降低7.3%,塑性指數(shù)為15.8,較不摻脫硫灰降低了7.7.通過添加脫硫灰,改良土的液限和塑性指數(shù)均減小,持水能力和黏附性下降,導(dǎo)致土的水穩(wěn)定性增強(qiáng),有利于工程應(yīng)用[21-22].

表2 不同w(脫硫灰)時(shí)液塑限實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 脫硫灰-水泥固化土的強(qiáng)度

將脫硫灰、水泥和水按比例摻入干土中,混合均勻后裝入尺寸為φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)模具中,脫模后密封放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7～28 d.根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)程[20],測定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)齡期下固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.試樣的含水率設(shè)置為80%,與天然含水率接近;水泥質(zhì)量設(shè)置為干土質(zhì)量的4%～8%;脫硫灰質(zhì)量設(shè)置為水泥質(zhì)量的10%～100%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3.表中,W為脫硫灰與水泥的質(zhì)量比;Q7、Q14、Q28分別為7、14、28 d固化土強(qiáng)度.

由表3可知,當(dāng)w(水泥)固定時(shí),隨著脫硫灰與水泥質(zhì)量比的增加,固化土強(qiáng)度先增大后減小.W=20%時(shí),固化土強(qiáng)度出現(xiàn)峰值.適量添加脫硫灰將提高固化土強(qiáng)度,過量添加則會抑制固化土強(qiáng)度的增加.從整個(gè)復(fù)合固化體系看,試樣C8A1.6的固化土強(qiáng)度最大,即水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、脫硫灰與水泥質(zhì)量比為20%時(shí),28 d強(qiáng)度達(dá)到最大值0.381 MPa.固化土強(qiáng)度隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而大幅增加.以試樣C4A0.8、C6A1.2、C8A1.6為例,28 d固化土強(qiáng)度分別為0.080、0.160、0.381 MPa,后兩者較前者分別提高100%和375%.

表3 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1給出了試樣C4A0.8、C6A1.2、C8A1.6的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線.由圖可知,養(yǎng)護(hù)齡期增加時(shí),不同質(zhì)量配比的固化土強(qiáng)度均大幅提高,但增長趨勢逐步減小.以試樣C8A1.6為例,養(yǎng)護(hù)齡期由7 d增加到14 d時(shí),固化土強(qiáng)度由0.163 MPa增長至0.262 MPa,平均增長率為14 kPa/d;養(yǎng)護(hù)齡期繼續(xù)增加到28 d時(shí),固化土強(qiáng)度增長至0.381 MPa,平均增長僅為8.5 kPa/d.由此表明,固化土強(qiáng)度增長期主要位于養(yǎng)護(hù)前期,14 d后強(qiáng)度增長速度明顯下降.因此,在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及工程現(xiàn)場對淤泥固化進(jìn)行處理時(shí),須注重固化土的前期養(yǎng)護(hù).水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、脫硫灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)齡期等因素的變化對固化土強(qiáng)度均有顯著影響.固化土強(qiáng)度隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸增加.脫硫灰的摻入雖然會提升固化土強(qiáng)度,但存在峰值,過量的脫硫灰則會降低固化土強(qiáng)度.試樣C8A1.6的強(qiáng)度表現(xiàn)效果最優(yōu),其固化劑質(zhì)量配比可用作現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)參考.

圖1 不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化

2.3 SEM和EDS分析

為研究水泥-脫硫灰復(fù)合體系下固化淤泥的微觀機(jī)制,采用SEM觀測實(shí)驗(yàn)樣品的微觀結(jié)構(gòu),同時(shí)對特定位置進(jìn)行EDS能譜分析掃描,以判斷其物質(zhì)組成.圖2給出了試樣C8A0和C8A1.6養(yǎng)護(hù)28 d后的SEM圖像.由圖可知,摻入脫硫灰后,樣品孔隙減少,表面結(jié)構(gòu)更加致密.脫硫灰與水泥中鋁酸鹽礦物反應(yīng),產(chǎn)生新的片狀水化產(chǎn)物,其EDS能譜分析結(jié)果見圖3.根據(jù)元素組成,綜合判斷該產(chǎn)物為C—S—H(水化硅酸鈣)和片狀的AFm(單硫型水化硫鋁酸鈣).由此可知,隨著齡期的增長和水化反應(yīng)的進(jìn)行,生成了AFm和C—S—H凝膠,成簇生長,顆粒間相互交織,使得孔隙率逐漸降低.脫硫灰和水泥的摻入,從物理化學(xué)上提升了固化土的強(qiáng)度.

(a) 試樣C8A0

(b) 試樣C8A1.6

圖3 試樣C8A1.6中水化產(chǎn)物EDS能譜分析圖

綜合液塑限、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和微觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,固化土強(qiáng)度隨脫硫灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小.究其原因在于,樣品中摻入水泥后會發(fā)生水化反應(yīng),土顆粒間的膠凝程度增加,同時(shí)脫硫灰中CaSO3·1/2H2O在堿性環(huán)境與鋁酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng)并生成AFm,進(jìn)一步膨脹和填充孔隙,使得強(qiáng)度繼續(xù)增大[23-24].脫硫灰中的Ca(OH)2可以提供堿性環(huán)境和Ca2+陽離子,使黏土表面的結(jié)合水膜變薄[25-26],土顆粒的親水性和持水能力下降;然而,當(dāng)脫硫灰添加過量時(shí),結(jié)合水進(jìn)一步減少,釋放了過多的自由水,從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低[27].

2.4 真空抽濾模型實(shí)驗(yàn)

脫硫灰的存在會使固化土中自由水增多,引入真空抽濾可減少自由水.脫硫灰具有水泥緩凝的作用[12-14],可提升前期抽水效果.因此,本文對固化土進(jìn)行真空抽濾處理,排出其中的氣體和水分,使試樣壓縮,減小孔隙率,降低自由水含量與水灰質(zhì)量比,從而提高混合料的強(qiáng)度.

取10 kg干土,按照試樣C0A0、C8A0、C8A4、C8A1.6的質(zhì)量配比設(shè)置情況,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)土的含水率和固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù).實(shí)驗(yàn)過程中,對制成的均勻混合料進(jìn)行密封處理,將專門處理過的水管(土工布阻隔土顆粒)插入固化土中,并與水箱和真空泵形成通路(見圖4),抽水24 h,記錄相關(guān)數(shù)據(jù).抽水完成后,將樣品養(yǎng)護(hù)7～28 d,測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

圖4 真空抽濾實(shí)驗(yàn)裝置

抽水量結(jié)果見表4.根據(jù)試樣C0A0和C8A0的結(jié)果可知,水泥的存在使抽水質(zhì)量下降,試樣C8A0較試樣C0A0少抽水1 934.6 g,降低53.4%.然而,加入脫硫灰后,當(dāng)脫硫灰與水泥質(zhì)量比為20%時(shí),抽水質(zhì)量為3 200.5 g;脫硫灰與水泥質(zhì)量比為50%時(shí),抽水質(zhì)量可達(dá)3 357.6 g.由此說明,脫硫灰的存在大幅增加了固化土的抽水量.

表4 真空抽濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

真空抽濾后固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5.由圖可知,真空抽濾后固化土強(qiáng)度明顯提升.以7 d齡期樣品為例,試樣C8A0、C8A1.6、C8A4經(jīng)過抽濾后固化土強(qiáng)度分別提高71%、100%和127%.究其原因在于,脫硫灰中的Ca(OH)2會與土顆粒發(fā)生陽離子交換作用,抑制了黏土表面的吸附水膜,增強(qiáng)了滲透效果.另外,脫硫灰作為緩凝劑,減緩了水泥水化速度,提高了真空抽濾效率,進(jìn)而增加了固化土強(qiáng)度.

圖5 固化土抽濾前后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比

3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證水泥-脫硫灰復(fù)合體系在實(shí)際現(xiàn)場的應(yīng)用效果,依托連宿高速項(xiàng)目中LS-SQ8標(biāo)的塘底清淤工程,在現(xiàn)場進(jìn)行淤泥固化實(shí)驗(yàn),淤泥深度為0.9 m.根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中試樣C8A1.6的固化劑質(zhì)量配比情況,設(shè)置現(xiàn)場的水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)和脫硫灰質(zhì)量分?jǐn)?shù).為便于對比,現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)同時(shí)設(shè)置真空抽濾區(qū)域和就地固化區(qū)域(未抽濾).

施工過程中,抽干塘內(nèi)水,人工清除塘內(nèi)的植物、石塊,對塘內(nèi)進(jìn)行分區(qū),每塊區(qū)域尺寸約為5 m×5 m,根據(jù)處理深度和面積計(jì)算各區(qū)域固化劑的用量(見圖6(a)).通過自動水泥漿配置裝置,按照設(shè)計(jì)水灰質(zhì)量比,后臺供料系統(tǒng)自動配置固化劑(見圖6(b)).固化劑通過泥漿泵和噴漿管進(jìn)入攪拌機(jī)噴嘴,利用強(qiáng)力攪拌頭正反雙向攪拌葉片切削土體和轉(zhuǎn)動,使固化劑和土體均勻拌和(見圖6(c)).在各區(qū)塊攪拌完成后,對固化區(qū)域使用挖機(jī)進(jìn)行粗整平,然后人工埋設(shè)排水板(見圖6(d)).排水板間距設(shè)置為0.8 m,真空抽水時(shí)間為24 h,真空度控制為-80 kPa.抽水過程中定時(shí)進(jìn)行真空度監(jiān)測,保證抽水穩(wěn)定.抽水完成后對該區(qū)域進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

(a) 塘底分區(qū)

(b) 后臺供料系統(tǒng)

(c) 噴漿攪拌

(d) 真空抽濾并養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)過程中,分別在1、3、7、14 d對A、B、C、D四個(gè)孔進(jìn)行輕型動力觸探實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表5.由表可知,真空抽濾區(qū)各深度的貫入擊數(shù)均遠(yuǎn)高于未抽濾區(qū)域,抽濾區(qū)3 d的地基承載效果(16～38擊)已達(dá)到未抽濾區(qū)域14 d的地基承載效果(20～30擊).0～0.3 m抽濾區(qū)14 d時(shí)甚至可達(dá)40～80擊,遠(yuǎn)高于未抽濾區(qū).淺層地基的固化效果優(yōu)于深層地基.

表5 輕型動力觸探實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對現(xiàn)場處理的淤泥地基進(jìn)行鉆芯取樣,測試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,就地固化處理的7、14、28 d強(qiáng)度分別為0.026、0.039、0.051 MPa,真空抽濾處理的7、14、28 d強(qiáng)度分別為0.052、0.091、0.152 MPa.由此可知,真空抽濾處理的地基強(qiáng)度較未抽濾區(qū)提高2～3倍,但與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,強(qiáng)度有所衰減,真空抽濾下28 d強(qiáng)度約為室內(nèi)試樣強(qiáng)度的33%.究其原因在于,現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)條件、均勻度等指標(biāo)會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大影響.就加固效果而言,通過真空抽濾工藝,可以進(jìn)一步提高固化地基的強(qiáng)度,同時(shí)不改變固化劑用量.因此,脫硫灰與真空抽濾的聯(lián)合引入,能大幅度提升加固效果,減小水泥用量,實(shí)現(xiàn)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的社會效益.

4 結(jié)論

1) 脫硫灰可以改善混合土料的界限含水率,抑制黏土親水性.固化土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大,隨脫硫灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小.試樣C8A1.6的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高.

2) 脫硫灰中的CaSO3·1/2H2O會與鋁酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng),生成的AFm膨脹并填充孔隙,從而提高了固化土的強(qiáng)度.過量脫硫灰產(chǎn)生的強(qiáng)堿高鈣環(huán)境則會抑制黏土礦物水膜,增加土中自由水含量,導(dǎo)致強(qiáng)度降低.

3) 真空抽濾可減少自由水質(zhì)量分?jǐn)?shù),提高強(qiáng)度.盡管水泥的摻入會使抽水質(zhì)量降低,但是脫硫灰的添加可以增加自由水并減緩水泥水化,提高抽水質(zhì)量.

4) 受現(xiàn)場攪拌均勻性和養(yǎng)護(hù)條件的影響,現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較室內(nèi)結(jié)果存在一定程度的折減.但總體而言,脫硫灰與真空抽濾的聯(lián)合引入,能大幅度提升淺層淤泥地基的加固效果,減少水泥用量,具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)意義.