湖底淤泥固化土的环境耐久性研究.pdf

文章编号：1007-2993（2023）04-0455-06湖底淤泥固化土的环境耐久性研究湖底淤泥固化土的环境耐久性研究王矿山1庞龙1戴振鑫1章晖1张新军2（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310000；2.中铁一局集团有限公司，陕西西安710000）【摘要】为了评价淤泥固化土的环境耐久性，采用矿渣体系的碱激发胶凝材料（矿渣粉、偏高岭土、石灰和水玻璃）和普通硅酸盐水泥为固化剂，通过开展无侧限抗压、冻融循环、Na2SO4及 NaCl 浸泡侵蚀、扫描电镜和 EDS-Mapping 试验，分析了侵蚀环境下固化淤泥土的典型水化产物、强度演变规律、质量损失率和微观结构特征，结果表明，碱激发固化淤泥内部生成的水化硅铝酸钠凝胶（N-A-S-H）能有效提高强度，但是冻融循环和浸泡侵蚀均会导致固化土强度劣化；水泥固化淤泥受硫酸盐侵蚀后，钙矾石会呈现簇状发展而产生膨胀开裂，导致强度下降；碱激发固化剂的抗氯离子能力优于硫酸根离子，综合环境耐久性优于普通硅酸盐水泥。【关键词】固化淤泥；强度；冻融循环；侵蚀；耐久性【中图分类号】TU 411 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2023.04.014Study on Environmental Durability of Solidified Lake-bottom SedimentWang Kuangshan1Pang Long1Dai Zhenxin1Zhang Hui1Zhang Xinjun2(1.PowerChina Huadong Survey,Design and Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,Zhejiang,China；2.China Railway FirstBureau Group Co.,Ltd.,Xian 710000,Shaanxi,China)【Abstract】In order to evaluate the environmental durability of solidified lake-bottom sediment,alkali activated cementing ma-terial of slag system(slag powder,metakaolin,lime and sodium silicate)and traditional cement were used as curing agent.Through un-confined compression,freezing-thawing cycle,Na2SO4 and NaCl erosion leaching,scanning electron microscopy and EDS-Map-pingtests,the typical hydrates,strength evolution,mass loss rate and microstructure characteristics of solidified sediment in erosion en-vironment were analyzed.The results show that a large amount of hydrated sodium silicate aluminate gel（N-A-S-H）was formed in thealkali-excited solidified sediment.The freezing-thawing cycle and erosion leaching can lead to the deterioration of the strength of solid-ified sediment.The development of ettringite led to expansion and cracking when the cement-solidified sediment was eroded by sulfate,which resulted in the decrease of strength.The alkali-activated curing agent has better chloride ion resistance than sulfate ion and bettercomprehensive environmental durability than conventional Portland cement.【Key words】solidified sediment；strength；freezing-thawing cycle；erosion；durability 0 引言目前，在我国航道疏浚、公路隧道及水环境治理工程领域，每年产生数亿方疏浚淤泥12。化学固化技术是指向淤泥中添加水泥、石灰等无机胶凝材料，改善淤泥固化土的物理力学性能，并将其应用于路基填土、软基加固等工程，该技术成本低、可操作性强，可实现废弃淤泥的安全处置及资源化利用34。目前使用最普遍的固化剂是水泥，但是大量使用水泥会增加 CO2排放（生产 1 t 水泥约排放 0.95 tCO2），消耗石灰石等不可再生资源，对生态环境十分不利5。碱激发胶凝材料是通过激发矿渣、粉煤灰等工业废渣的潜在活性，生成胶凝性水化物，其性能指标类似甚至优于水泥，且生产能耗和 CO2排放量远低于水泥。孙秀丽等6采用水玻璃激发粉煤灰和矿粉的活性来固化疏浚淤泥，表明水玻璃对矿粉的激发效果优于粉煤灰，并且水玻璃模数相同时，矿粉掺量越大强度越高。周恒宇等7以煤系偏高岭土地聚合物为固化剂对淤泥进行固化处置，结果表明水化物凝 基金项目：安徽省高校自然科学研究重点项目（2022AH051388；KY2020-ZX-24）作者简介：王矿山，男，1981 年生，汉族，安徽宿州人，大学本科，高级工程师，主要从事工程技术、投资、咨询方面的研究。E-mail： 第 37 卷第 4 期岩土工程技术Vol.37 No.42023 年8 月Geotechnical Engineering TechniqueAug，2023胶可以增强土颗粒间凝聚力，并有效填充间隙，使土体结构更密实。吴俊等8采用矿渣粉煤灰基地质聚合物固化淤泥质黏土，发现水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶的生成是固化黏土抗压强度提升的主要原因。陈锐等9对碱激发材料固化粉质黏土开展了路用性能与冻融循环试验，证明了固化土的 CBR 值与回弹模量随固化剂掺量的增加而增大。王东星等10采用活性 MgO粉煤灰作为固化剂，采用碳化固化技术联合处理疏浚淤泥，结果表明水碳镁石和球碳镁石发挥骨架填充黏结协同作用，固化土表现出了优异的水稳性和抗干湿冻融循环能力。谈云志等11采用偏高岭土和石灰增强水泥对淤泥的固化效果，证明了偏高岭土具有弱化腐殖酸侵蚀性，并提高淤泥固化土耐久性的优势。王臻华等12采用水泥、生石灰、高铁酸钾和吸水树脂作为复合固化剂对淤泥进行固化处理，结果表明单一提高水泥掺量难以使固化淤泥的耐久性和稳定性达到理想效果。采用矿渣系碱激发固化剂和普通硅酸盐水泥处置淤泥，研究固化淤泥土的无侧限抗压强度（UCS），通过冻融循环和浸泡侵蚀试验评价固化土的环境耐久性，借助扫描电子显微镜（SEM）和 EDS-Map-ping 试验，分析微观结构演化机制和探究水化产物物相演化规律，为固化淤泥资源化利用提供科学依据。1 材料及方法 1.1 试验材料淤泥取自杭州市青山湖，该淤泥由明挖法修建湖底隧道产生，湖底段长约 1310 m，隧道净宽 26.6 m，平均开挖深度约 12 m，清除淤泥约 4.0105 m3（见图 1）。根据公路土工试验规程（JTG 34302020）测得淤泥各项理化指标见表 1，其中颗粒分析采用激光粒度分析仪（Mastersizer 3000）进行测试，该淤泥为高液限黏土。淤泥先烘干破碎，筛除颗粒杂物后备用。所用水泥为普通硅酸盐水泥（PO 42.5）。碱激发固化剂（GM）由矿渣粉、偏高岭土、石灰和水玻璃按照质量比 6210.4 配置而成，其中水玻璃模数为1.4。试验材料化学组成见表 2。图 1 淤泥堆场 表 1 试验淤泥理化性质参数数值比重2.72液限/%50.5塑限/%26.3黏土粒组(d0.002 mm)/%20.0粉粒(0.002 mm d0.075 mm)/%28.0pH7.3有机质含量/%3.5最优含水量/%20.1最大干密度/(gcm3)2.01 表 2 试验材料的化学组成%原材料化学成分SiO2Al2O3CaOFe2O3MgONa2OLoss淤泥58.118.84.65.82.72.16.4水泥22.34.264.82.32.51.21.7偏高岭土50.443.80.30.62.71.40.8矿渣49.012.032.52.03.00.51.0 1.2 试验方法 1.2.1 试样制备为了模拟最佳施工条件，淤泥初始含水量调成24%（略大于最优含水率）。以淤泥干质量为基准，分别掺加 4%、8%和 12%碱激发固化剂，分别记为 A4、A8 和 A12，掺加 12%普通硅酸盐水泥作为对照组（C12）。用搅拌机将淤泥干粉、固化剂和水共同搅拌 5 min，按照压实度 95%称取混合料倒入模具，压制成 50 mmH50 mm 的圆柱试样，脱模后进行标准养护（温度：20 1，湿度：95%1%），每种配比均制备三个平行试样，以确保可重复性。1.2.2 冻融循环试验参照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GBT 500822009）中的快冻法，针对固化剂掺量为 4%和 12%试样，养护 14 d 时开展冻融循环试验，并设置对照组（14 d 后继续标准养护，总龄期与冻融组相同）。冻融循环试验通过低温冰箱（20）及标准养护箱交替对试样进行养护，一级循环历时 48 h：冷冻（20）阶段 24 h，然后将试样放置于标准养护箱热融（25）24 h，分别在 0、3、6 和9 级冻融循环后，各取 3 个平行试样进行 UCS 试验。1.2.3 SEM 和 EDS-Mapping 试验SEM 测试采用场发射扫描电子显微镜（ZEISS456岩土工程技术2023 年第 4 期GeminiSEM 300），先将固化淤泥试样掰成碎块，进行液氮冷冻并真空干燥 48 h，对断面进行喷金操作，然后再进行电子扫描测试分析，同时利用 EDS-Map-ping 分析功能对选定区域进行面扫描，获得元素面分布图像，试验设备为 LEO1530VP 扫描电子显微镜。1.2.4 浸泡侵蚀试验借鉴 ASTM C1308（ASTM 2009）中的半动态浸出试验。试样标准养护，每组取 3 个平行样进行侵蚀试验；Na2SO4及 NaCl 溶液作为侵蚀液，浓度为 0.1mol/L，每只烧杯放入 1135 mL 侵蚀液；间隔一定时间更换侵蚀液，对浸出液的电导率 EC 进行动态监测，浸泡结束后，测试固化样品的 UCS 值，如图 2 所示。其中，水泥固化淤泥以及自来水浸泡设置为对比组。无侧限抗压试验参照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTGE 512009），加载速率 1 mm/min。图 2 固化试样和侵蚀试验 2 结果与分析 2.1 水化产物物相采用 EDS-Mapping 图分析 Ca、Na 与 Al、Si、Mg、Fe 等典型元素的相关性，进一步确定水化产物类型及其固化作用机理，以 4%掺量的碱激发固化淤泥为例，结果如图 3 所示，Ca 元素与 Si 元素 map-ping 分布图相关性高，再结合微观结构特征，可证实水化物 C-S-H 凝胶的存在。特别注意，Na 元素与Al 元素在部分区域相关性极高，并在局部呈现高亮显示，且在此区域内 Ca 元素分布急剧减少，表明生成了水化硅铝酸钠凝胶（N-A-S-H），这是本试验碱激发固化剂能够显著提升固化淤泥强度的主要原因。2.2 冻融循环效应图 4 为固化淤泥的无侧限抗压强度 qu值随固化剂掺量和冻融循环级数的变化规律，以及不同循环级数对应的标准养护龄期的 qu值（对照组）。如图 4 所示，当冻融循环 9 级时，冻融组试样 A4 和 A12 的 qu值分别为 0.31 MPa 和 1.25 MPa，与对照组（标准养护 32 d）强度（0.7 MPa 和 1.34 MPa）相比，分别降低56%和 7%，表明冻融循环作用下 qu值出现不同程度降低，这是由于反复冻胀融缩导致固化淤泥内部裂纹逐渐扩展，强度发生劣化。当掺加 12%固化剂时，与 20 d 标准养护龄期相比，3 级冻融循环后 qu明显减小，GM 固化体 qu降低29%，而水泥固化体 qu降低 47%。随冻融循环级数增加，A12 固化体的强度随之增加，9 级循环强度较3 级和 6 级循环提升了 47%和 23%。对于水泥固化体，9 级循环后的强度较 3 级和 6 级循环分别提升了 44%和 20%。与 32 d 龄期试样相比，9 级冻融循环后的 GM 固化体 qu降低 7%，而水泥固化体 qu则降低 62%。因此，与水泥固化淤泥相比，GM 固化淤泥的抵抗冻融循环能力更强，水化产物的理化稳定性更高。2.3 抗侵蚀能力 2.3.1 无侧限抗压强度图 5 为侵蚀作用下固化土强度特性变化图。对 EDS 分层图像 250 m50 m50 m50 m50 m50 m50 mSi K1Al K1Mg K1_2Na K1_2Ca K1Fe K1 图 3 典型元素的 mapping 图 00.40.81.21.6 20 天 26 天 32 天C12A12无侧限抗压强度/MPa 3 级 6 级 9 级对照组(标准养护)冻融组A4C12A12A4 图 4 冻融循环作用下强度特性变化王矿山等：湖底淤泥固化土的环境耐久性研究457于 GM 固化淤泥，侵蚀后的强度基本高于自来水对比组；而水泥固化试样则相反，侵蚀强度低于自来水浸泡。由此可知 GM 固化淤泥耐侵蚀性优于水泥固化，且耐氯离子侵蚀能力强于硫酸根离子，更适合在氯离子富集的工程中使用。00.20.40.60.81.01.2C12A12A8 SO4 Cl Water无侧限抗压强度/MPaA42标准龄期 14 天+浸泡 11 天 图 5 侵蚀作用下强度特性变化 2.3.2 固化淤泥质量损失率图 6 为硫酸根离子、氯离子和自来水侵蚀作用下的固化淤泥质量损失率。如图 6（a）所示，对于 3组 GM 固化淤泥，浸泡 1 d 的质量损失变化较快，在第 5 d 浸泡时，质量变化率基本达到稳定；然而，水泥固化淤泥经过第 10 d 浸泡，质量变化率才趋于稳定。因此，与水泥相比，碱激发固化剂 GM 的耐硫酸根侵蚀能力更强，效果更加稳定。如图 6（b）所示，氯离子侵蚀作用下，质量损失率的演变规律与硫酸根离子作用下类似，水泥固化试样抵抗氯离子侵蚀能力更低。对比分析氯离子和硫酸根离子的侵蚀效应可知，在氯离子侵蚀作用下的质量损失率均低于硫酸根离子侵蚀，GM 固化淤泥更耐氯离子侵蚀。图 6（c）为自来水浸泡作用下的质量变化，可以看出水泥固化淤泥的各级质量损失率仍然最大，同时 GM 固化剂掺量越大，质量损失越小。2.3.3 侵蚀溶液电导率图 7 为浸泡后的侵蚀溶液电导率变化趋势。NaCl 溶液在前 5 d 的浸泡过程中，电导率上下波动，5 d 后 EC 值趋于稳定。而对于 Na2SO4溶液，其电导率值在 11 d 的浸泡过程中表现为上下波动。两种侵蚀溶液 EC 值波动原因为酸根离子对试样的侵蚀破坏作用与对 GM 固化剂的二次激发作用处于双向演变过程，且硫酸根离子的二次激发作用略强。自来水浸泡 5 d 后的电导率 EC 值趋于稳定，说明此时浸泡已达到破坏的稳定状态。2.3.4 微观结构特征图 8 为 Na2SO4和 NaCl 溶 液 浸 泡 后 试 样 的SEM 照片。如图 8（a）所示，在 SO42溶液浸泡作用下，A12 试样的针状钙矾石 AFt 含量增多，发育较好，而C12 的水化产物受 SO42侵蚀，钙矾石过量增长，结构变得膨胀松散，见图 8（b）。现有研究表明，传统的水泥水化产物会遭受硫酸盐侵蚀，固化体中 AFt 含量 02468101200.20.40.60.81.01.21.42累积质量损失率/%浸泡循环级数 A4 A8 A12 C1202468101200.10.20.30.40.50.60.70.8 A4 A8 A12 C12累积质量损失率/%浸泡循环级数02468101200.10.20.30.40.5A4 A8 A12C12浸泡循环级数侵蚀溶液：SO4(a)硫酸根离子侵蚀作用下的质量损失率侵蚀溶液：Cl(b)氯离子侵蚀作用下的质量损失率侵蚀溶液：自来水累积质量损失率/%(c)自来水侵蚀作用下的质量损失率 图 6 不同溶液侵蚀作用下固化土质量损失率458岩土工程技术2023 年第 4 期增多，逐渐呈现簇状发展，矿物之间相互交织，因此产生过度膨胀开裂，通过 SEM 可观察到出现散射状钙矾石，试样内部裂纹增多，出现劣化区，强度下降1314。此外，在碱矿渣体系中不易生成钙矾石，因此即便受高浓度 SO42侵蚀，A12 产生的钙矾石也显著低于水泥固化（C12），因此没有出现明显的体积膨胀，并且适量的针状钙矾石交错搭接，在固化淤泥内部形成三维网络，相当于发挥骨架结构的作用，有助于提高强度。胶凝材料与氯离子的相互作用机制包含物理吸附和化学结合。Cl可与铝酸三钙矿物（C3A）反应生成水化氯铝酸钙（C3ACaCl210H2O，即 Friedels 盐），如式（1）所示。3CaOAl2O3+Ca(OH)2+2Cl+10H2O3CaOAl2O3CaCl210H2O+2OH（1）由于 GM 固化剂只含有微量 C3A，与氯离子反应生成的微量 Friedels 盐可以发挥填充孔隙效应，且固化淤泥的水化产物 N-A-S-H 和 C-A-S-H 对氯离子的物理吸附能力优于 C-S-H，所以 GM 固化淤泥的抗氯离子侵蚀能力更强，见图 8（c）。对于水泥固化淤泥经过 NaCl 溶液长期侵蚀后，Cl与大量 C3A反应生成无胶凝性的 Friedels 盐，导致 C-A-H 凝胶减少，如图 8（d）所示，强度出现降低，所以水泥固化淤泥的抗氯离子能力弱于 GM 固化剂。(a)硫酸根离子侵蚀下 GM固化淤泥的微观结构(b)硫酸根离子侵蚀下水泥固化淤泥的微观结构(c)氯离子侵蚀下 GM 固化淤泥的微观结构(d)氯离子侵蚀下水泥固化淤泥的微观结构(a)A12-SO4(c)A12-Cl(d)C12-ClC-S-HA-F-tN-A-S-HFriedels 盐2(b)C12-SO42 图 8 侵蚀作用下固化淤泥的微观结构特征 3 结论将普通硅酸盐水泥作为对照组，设置了碱激发固化剂为 4%、8%、12%三种掺量下的固化淤泥试验，通过对比两种固化剂处置淤泥在不同环境下的无侧限抗压强度、质量损失率、侵蚀液电导率等指标，进行环境耐久性分析，并通过 SEM、EDS-Mapping 等试验探明了微观机理，结论如下：（1）碱激发固化剂 GM 处理淤泥，生成了水化硅铝酸钠凝胶（N-A-S-H），是显著提升固化淤泥土强度性能的关键因素。024681012901001101201301402 A4 A8 A12 C12电导率 EC/(mScm1)电导率 EC/(mScm1)电导率 EC/(mScm1)浸泡循环级数024681060708090100浸泡循环级数 A4 A8 A12 C1202468101.62.02.42.8浸泡循环级数侵蚀溶液：自来水 A4 A8 A12 C12侵蚀溶液：SO4(a)硫酸盐溶液的电导率演变侵蚀溶液：Cl(b)氯盐溶液的电导率演变(c)自来水的电导率演变 图 7 不同侵蚀溶液的电导率演变王矿山等：湖底淤泥固化土的环境耐久性研究459（2）相同固化剂掺量时，GM 固化淤泥的抵抗冻融循环能力优于水泥固化，水化产物的理化稳定性更高。（3）GM 固化淤泥在溶液侵蚀下的质量损失率小于水泥固化，强度却大于水泥固化，两者的抵抗氯离子侵蚀能力均强于硫酸根离子。（4）水泥固化淤泥在硫酸根离子或氯离子侵蚀下会生成过量膨胀性矿物（钙矾石或 Friedels 盐），导致内部膨胀开裂和强度劣化，碱激发固化剂 GM 的环境耐久性整体优于水泥固化。参考文献 王文军，袁飞飞，蒋建良，等.高含水率吹填淤泥固化土强度特性及预测模型J.地下空间与工程学报，2021，17（2）：461-467.1 张志勇，严娟.城市河道淤泥固化技术试验研究J.人民长江，2021，52（12）：210-213.2 周瑞荣，刘磊，刘辉，等.厂拌淤泥固化土的研究及工程应用J.中国港湾建设，2021，41（12）：50-54.3 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