何 俊,呂曉龍,朱元軍

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430068)

水環(huán)境治理工程和港口建設(shè)會(huì)產(chǎn)生大量疏浚淤泥,其處理和處置問(wèn)題給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力[1-2]。為改善疏浚淤泥的力學(xué)性質(zhì)、提高其工程應(yīng)用價(jià)值,通常采用加入水泥、工業(yè)副產(chǎn)品和廢料等方式對(duì)其進(jìn)行固化處理。礦渣、鋼渣、粉煤灰、廢石膏、電石渣和堿渣等固體廢棄物用作疏浚淤泥的固化劑,可替代高耗能、高排放和高污染的水泥等傳統(tǒng)固化劑,已成為當(dāng)前淤泥固化處理的研究熱點(diǎn)之一[3-6]。

在對(duì)固化疏浚淤泥進(jìn)行工程應(yīng)用時(shí),通常在室溫和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行淤泥基本物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試。環(huán)境溫度是影響土體力學(xué)性質(zhì)的因素之一[7],而在實(shí)際工程中,固化淤泥所處環(huán)境可能與室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境存在較大差異。例如,全球變暖、城市熱島效應(yīng)和季節(jié)氣候變化等造成土體所處環(huán)境溫度與室內(nèi)試驗(yàn)溫度或標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度((20±2)℃)不同;固化劑和淤泥用量大、固化劑水化放熱產(chǎn)生的熱量在土體中聚集也可能導(dǎo)致土體實(shí)際溫度高于環(huán)境溫度[8-9]。因此,養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)固化土性質(zhì)的影響受到許多學(xué)者的關(guān)注。在傳統(tǒng)固化劑方面,Bell[10]通過(guò)對(duì)石灰固化土性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn),養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)強(qiáng)度有顯著影響,當(dāng)溫度高于30℃時(shí)強(qiáng)度急劇提高;Al-Mukhtar等[11-12]對(duì)20℃和50℃養(yǎng)護(hù)溫度下石灰改良膨脹土性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn),養(yǎng)護(hù)溫度升高加速了火山灰反應(yīng),促使改良土強(qiáng)度快速提高;Liu等[13]對(duì)石灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期和養(yǎng)護(hù)溫度與固化軟土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)的關(guān)系進(jìn)行總結(jié),發(fā)現(xiàn)固化土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度急劇升高,二者之間滿(mǎn)足指數(shù)關(guān)系。水泥基材料的水化與養(yǎng)護(hù)溫度密切相關(guān),章榮軍等[9,14]對(duì)不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下水泥固化淤泥的UCS進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)溫度升高可加快化學(xué)反應(yīng)速度,提高火山灰反應(yīng)程度,從而提高水泥固化淤泥的早期和長(zhǎng)期強(qiáng)度,并提出了考慮溫度效應(yīng)的水泥土配合比設(shè)計(jì)方法;陳昌富等[15]發(fā)現(xiàn)不同養(yǎng)護(hù)溫度下水泥土的UCS和變形模量的演化規(guī)律呈指數(shù)函數(shù)形式。在新型固化劑方面,Phetchuay等[16]研究粉煤灰和電石渣基地聚物對(duì)海相軟土強(qiáng)度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),養(yǎng)護(hù)溫度從25℃升高至40℃時(shí)地聚合反應(yīng)增強(qiáng),固化土UCS顯著提升。對(duì)煤系偏高嶺土地聚合物固化淤泥的研究也得到了類(lèi)似的結(jié)論[17],Sabrin等[18-19]以膨潤(rùn)土+氯化鎂+堿激發(fā)劑作為新型固化劑對(duì)粉質(zhì)砂土進(jìn)行固化處理,發(fā)現(xiàn)當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度低于40℃時(shí)達(dá)不到理想固化效果,當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為60℃時(shí)固化土UCS和變形模量達(dá)到最優(yōu);Consoli等[20]用稻殼灰和電石渣作為砂土改良劑,發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)溫度可以加速稻殼灰和電石渣之間的火山灰反應(yīng),23℃養(yǎng)護(hù)28d和40℃養(yǎng)護(hù)7d時(shí)改良砂土的強(qiáng)度接近;王東星等[8]以活性MgO-礦粉和活性MgO-粉煤灰作為黏土固化劑,研究了20、40、60℃養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)固化土UCS的影響,得到考慮高溫效應(yīng)的固化土強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法;He等[21]對(duì)堿渣、礦渣和石灰固化生活污泥用作垃圾填埋場(chǎng)覆蓋材料時(shí)的土工性質(zhì)進(jìn)行了研究,探討了12～60℃養(yǎng)護(hù)溫度條件下固化污泥的UCS、壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)40℃時(shí)固化污泥強(qiáng)度最大、壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)最小。

上述研究表明,石灰和水泥固化土、基于固體廢棄物等新型固化劑的固化土的強(qiáng)度發(fā)展均有顯著的溫度效應(yīng),而強(qiáng)度研究以UCS為主。He等[2]研究發(fā)現(xiàn),堿渣、礦渣、電石渣可作為疏浚淤泥的新型固化劑,具有良好的固化效果,但養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)其性質(zhì)的影響還不清楚。系統(tǒng)研究養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)堿渣-礦渣-電石渣固化淤泥強(qiáng)度性質(zhì)的影響規(guī)律及其機(jī)理,對(duì)于提高堿渣和礦渣等廢棄物的資源化利用率、進(jìn)行固化淤泥的合理設(shè)計(jì)并減少傳統(tǒng)固化劑的用量及其碳排放具有重要意義。本文以堿渣-礦渣-電石渣固化疏浚淤泥為研究對(duì)象,開(kāi)展不同初始含水率、養(yǎng)護(hù)齡期和養(yǎng)護(hù)溫度條件下固化淤泥的UCS、加州承載比(CBR)和三軸壓縮等試驗(yàn),結(jié)合X射線(xiàn)衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等測(cè)試,重點(diǎn)研究養(yǎng)護(hù)溫度(10、20、35、50℃)對(duì)固化淤泥UCS、CBR和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律和機(jī)理,以期為更好地利用堿渣、礦渣等廢棄物進(jìn)行疏浚淤泥固化處理的工程實(shí)踐提供支撐。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用疏浚淤泥取自湖北武漢巡司河,其塑限和液限分別為38.7%和55.0%,按照HJ 761—2015《固體廢物 有機(jī)質(zhì)的測(cè)定 灼燒減量法》測(cè)得其燒失量為9.25%,呈灰黑色流塑狀態(tài)。固化劑由堿渣、礦渣組成,電石渣作為礦渣激發(fā)劑。采用XRD測(cè)試得到原材料礦物成分見(jiàn)圖1。淤泥主要為石英、白云母、伊利石和鈣長(zhǎng)石等;堿渣以碳酸鈣、二水硫酸鈣和氯化鈉為主;礦渣以硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鈣鋁黃長(zhǎng)石為主;電石渣以氫氧化鈣為主,含少量碳酸鈣。

圖1 原材料XRD圖譜

試驗(yàn)時(shí),將疏浚淤泥風(fēng)干、碾碎、過(guò)1mm篩,根據(jù)設(shè)定含水率加水?dāng)嚢?將堿渣、礦渣和電石渣60℃烘干并過(guò)1mm篩,與淤泥一起置于砂漿攪拌機(jī)中攪拌10min至均勻,密封靜置12h后制樣。開(kāi)展的試驗(yàn)主要有UCS試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、XRD和SEM測(cè)試,試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)疏浚淤泥含水率變化較大,試驗(yàn)選取初始含水率為淤泥液限的0.8、1.2、1.8倍。根據(jù)前期試驗(yàn)確定固化劑摻量,選擇兩種不同配比(配比Ⅰ:堿渣、礦渣、電石渣、干淤泥質(zhì)量比為20∶10∶4∶100;配比Ⅱ:堿渣、礦渣、電石渣、干淤泥質(zhì)量比為30∶6∶2.4∶100),其中為更多地消納堿渣,其摻量相對(duì)較大;電石渣設(shè)定為礦渣摻量的40%,以起到較好的激發(fā)效果[3]。結(jié)合工程實(shí)際,考慮10～50℃之間4種養(yǎng)護(hù)溫度。

表1 強(qiáng)度試驗(yàn)方案

具體試驗(yàn)方法如下:

a.UCS試驗(yàn)。采用分層擊實(shí)法在內(nèi)徑為39.1mm、高為80mm的鋼模具中制樣。其中,低、中含水率試樣采用擊實(shí)法制樣,將混合土分3層擊實(shí),擊實(shí)功與標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)相同;高含水率試樣采用振動(dòng)法制樣,將混合土振動(dòng)至表面無(wú)氣泡產(chǎn)生。制備完成后,將試樣連同模具用保鮮膜包裹,放入不同溫度的水浴養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)1d后脫模,然后再以保鮮膜包裹后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期。采自YSH-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀進(jìn)行測(cè)試,變形速率為1mm/min。需要說(shuō)明的是,雖有保鮮膜包裹,但在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中仍有部分水透過(guò)保鮮膜的邊緣進(jìn)入試樣中。

b.CBR試驗(yàn)。采用TDJ-3型多功能電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行輕型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法擊實(shí),擊實(shí)錘質(zhì)量為4.5kg,擊實(shí)筒內(nèi)徑和筒高分別為152mm和166mm。制備完成后將試樣連同擊實(shí)筒一起放入不同溫度的水浴養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期后,參考GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》在承載比測(cè)試儀上進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)配比Ⅰ混合土的輕型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到其最大干密度為1.433g/cm3、最優(yōu)含水率為35.2%,該含水率對(duì)應(yīng)淤泥的初始含水率為47.1%。為與其他強(qiáng)度試驗(yàn)土樣一致,選擇初始含水率為44%的試樣進(jìn)行CBR試驗(yàn)。

c.三軸壓縮試驗(yàn)。采用TSZ系列全自動(dòng)三軸儀,參考GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》開(kāi)展固結(jié)不排水剪試驗(yàn)。試樣制備和養(yǎng)護(hù)方法與UCS試驗(yàn)相同。圍壓選為100、200、300kPa,在不同溫度下養(yǎng)護(hù)28d后,真空抽氣飽和試樣后進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。

d.微觀(guān)測(cè)試。UCS試驗(yàn)完成后取中部小塊試樣,經(jīng)60℃烘干并過(guò)75μm篩后,采用日本理學(xué)公司的X射線(xiàn)衍射儀(MiniFlex600)進(jìn)行XRD測(cè)試,掃描速度為5°/min,掃描范圍5°～75°,用Jade軟件分析礦物成分。UCS試驗(yàn)完成后取中部小塊試樣,凍干并噴金處理后,采用日本日立公司的高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Hitachi SU8010)進(jìn)行SEM測(cè)試,放大倍數(shù)為5000和20000倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 UCS

2.1.1初始含水率和養(yǎng)護(hù)溫度的影響

養(yǎng)護(hù)齡期為28d時(shí),兩種配比固化淤泥UCS與初始含水率w0和養(yǎng)護(hù)溫度T的關(guān)系見(jiàn)圖2?？梢钥闯?隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高,兩種配比試樣的UCS均有所提升。當(dāng)溫度從10℃升高至35℃時(shí),UCS提升幅度較小;從35℃升高至50℃時(shí),UCS大幅提升,其規(guī)律與石灰固化土一致[10]。當(dāng)初始含水率較低時(shí),UCS受溫度的影響更顯著。例如,當(dāng)w0=44%時(shí),配比Ⅰ試樣在T=10、20、35、50℃時(shí)UCS分別為60.8、86.8、205.4、593.8kPa,養(yǎng)護(hù)溫度超過(guò)35℃后UCS顯著提升;當(dāng)w0=99%時(shí),T從10℃升高至50℃時(shí)UCS從21.2kPa增大至122.8kPa。總體來(lái)看,配比Ⅱ試樣比配比Ⅰ試樣強(qiáng)度高,表明增加堿渣摻量有助于提高固化淤泥的強(qiáng)度,尤其是初始含水率較低時(shí)配比Ⅱ試樣強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)更明顯。但當(dāng)溫度從35℃升高至50℃時(shí)配比Ⅰ試樣增幅更明顯。摻入固化劑使混合土含水率降低等物理作用有助于提高固化淤泥強(qiáng)度。低溫時(shí),固化劑與淤泥之間的水化反應(yīng)速度較慢[9],物理作用的效果將相對(duì)明顯,而配比Ⅱ試樣中較大的固化劑總摻量有助于降低混合土含水率,使低溫時(shí)配比Ⅱ試樣的強(qiáng)度大于配比Ⅰ試樣。堿渣和電石渣可激發(fā)礦渣活性,高溫時(shí)水化反應(yīng)的速度和程度都將得到提高[14],而配比Ⅰ中礦渣摻量較高,因此強(qiáng)度得到大幅提升。當(dāng)初始含水率從66%減小至44%時(shí),與配比Ⅰ試樣相比,配比Ⅱ試樣UCS大幅提升。配比Ⅱ試樣中堿渣摻量較高、礦渣摻量較低,XRD測(cè)試發(fā)現(xiàn)含水率為44%時(shí)有大量的二水硫酸鈣沒(méi)有參與反應(yīng)[22],堿渣在固化淤泥中主要起減小含水率、調(diào)節(jié)粒度組成等物理作用,且44%為最優(yōu)含水率附近(配比Ⅰ和Ⅱ試樣的最優(yōu)含水率分別為47.1%和44.6%),擊實(shí)效果更好。因此配比Ⅱ試樣在44%時(shí)UCS大幅提升。

圖2 初始含水率和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)UCS的影響

與石灰固化軟土類(lèi)似[13],固化淤泥強(qiáng)度UCS與養(yǎng)護(hù)溫度T的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)描述,擬合曲線(xiàn)如圖2所示,可見(jiàn)指數(shù)函數(shù)擬合效果良好。養(yǎng)護(hù)溫度為0℃時(shí)的UCS隨初始含水率的增大而減小;當(dāng)初始含水率相同時(shí),配比Ⅱ試樣的UCS大于配比Ⅰ試樣,與前述規(guī)律一致。配比Ⅰ試樣的UCS隨溫度變化更明顯。

以室溫20℃下的UCS為基準(zhǔn),10、35、50℃養(yǎng)護(hù)溫度下的UCS分別為其0.7～1.0倍、1.2～2.4倍,2.4～6.8倍。

2.1.2養(yǎng)護(hù)齡期和養(yǎng)護(hù)溫度的影響

兩種初始含水率和養(yǎng)護(hù)溫度條件下,配比Ⅰ試樣UCS與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系見(jiàn)圖3?？梢钥闯?當(dāng)T=20℃時(shí)試樣UCS隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化較小,w0=99%試樣的UCS均較低(17.7～24.4kPa);當(dāng)T=50℃時(shí)UCS隨齡期變化較大,養(yǎng)護(hù)齡期從14d至60d時(shí)UCS有較大提升,高養(yǎng)護(hù)溫度下低含水率試樣UCS隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化更顯著。例如w0=44%試樣在養(yǎng)護(hù)齡期為14、28、60d時(shí)UCS分別為193.7、593.8、1094.4kPa,強(qiáng)度持續(xù)提高,超過(guò)60d后強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。這表明養(yǎng)護(hù)溫度的升高有助于水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行,持續(xù)提高固化淤泥的強(qiáng)度。

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)UCS的影響

2.2 CBR

CBR是反映路基材料強(qiáng)度和承載能力的重要指標(biāo)。初始含水率為44%時(shí)固化淤泥CBR試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。其中,未浸水試樣在室溫(20±2)℃下實(shí)驗(yàn)室直接養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期。由表2可以看出:①在其他條件相同的情況下,CBR隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大,養(yǎng)護(hù)溫度越高時(shí)養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)CBR的影響越大。例如,養(yǎng)護(hù)溫度為10℃時(shí),養(yǎng)護(hù)齡期為7d和28d試樣CBR分別為11.3%和14.0%,CBR有所增大;在室溫下未浸水試樣養(yǎng)護(hù)7d和28d時(shí),CBR值分別為12.2%和27.9%;養(yǎng)護(hù)溫度為50℃時(shí),養(yǎng)護(hù)齡期為14d和28d試樣CBR值分別為16.6%和38.4%,養(yǎng)護(hù)溫度升高時(shí)CBR隨養(yǎng)護(hù)齡期的增幅更顯著,高溫更有利于固化劑與淤泥之間水化反應(yīng)的進(jìn)行,使得固化淤泥承載能力顯著提高。②養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),CBR受溫度的影響越大。例如,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14d時(shí),養(yǎng)護(hù)溫度為20℃和50℃試樣CBR值分別為15.7%和16.6%,略有增大;當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28d時(shí),養(yǎng)護(hù)溫度為10℃和50℃試樣CBR值分別為14.0%和38.4%,后者為前者的2.74倍。③根據(jù)JTG F10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》,高速公路和一級(jí)公路路基填料CBR最小強(qiáng)度要求為8%,初始含水率為44%的配比Ⅰ試樣在各養(yǎng)護(hù)溫度下的CBR值均滿(mǎn)足要求。

表2 不同養(yǎng)護(hù)齡期和養(yǎng)護(hù)溫度下試樣的CBR

圖4為試樣UCS與CBR的關(guān)系,可以看出,二者有良好的線(xiàn)性正相關(guān)性。另外,未浸水試樣的CBR值較高,其數(shù)據(jù)點(diǎn)位于擬合曲線(xiàn)下方,表明水對(duì)固化淤泥的性質(zhì)有較大影響。

2.3 三軸壓縮強(qiáng)度

固化淤泥固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖5,可以看出:①3種含水率下,T=20℃時(shí)試樣為應(yīng)變硬化型,偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增大而逐漸增大或趨于穩(wěn)定;T=50℃時(shí),試樣為應(yīng)變軟化型,初始含水率越低,峰值應(yīng)力越大,破壞應(yīng)變?cè)叫?。②養(yǎng)護(hù)溫度從20℃升高至50℃時(shí),峰值應(yīng)力大幅增加,破壞應(yīng)變大幅降低,試樣從塑性破壞變?yōu)榇嘈云茐?低含水率試樣的變幅更大。例如,300kPa圍壓下,初始含水率為99%、T=20、50℃時(shí)試樣峰值應(yīng)力分別為1468.6、2056.5kPa,破壞應(yīng)變分別為12.3%和8.0%;初始含水率為44%、T=20、50℃時(shí)試樣峰值應(yīng)力分別為2515.1、5415.3kPa,破壞應(yīng)變分別為17.2%和3.2%,變化幅度大于高含水率試樣。

圖5 5300kPa圍壓下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

根據(jù)無(wú)側(cè)限和三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果得到養(yǎng)護(hù)溫度為50℃和20℃時(shí)抗壓強(qiáng)度之比與圍壓的關(guān)系如圖6所示,可以看出,隨著圍壓的增加,抗壓強(qiáng)度之比有減小的趨勢(shì),從無(wú)側(cè)限時(shí)的5.6～6.8減小至300kPa圍壓時(shí)的1.3～2.2。當(dāng)含水率一定時(shí),有圍壓條件下抗壓強(qiáng)度之比變化范圍不大,例如初始含水率為44%試樣在100～300kPa圍壓下抗壓強(qiáng)度之比在2.0～2.7之間;初始含水率為99%試樣的抗壓強(qiáng)度之比略低于44%和66%試樣,在100～300kPa圍壓下抗壓強(qiáng)度之比在1.3～1.5之間。

圖6 圍壓對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度為50℃和20℃時(shí)抗壓強(qiáng)度之比的影響

試樣代表性破壞應(yīng)力圓和強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)見(jiàn)圖7,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)圖8。其中,UCS對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)力圓也用于強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的求取,所得強(qiáng)度指標(biāo)為總應(yīng)力指標(biāo)。從圖7和圖8可以看出:①固化淤泥的強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)可以用直線(xiàn)擬合,表明摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論適用于堿渣-礦渣-電石渣固化疏浚淤泥。②隨著初始含水率的增加,黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均減小,其中黏聚力降幅更明顯,且養(yǎng)護(hù)溫度越高降幅越大。例如,當(dāng)T=20℃時(shí),初始含水率為44%、66%、99%試樣黏聚力分別為18.74、9.54、8.08kPa;當(dāng)T=50℃時(shí)對(duì)應(yīng)的黏聚力分別為92.22、79.85、30.68kPa,黏聚力隨初始含水率的增大顯著減低。T=20、50℃時(shí)內(nèi)摩擦角分別在46.82°～52.72°和51.18°～63.02°之間,變化相對(duì)較小。③隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高,黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大,50℃時(shí)初始含水率為44%、66%、99%試樣的黏聚力分別為20℃時(shí)的4.9、8.4、3.8倍,50℃時(shí)內(nèi)摩擦角分別為20℃時(shí)的1.2、1.2、1.1倍。④本文固化淤泥的內(nèi)摩擦角與一些固化土接近,例如水玻璃-石灰-粉煤灰固化硫酸鹽漬土的內(nèi)摩擦角在50°～53.5°范圍內(nèi)[23];但與大多數(shù)固化土相比,本文固化淤泥的黏聚力較小、內(nèi)摩擦角較大[24]。其原因在于本文摻量較大的堿渣在固化淤泥中起到減小含水率和調(diào)節(jié)粒度組成等作用,并和電石渣一起激發(fā)礦渣后,生成水化硅酸鈣、鈣礬石、水化氯鋁酸鈣等產(chǎn)物;而水泥固化土中多生成膠結(jié)力較強(qiáng)的水化硅酸鈣[25],在低圍壓下也有較高的強(qiáng)度,導(dǎo)致固化土的黏聚力較大、內(nèi)摩擦角較小。

圖7 代表性破壞應(yīng)力圓和強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)

圖8 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與初始含水率的關(guān)系

2.4 微觀(guān)作用機(jī)制

2.4.1礦物成分分析

部分試樣的XRD圖譜見(jiàn)圖9,與圖1所示原材料XRD圖譜對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),來(lái)源于原材料的石英、白云母、伊利石、鈣長(zhǎng)石和碳酸鈣等礦物在固化淤泥中仍存在,而固化劑中二水硫酸鈣和氫氧化鈣等衍射峰消失,反映出這些礦物發(fā)生了反應(yīng)生成新的礦物。堿渣中CaSO4·2H2O與礦渣中鋁酸三鈣、電石渣中氫氧化鈣等反應(yīng)可生成鈣礬石(Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O)[6],該衍射峰隨初始含水率的增加有所增大,尤其是含水率從44%增至66%時(shí)增大較明顯,其原因在于初始含水率的增加有利于生成更多的鈣礬石,起到填充孔隙的作用。初始含水率一定時(shí),50℃試樣中石英和白云母/伊利石衍射峰整體上低于20℃試樣,而50℃時(shí)水化硅酸鈣(CSH)衍射峰略高,表明在堿渣和電石渣提供的堿性環(huán)境和高養(yǎng)護(hù)溫度下,疏浚淤泥和堿渣中更多的活性SiO2與氫氧化鈣發(fā)生水化反應(yīng)生成CSH,促進(jìn)了高養(yǎng)護(hù)溫度條件下固化淤泥強(qiáng)度的大幅提高。20℃時(shí)氯化鈉衍射峰略高于50℃試樣,而50℃時(shí)試樣中水化氯鋁酸鈣(Ca4Al2O6Cl2·10H2O)衍射峰略強(qiáng),表明養(yǎng)護(hù)溫度的升高有利于水化氯鋁酸鈣的生成,其來(lái)源于堿渣中的氯鹽氫氧化鈣等發(fā)生水化反應(yīng)[4]。另外,固化淤泥中還檢測(cè)有水鈣沸石(CaAl2Si2O8·4H2O)衍射峰,其來(lái)源于活性SiO2和Al2O3與鈣的水化反應(yīng)[24],在固化淤泥中也起到膠結(jié)作用。

圖9 固化淤泥的XRD圖譜

2.4.2SEM分析

代表性試樣的SEM照片見(jiàn)圖10。對(duì)于w0=44%試樣,當(dāng)T=10、20℃時(shí)可在孔隙中和顆粒表面觀(guān)察到大量針棒狀鈣礬石,填充于孔隙中,此時(shí)顆粒較細(xì)小,放大5000倍時(shí)不易看到顆粒邊界;養(yǎng)護(hù)溫度從10℃增至20℃時(shí)針棒狀鈣礬石數(shù)量增多,顆粒之間由水化產(chǎn)物交織聯(lián)結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),有助于強(qiáng)度的提高。當(dāng)T=35、50℃時(shí),試樣中鈣礬石形態(tài)有所變化,多呈短棒狀,且可觀(guān)察到鈣礬石晶體有所減少,其可能原因在于鈣礬石的溶解度隨溫度的升高而加大[26];養(yǎng)護(hù)溫度升高時(shí)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象逐漸增強(qiáng),放大5000倍時(shí)可以看到一些顆粒的邊界,尤其是50℃時(shí)試樣中出現(xiàn)較大的團(tuán)粒(粒徑約10～20μm),團(tuán)粒的形成有助于固化土強(qiáng)度的提高[27]。另外,固化淤泥顆粒表面可以觀(guān)察到絮狀不定形CSH等物質(zhì)。養(yǎng)護(hù)溫度變化時(shí)w0=99%試樣也有類(lèi)似的變化規(guī)律,試樣中存在較多針棒狀鈣礬石,但結(jié)構(gòu)較為疏松。

圖10 固化淤泥的SEM照片

以上分析表明,養(yǎng)護(hù)溫度的升高對(duì)于堿渣-礦渣-電石渣固化疏浚淤泥水化產(chǎn)物的增加具有明顯效果,使固化淤泥中細(xì)小顆粒變?yōu)閳F(tuán)粒,增多的CSH和水化氯鋁酸鈣能有效聯(lián)結(jié)顆粒、填充孔隙,從而提高固化淤泥的UCS、CBR和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。在溫度較高地區(qū),應(yīng)用堿渣、礦渣、電石渣固化的疏浚淤泥可表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度性質(zhì),在實(shí)際工程中,可利用其高養(yǎng)護(hù)溫度下良好的強(qiáng)度性質(zhì)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié) 論

a.堿渣-礦渣-電石渣固化疏浚淤泥的UCS與養(yǎng)護(hù)溫度之間的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)擬合,當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度從10℃升高至35℃時(shí)UCS有所提升,從35℃升高至50℃時(shí)UCS大幅提升。低含水率固化淤泥試樣受溫度的影響更大。50℃與20℃固化淤泥的UCS之比為2.4～6.8。養(yǎng)護(hù)溫度越高,固化淤泥的UCS隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)越明顯。

b.7初始含水率為44%時(shí)固化淤泥的CBR隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大,養(yǎng)護(hù)溫度升高時(shí)CBR隨養(yǎng)護(hù)齡期的增幅更顯著,各養(yǎng)護(hù)溫度下試樣的CBR值滿(mǎn)足高速公路和一級(jí)公路路基填料CBR最小強(qiáng)度要求。

c.當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度從20℃升高至50℃時(shí),固化淤泥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)由應(yīng)變軟化型變?yōu)閼?yīng)變硬化型,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增大,50℃與20℃時(shí)固化淤泥的黏聚力之比為3.8～8.4,內(nèi)摩擦角之比為1.1～1.2。

d.固化淤泥中生成鈣礬石、水化氯鋁酸鈣、CSH、水鈣沸石等水化產(chǎn)物,在固化淤泥中起到填充孔隙、連接顆粒等作用;隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高,水化氯鋁酸鈣和CSH等水化產(chǎn)物增多,顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象更顯著,從而有效提升固化淤泥的強(qiáng)度。

e.在本文試驗(yàn)條件下,高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)堿渣-礦渣固化疏浚淤泥的強(qiáng)度提升具有良好效果。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)可選擇在高溫氣候條件下進(jìn)行施工養(yǎng)護(hù)、采取保溫措施,提高疏浚淤泥固化效果和節(jié)約固化成本。