高鐵酸鉀預(yù)處理對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度的影響

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(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心， 武漢 430074)

1 研究背景

淤泥具有黏粒含量高、有機(jī)質(zhì)含量高、含水率高、強(qiáng)度低等特性，難以在工程中直接利用，常采用征用場(chǎng)地貯存或者熱處理等方式進(jìn)行處理，帶來了增加工程造價(jià)、占用土地和污染環(huán)境等問題[1-2]。因此，借鑒軟土地基處理的經(jīng)驗(yàn)，通過摻入水泥、石灰等固化材料以改善淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為具有利用價(jià)值的土工材料，實(shí)現(xiàn)淤泥的資源化處理。根據(jù)前人的研究，影響水泥固化淤泥強(qiáng)度的因素包括水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、初始含水率等。湯怡新等[3]將水泥摻入多種淤泥，研究了水泥摻量與水泥固化淤泥強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水泥固化淤泥強(qiáng)度隨水泥摻量呈挖線型增長(先緩慢增長后快速增長)的規(guī)律，存在一個(gè)水泥摻量的界限值，高于該摻量水泥固化淤泥強(qiáng)度增長顯著。Chiu等[4]研究了疏浚淤泥固化土的屈服剪切特征，探討了不同水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期和初始含水率等對(duì)固化土應(yīng)力-應(yīng)變的影響。周海龍等[5]以7，14，21，28 d為養(yǎng)護(hù)齡期，研究了在小齡期情況下，水泥摻入比對(duì)水泥固化淤泥力學(xué)性質(zhì)的影響。

表1 淤泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of sludge

淤泥中往往有機(jī)質(zhì)含量較高，其具有酸性和強(qiáng)大的容水能力[6]，不利于水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)的進(jìn)行，從而影響到水泥固化淤泥的強(qiáng)度。針對(duì)這一問題，已有大量學(xué)者開展了相關(guān)研究。Tremblay等[7]研究了多種有機(jī)物對(duì)水泥固化淤泥的固化影響，結(jié)果表明一些有機(jī)物會(huì)阻礙水泥固化淤泥強(qiáng)度的形成，另一些有機(jī)物只會(huì)延遲水泥的水化反應(yīng)，但并不會(huì)影響水泥固化淤泥強(qiáng)度，而有機(jī)物與水泥作用改變孔隙溶液pH值會(huì)影響水化產(chǎn)物的生成及固化土的最終強(qiáng)度。曾衛(wèi)東等[8]研究表明，有機(jī)質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)決定了其具有遠(yuǎn)強(qiáng)于黏土礦物的持水性和吸附性，通過與水泥顆粒的吸附作用，阻礙和延緩了水泥水化產(chǎn)物的形成；同時(shí)有機(jī)質(zhì)多呈酸性，具有比黏土礦物更發(fā)育的雙電層，不利于土顆粒與水泥作用而凝聚。陳慧娥等[9]研究發(fā)現(xiàn)富里酸的分解作用會(huì)使得已經(jīng)生成的少部分水化產(chǎn)物，如水化鋁酸鈣(C-A-H)、水化硅酸鈣(C-S-H)晶體解體。

然而，目前鮮有采用有效方法解決有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥固化效果不佳的研究。本文參考了高鐵酸鉀作為一種穩(wěn)定、高效、無毒的氧化劑在污水、污泥處理[10-12]中的應(yīng)用情況，在滿足經(jīng)濟(jì)性和安全性的前提下，嘗試采用高鐵酸鉀對(duì)淤泥進(jìn)行預(yù)處理，以進(jìn)一步提高含有機(jī)質(zhì)水泥固化淤泥的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)淤泥資源化利用的目的。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)土樣取自武漢市東湖某近岸處，取樣深度為0.5～1.0 m。土樣呈灰黑色，有滑膩感；水泥為華新水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；高鐵酸鉀由上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)，為暗紫色有光澤粉末，純度為分析純。依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)[13]測(cè)得土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，其中有機(jī)質(zhì)含量采用灼燒法測(cè)定換算得到。

2.2 制樣方法

為保證試驗(yàn)精度，在試驗(yàn)前盡可能剔除淤泥中可見的貝殼、根系等雜質(zhì)。按干土質(zhì)量的0.25%摻入高鐵酸鉀，充分?jǐn)嚢?，靜置預(yù)處理24 h，確保淤泥中的有機(jī)質(zhì)與高鐵酸鉀充分反應(yīng)；然后按干土質(zhì)量9%的水泥與預(yù)處理后的淤泥混合，攪拌均勻，得到改性水泥固化淤泥。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)中的相關(guān)要求，控制濕密度為1.7 g/cm3，采用靜壓法將天然狀態(tài)的淤泥素土、摻9%水泥的水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥，制成Φ61.8 mm×20 mm和Φ39.1 mm×80 mm的圓柱體試件，常溫養(yǎng)護(hù)24 h脫模。脫模后，用聚乙烯塑料薄膜包裹，放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，保持濕度95%以上，溫度(20±2) ℃，養(yǎng)護(hù)至7 d的設(shè)計(jì)齡期。

對(duì)于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每個(gè)水泥摻量和固化配比，制作4個(gè)試樣，其中1個(gè)試樣用來測(cè)定養(yǎng)護(hù)后含水率、密度等的變化情況，另外3個(gè)試樣采用DW-1型電動(dòng)應(yīng)變式無側(cè)限壓力儀進(jìn)行平行試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，以研究無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律。

對(duì)于直剪試驗(yàn)，每個(gè)組別制作4個(gè)試樣，設(shè)置50，100，150，200 kPa四級(jí)不同的豎向壓力，采用快剪法進(jìn)行剪切試驗(yàn)。剪切過程中控制手輪轉(zhuǎn)動(dòng)速率為6 r/min，剪切3～4 min，每隔10 s記錄讀數(shù)，以獲得不同試樣的剪切強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

3 試樣結(jié)果和分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

固化土在力學(xué)性質(zhì)上存在小變形條件下發(fā)生剪切破壞的特征，因此工程中常用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)水泥固化淤泥固化效果的重要力學(xué)指標(biāo)。本試驗(yàn)在探究了水泥摻量對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，選擇合適水泥摻量作為基準(zhǔn)水泥摻量[14]，研究了基準(zhǔn)水泥摻量條件下，高鐵酸鉀預(yù)處理對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度和變形規(guī)律的影響。

圖1反映了7 d養(yǎng)護(hù)齡期條件下，水泥固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu隨水泥摻量ac的變化規(guī)律。

圖1 水泥固化淤泥抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系Fig.1 Relation between compressive strength ofcement-stabilized sludge and cement content

由圖1可以看出：在低水泥摻量下，水泥固化淤泥抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加緩慢增長；在高水泥摻量下，水泥固化淤泥抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加顯著提高，且滿足線性關(guān)系，大致可用如下關(guān)系式表示為

qu=k(ac-ac0)+qu0。

(1)

式中：k為水泥固化系數(shù)；ac0為工程最低水泥摻量；qu0為工程最低水泥摻量條件下對(duì)應(yīng)的水泥固化淤泥強(qiáng)度。

根據(jù)前人的研究[3,15]可知，水泥摻入量過低時(shí)，水泥強(qiáng)度增長緩慢，此時(shí)水泥水化產(chǎn)物量過少，不足以影響到與土顆粒間的相互作用，對(duì)水泥固化淤泥的強(qiáng)度影響較小，該階段稱為水泥固化淤泥的非反應(yīng)區(qū)；隨著水泥摻量的持續(xù)增加，水泥水化產(chǎn)物增多，與土顆粒形成較強(qiáng)的粘結(jié)作用，引起水泥固化淤泥強(qiáng)度的線性增長，進(jìn)入水泥固化淤泥的反應(yīng)區(qū)。因此，反應(yīng)區(qū)的水泥摻量范圍常作為實(shí)際工程的參考。本文將非反應(yīng)區(qū)與反應(yīng)區(qū)的界限水泥摻量稱為工程最低水泥摻量ac0，并將ac0=9%作為基準(zhǔn)水泥摻量，配制水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥。

圖2為素土、水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2可以看出，隨著軸向應(yīng)變的增大，素土壓應(yīng)力逐漸增大，沒有明顯的峰值強(qiáng)度，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)為應(yīng)變硬化型；而水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥變形階段大致可分為線彈性階段、塑性變形階段和軟化階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在明顯的峰值，峰值后強(qiáng)度逐漸降低，呈應(yīng)變軟化型。相較于水泥固化淤泥，改性水泥固化淤泥在線彈性階段，曲線斜率明顯增大；同時(shí)，峰值強(qiáng)度提高了9.4%。這說明高鐵酸鉀預(yù)處理，有利于水泥固化淤泥剛度和強(qiáng)度的提高。

圖2 不同類型土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain curves of different types of soils

3.2 直剪試驗(yàn)

由庫倫抗剪強(qiáng)度公式可知，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ對(duì)工程應(yīng)用具有重要意義。固化材料能與土體發(fā)生一系列物理化學(xué)作用，通過生成新物質(zhì)填充孔隙、改變土顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)等方式，從而影響水泥固化淤泥的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。本文研究了在工程最低水泥摻量(ac0=9%)條件下,水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥的剪應(yīng)力-剪位移間的變化規(guī)律及高鐵酸鉀預(yù)處理對(duì)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響。

由于在50 kPa豎向壓力下，素土就從剪切盒中擠出發(fā)生破壞，因而本文僅對(duì)水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥進(jìn)行了直剪試驗(yàn)。圖3為水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥分別在50，100，50，200 kPa四級(jí)不同的豎向壓力下的剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線。水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥的變形破壞特征大致可以分為4個(gè)階段，分別為線彈性階段、塑性變形階段、軟化階段和殘余階段，存在明顯的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。相比于水泥固化淤泥，改性水泥固化淤泥峰值強(qiáng)度有所提高，且出現(xiàn)峰值強(qiáng)度時(shí)，所對(duì)應(yīng)的的剪位移減小了1.5 mm左右。這說明經(jīng)高鐵酸鉀預(yù)處理后，水泥固化淤泥的強(qiáng)度和剛度均得到提高。

圖3 不同類型土的剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線Fig.3 Curves of shear stress versus sheardisplacement of different types of soils

圖4為水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥分別在50，100，150，200 kPa四級(jí)不同的豎向壓力下的抗剪強(qiáng)度曲線。表2為水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥相應(yīng)的c，φ值。

圖4 不同類型土的抗剪強(qiáng)度曲線Fig.4 Shear strength curves of different types of soils

土樣類型黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)水泥固化淤泥32.8519.84改性水泥固化淤泥38.8119.78

由圖4和表2可以看出，經(jīng)高鐵酸鉀預(yù)處理后，水泥固化淤泥的黏聚力可由32.85 kPa增長到38.81 kPa，提高了18.1%，而內(nèi)摩擦角基本保持不變。這說明，高鐵酸鉀預(yù)處理主要提高了土顆粒間的靜電力、膠結(jié)作用等，而對(duì)土顆粒間的摩擦作用影響較小。

4 討 論

為進(jìn)一步解釋高鐵酸鉀預(yù)處理對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度的影響，利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)對(duì)水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥的微觀形貌進(jìn)行觀察，以直觀了解高鐵酸鉀預(yù)處理對(duì)水泥固化淤泥孔隙結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成等的變化。

圖5為水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥在放大2 000倍條件下的SEM圖像。水泥固化淤泥中顆粒多以角-邊和邊-面形式接觸，孔隙發(fā)育，可見顆粒間存在纖維狀的硅酸鈣水化物(CSH)，其中面-面疊聚體中片層的間距較大；改性水泥固化淤泥顆粒多以邊-面和面面形式接觸，結(jié)構(gòu)致密，孔隙相對(duì)較少，可見顆粒間存在短棒狀鈣礬石(Et)，其中面-面疊聚體中片層的間距較小。

圖5 不同類型土的SEM圖像(放大2 000倍)Fig.5 SEM images of different types of soils(magnified by 2 000 times)

圖6 改性水泥固化淤泥的固化過程概念模型Fig.6 Conceptual model of curing process ofmodified cement-stabilized sludge

黏聚力和土顆粒間的摩擦力是構(gòu)成土體強(qiáng)度的2種主要的力的存在形式。黏聚力取決于土顆粒間靜電力、范德華力及膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用，而摩擦力取決于土顆粒表面的粗糙程度和交錯(cuò)排列的咬合情況[16]。將水泥、高鐵酸鉀作為固化材料摻入淤泥，并與之發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，從而改變淤泥的物質(zhì)成分和孔隙結(jié)構(gòu)等。高鐵酸鉀預(yù)處理可明顯改變水泥固化淤泥中的顆粒結(jié)構(gòu)，顆粒間靜電引力增強(qiáng)，在宏觀上表現(xiàn)為黏聚力的增大；由于水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥均有水泥水化產(chǎn)物生成，填充了孔隙，增大了顆粒之間的接觸咬合作用，因而內(nèi)摩擦角變化并不明顯。

圖6為改性水泥固化淤泥的固化過程概念模型。分析圖6可知，摻入高鐵酸鉀預(yù)處理后，淤泥中的結(jié)合態(tài)和游離態(tài)的有機(jī)物被氧化分解，羧基和酚羥基等官能團(tuán)被破壞，酸性降低，消除了有機(jī)質(zhì)在水泥水化反應(yīng)過程中與Ca2+，Al3+離子的絡(luò)合作用[17]。同時(shí)，高鐵酸鉀被有機(jī)質(zhì)還原，F(xiàn)e(VI)轉(zhuǎn)化為Fe(III)，高價(jià)陽離子Fe3+與黏土顆粒表面結(jié)合的低價(jià)陽離子Na+和K+進(jìn)行交換吸附，置換出Na+和K+，一定程度上減小了擴(kuò)散層厚度，引起土顆粒的自身絮凝。

當(dāng)摻入水泥后，水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)生成的水化膠凝產(chǎn)物，增強(qiáng)了土顆粒間的膠結(jié)作用，顆粒間的距離縮小，團(tuán)?；潭忍岣撸瑥亩憩F(xiàn)為黏聚力的增大。同時(shí)，纖維狀、短棒狀水化產(chǎn)物填充在孔隙中或附著于土顆粒表面，約束了土顆粒間的相對(duì)移動(dòng)，咬合作用增強(qiáng)，從而表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的增大。

5 結(jié) 論

本文在小齡期(7 d)條件下，開展了水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥無側(cè)限抗壓試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，研究高鐵酸鉀預(yù)處理對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度的影響，并從微觀結(jié)構(gòu)方面分析討論了高鐵酸鉀對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論。

(1) 在低水泥摻量范圍內(nèi)(非反應(yīng)區(qū))，隨著水泥摻量的增加，水泥固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長緩慢；在高水泥摻量范圍內(nèi)(反應(yīng)區(qū))，隨著水泥摻量的增加，水泥固化淤泥抗壓強(qiáng)度呈線性增長。本文建議將非反應(yīng)區(qū)與反應(yīng)區(qū)的界限水泥摻量定為9%。

(2) 將界限水泥摻量稱為工程最低水泥摻量ac0=9%，并以此為基準(zhǔn)水泥摻量摻入淤泥進(jìn)行固化處理。按干土質(zhì)量的0.25%摻入高鐵酸鉀預(yù)處理后，得到改性水泥固化淤泥，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)于水泥固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長了9.4%，且剛度也有所提高；對(duì)于抗剪強(qiáng)度，高鐵酸鉀預(yù)處理主要改變的是水泥固化淤泥的黏聚力，相比水泥固化淤泥的抗剪強(qiáng)度，改性水泥固化淤泥的黏聚力增長了5.96 kPa，而內(nèi)摩擦角基本保持不變。

(3) 利用掃描電子顯微鏡圖像，結(jié)合概念模型分析，高鐵酸鉀預(yù)處理對(duì)水泥固化淤泥的影響可概括為：高鐵酸鉀將淤泥中有機(jī)質(zhì)氧化分解，消除了有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥水化反應(yīng)的不利影響，促進(jìn)了水泥水化產(chǎn)物的生成；同時(shí)，高鐵酸鉀被有機(jī)質(zhì)還原，F(xiàn)e(VI)轉(zhuǎn)化為Fe(III)，F(xiàn)e(III)與黏土顆粒表面低價(jià)離子的交換吸附作用減小了擴(kuò)散層厚度，促進(jìn)了黏土顆粒的絮凝。上述兩方面的共同作用提高了水泥固化淤泥的強(qiáng)度。