史鈺鵬
(上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司 上海 200030)
自然狀態(tài)下淤泥具有很高的含水率,幾乎沒有承載力,無法直接應(yīng)用于工程中[1]。目前較為常見的處理方法,采用水泥、石灰等傳統(tǒng)膠凝材料作為固化劑,對(duì)淤泥進(jìn)行固化穩(wěn)定化處理,從而提高其承載能力作為道路路基材料使用[2-6]。但是,傳統(tǒng)膠凝材料在生產(chǎn)的過程中,會(huì)排放大量的CO2,同時(shí)消耗大量的化石燃料,不符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[7]。堿激發(fā)膠凝材料是以礦渣、粉煤灰等工業(yè)固廢為原材料,通過堿性激發(fā)劑作用下生成新的膠凝性水化物,無需高溫煅燒,具有低成本、高強(qiáng)度和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[8]。田亮等人[9]在長期研究中,發(fā)現(xiàn)可通過堿激發(fā)的方式在礦渣中獲得膠凝材料,并實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽漬土的固化,使得土層水穩(wěn)定性明顯提升。在水化反應(yīng)之后,可以生成片狀晶體水化硅酸鈣等凝膠物質(zhì)。王觀次等人[10]采用礦渣-粉煤灰-金礦渣基地聚物處治湖區(qū)軟土,經(jīng)試驗(yàn)確定了地聚物固化土中礦渣-粉煤灰-金礦渣最優(yōu)摻入量比為6∶2∶2。CHAYAKRIT 等人[11]利用堿激發(fā)粉煤灰固化穩(wěn)定淤泥,研究結(jié)果表明最高強(qiáng)度的最佳成分取決于含水量和粉煤灰的比值,在比值為1.0時(shí),穩(wěn)定土的強(qiáng)度達(dá)到最大值,并且比水泥固化淤泥的碳足跡低約22%~43%。ABDELDJOUAD 等人[12]研究了以棕櫚葉燃灰作為前驅(qū)體,通過堿激發(fā)作為固化劑改善淤泥的性質(zhì),為土壤固化技術(shù)提供了一種新型有效的方法,與傳統(tǒng)的鈣基膠凝劑(如石灰和水泥)相比具有明顯的低碳環(huán)保的優(yōu)勢。
本研究以粉煤灰、礦渣為膠凝材料,使用堿激發(fā)劑NaOH 和Na2SiO3對(duì)其進(jìn)行激發(fā),考慮不同的養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑摻量等因素,并以水泥固化土才參考,探究了固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS),同時(shí)通過經(jīng)濟(jì)性分析研究適用于道路基層填土,以期為道路基層固化土的研究和工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)和理論的參考。
試驗(yàn)所用淤泥為上海江邊淤泥,將所獲得的原狀土進(jìn)行烘干、粉碎和篩分,得到試驗(yàn)所需的重塑土。按照規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程:JTG 3430—2020》,進(jìn)行土樣的界限含水率、最大干密度、比重等試驗(yàn),淤泥的基本物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下所示:初始含水率為90%~180%,塑限ωP=40%,液限ωL=80%,最優(yōu)含水率為35%,最大干密度ρd=1.43 g/cm3,比重GS=2.06。根據(jù)塑性圖可知試驗(yàn)所使用的淤泥土為高液限粉土。
試驗(yàn)所用的礦渣和粉煤灰均來自于上海某鋼鐵廠。本試驗(yàn)用使用的水泥是P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。礦渣、粉煤灰和水泥的化學(xué)成分及含量如表1 所示,結(jié)合XRD 分析,礦渣和粉煤灰的主要成分為SiO2、Al2O3和CaO。試驗(yàn)采用氫氧化鈉(NaOH)和硅酸鈉(Na2SiO3)作為堿激發(fā)劑,所用試劑均為分析純。
表1 試驗(yàn)用膠凝材料的化學(xué)組成及含量Tab.1 Chemical Composition and Content of Cementitious Materials for Testing
根據(jù)《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):CJJ/T 286—2018》和《土壤固化外加劑:CJ/T486—2015》,進(jìn)行固化淤泥配合比設(shè)計(jì),外摻堿激發(fā)礦渣和粉煤作為淤泥的固化劑,水泥作對(duì)照組,摻量依據(jù)固化淤泥混合料質(zhì)量計(jì)算。研究表明礦渣/粉煤灰為1∶1(質(zhì)量比)混合時(shí)會(huì)發(fā)生協(xié)同反應(yīng),固化土具有較高的抗壓強(qiáng)度[13-14]。經(jīng)試配,本研究采用礦渣與粉煤灰質(zhì)量比為1,同時(shí)摻入堿性激發(fā)劑(NaOH和Na2SiO3)。
堿激發(fā)膠凝材料的質(zhì)量摻量分別為10%、15%和20%,分別用G15、G20 和G25 表示;并采用C5、C8 和C10 表示水泥固化淤泥,作為對(duì)照;為明確固化機(jī)理,采用未固化淤泥和只摻入堿激發(fā)劑的淤泥作為比較,分別用S 和A 表示,各組配合比如表1 所示,表中各組分摻量均為與干淤泥的質(zhì)量比。含水率根據(jù)固化淤泥擊實(shí)試驗(yàn)確定的最優(yōu)含水率。
固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程:JTG 3430—2020》,經(jīng)試驗(yàn)采用靜壓法制備密度為1 530 kg/m3的圓柱體試樣(高50 mm、φ50 mm),試樣放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室,直至滿足齡期要求。試驗(yàn)的強(qiáng)度測試使用萬能試驗(yàn)機(jī),加載速度1 mm/min。
固化淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑和養(yǎng)護(hù)齡期的變化如圖1 所示,試驗(yàn)結(jié)果表明固化淤泥的UCS 隨固化劑摻量的增加而不斷提高。摻入10%堿激發(fā)膠凝材料試樣G10 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從最初7 d的651 kPa增至28 d的1 058 kPa,強(qiáng)度提高較為明顯,已滿足《水泥基回填材料:JC/T 2468—2018》對(duì)回填材料28 d強(qiáng)度等級(jí)C1的要求(≥1 MPa),因此可以將本研究固化淤泥應(yīng)用于路基填土。此外,在只加入堿激發(fā)劑時(shí),固化淤泥土的強(qiáng)度在原有基礎(chǔ)上也有所提高,說明淤泥土顆粒中含有部分活性的硅鋁成分也參與了部分化學(xué)反應(yīng)[15],從而使強(qiáng)度有所提高。
圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑及齡期的變化Fig.1 Change of UCS with the Content of Stabilizers and Curing Time
因此,說明固化劑的增加促進(jìn)了水化反應(yīng)生成了更多的水化產(chǎn)物。隨著齡期的增長,膠凝材料中的活性硅鋁成分逐漸析出,并參與到水化反應(yīng)中,反應(yīng)進(jìn)行得越充分,反應(yīng)產(chǎn)物越多,逐漸形成新的土體骨架,對(duì)土體起到支撐作用,實(shí)現(xiàn)固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷提高。
根據(jù)已有研究,固化土施工工藝沒有較大差異,施工所用機(jī)械設(shè)備也基本相同。因此,對(duì)固化淤泥的經(jīng)濟(jì)性分析時(shí),僅從單位體積材料費(fèi)用方面來考慮[16]。根據(jù)前文UCS試驗(yàn)結(jié)果,為便于更直觀對(duì)比堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥和水泥固化淤泥在不同摻量下,耗材成本的對(duì)比,經(jīng)計(jì)算得到所需材料用量,如表2所示。
表2 配合比設(shè)計(jì)Tab.2 Mix Design
淤泥屬于丟棄土,水泥單價(jià)為700 元/kg,礦渣單價(jià)為250 元/kg,粉煤灰單價(jià)為120 元/kg,NaOH 單價(jià)為1 800元/kg,Na2SiO3單價(jià)為500元/kg,以1 m3道路基層材料用量為例,對(duì)材料費(fèi)用進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。
表3 材料用量Tab.3 Raw Material Dose (kg/m3)
由表4 可以看出,在較低固化劑摻量10%時(shí),C10固化淤泥的成本為93.94 元/m3,要比G10 的成本106.03 元/m3低,且強(qiáng)度提升較為明顯;而在較高固化劑摻量15%和20%時(shí),C15 和C20 的成本為134.89 元和172.54元,要比G15和G20的成本133元和159.19元高,且強(qiáng)度差距較小。表明在較低強(qiáng)度時(shí),水泥成本較低,在較高強(qiáng)度時(shí)使用堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥成本更低。根據(jù)《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):CJJ/T 286—2018》中要求道路上基層強(qiáng)度≥2.5 MPa,由本研究結(jié)果可知,結(jié)合經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果,優(yōu)選堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥可作為道路上基層用土。
表4 材料費(fèi)用對(duì)比 (元/m3)Tab.4 Comparison of Raw Material Costs
針對(duì)堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性分析,本文開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析,主要結(jié)論如下:
⑴堿激發(fā)礦渣粉煤灰作為土體固化劑,隨著齡期增長和膠凝材料摻量增加促進(jìn)了水化反應(yīng)生成了更多的水化產(chǎn)物,形成新的土體骨架,顯著提高固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 固化劑摻量為10%固化淤泥強(qiáng)度達(dá)到1 058 kPa,其強(qiáng)度已滿足對(duì)固化土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于1 MPa的要求。
⑵綜合考慮固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果,在較高強(qiáng)度時(shí),使用堿激發(fā)礦渣粉煤灰比水泥成本低。優(yōu)選堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥土作為道路上基層用土。