堿激發(fā)粉煤灰固化淤泥的強(qiáng)度特性及微觀機(jī)制研究

王士權(quán)，王 瑞，陳 鈺，李深圳，鞏舜妹，牛智勇

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

在我國(guó)水環(huán)境整治、港口建設(shè)及航道疏浚等工程中，每年都會(huì)產(chǎn)生大量高含水率、高壓縮性及低強(qiáng)度的廢棄淤泥，實(shí)現(xiàn)淤泥的無(wú)害化、減量化、資源化處置已成為一項(xiàng)工程難題[1-2]。化學(xué)固化技術(shù)是指在淤泥中加入固化劑，改善淤泥的物理力學(xué)性能，將其轉(zhuǎn)化成土工建筑材料加以利用，這樣既可以避免淤泥的二次污染，又可以實(shí)現(xiàn)資源再利用[3]。堿激發(fā)膠凝材料是以粉煤灰、礦粉等工業(yè)廢渣為原料，以含堿的化合物作為激發(fā)劑，在水介質(zhì)作用下生成的凝膠性水化物，制備過(guò)程無(wú)須煅燒，具有成本低、性能好和節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)[4]。Shi等[5]認(rèn)為NaOH、Na2CO3、Na2SO4和NaO·nSiO2是目前制備堿激發(fā)膠凝材料較容易獲取且最為經(jīng)濟(jì)的激發(fā)劑。易耀林等[6]選用堿激發(fā)礦渣代替一部分水泥加固軟土，固化效果顯著且經(jīng)濟(jì)環(huán)保。孫秀麗等[7]研究了水玻璃激發(fā)粉煤灰-礦粉改性淤泥，證實(shí)了水玻璃對(duì)粉煤灰的激發(fā)效果劣于礦渣粉。董寶中等[8]研究了離子固化劑對(duì)水泥固化淤泥土力學(xué)特征的影響規(guī)律及微觀加固機(jī)制。目前堿激發(fā)粉煤灰應(yīng)用于淤泥固化的研究相對(duì)較少，開(kāi)展堿激發(fā)粉煤灰固化淤泥的工程特性研究，有望降低水泥用量和CO2排放量，具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

本研究以粉煤灰、石灰為原料，選用NaOH和Na2SO4兩種激發(fā)劑，考慮養(yǎng)護(hù)齡期、激發(fā)劑類(lèi)型等因素，探究了固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)，并結(jié)合X射線(xiàn)衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)，分析了固化淤泥的典型礦物化學(xué)成分和微觀形貌特征。

表1 淤泥物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and chemical properties of silt

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1淤泥

本研究選用淤泥取自安徽省宿州市某河道底泥，呈灰黑色，略帶臭味。該淤泥為高液限黏土，參照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]對(duì)其物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，得出的指標(biāo)如表1所示，其中顆粒分析采用Mastersizer 3000型激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)試。

1.1.2固化劑

試驗(yàn)所用的固體片狀NaOH和粉末狀Na2SO4購(gòu)自合肥某試劑公司，均為分析純。一級(jí)粉煤灰和生石灰均呈粉末狀，化學(xué)成分采用X射線(xiàn)熒光儀測(cè)定，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 原材料化學(xué)組分Tab.2 Chemical composition of raw materials %

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1配比設(shè)計(jì)與試樣制備

配比設(shè)計(jì)如表3所示，表中各組分摻量均為與干淤泥的質(zhì)量比。例如，表3中的編號(hào)“H1S1F14L6”表示NaOH、Na2SO4、粉煤灰和石灰的摻量分別為1%、1%、14%和6%。淤泥初始含水量全部調(diào)配為60%，以模擬天然高含水率淤泥。每一組固化試樣的測(cè)試養(yǎng)護(hù)齡期均為7 d和28 d。

表3 配比設(shè)計(jì)Tab.3 Mix design

圖1 淤泥試樣Fig.1 Solidified sludge sample

先將淤泥自然晾曬，然后60 ℃完全烘干，破碎并過(guò)2 mm篩，之后加水制備成初始含水量為60%的淤泥，再將其與固化劑混合，采用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢? min，最后將固化淤泥漿倒入PVC圓柱形模具(內(nèi)徑和高度均為50 mm)，機(jī)械振動(dòng)去除內(nèi)部滯留的氣泡。將裝有試樣的模具放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱室，溫度為(20±1)℃，相對(duì)濕度≥90%。試樣硬化脫模后，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期(7 d、28 d)，如圖1所示。每種配比均制備3個(gè)平行試樣，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度終值。

1.2.2抗壓試驗(yàn)和微觀測(cè)試

參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[10]，選用全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，加載速率為1 mm/min。從固化淤泥試樣內(nèi)部取斷裂碎塊，用無(wú)水酒精浸泡以中止水化，液氮冷凍后抽真空干燥，從中選取具有自然斷面的碎塊進(jìn)行SEM測(cè)試，另外選取碎塊研磨過(guò)篩(0.075 mm)后，取約20 mg粉末進(jìn)行XRD分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，即在摻加14%粉煤灰和6%石灰的條件下，不同激發(fā)劑對(duì)固化淤泥強(qiáng)度的影響規(guī)律。整體而言，未添加激發(fā)劑時(shí)固化淤泥(F14L6)抗壓強(qiáng)度最小，說(shuō)明單一的石灰-粉煤灰混合料的固化效果不佳。摻加2%NaOH、14%粉煤灰和6%石灰的固化淤泥(H2F14L6)，養(yǎng)護(hù)至第7 d、第28 d的抗壓強(qiáng)度分別為596 kPa、1 053 kPa；摻加2%Na2SO4、14%粉煤灰和6%石灰的固化淤泥(S2F14L6)，養(yǎng)護(hù)至第7 d、第28 d的抗壓強(qiáng)度分別為639 kPa、1 081 kPa，表明這兩種固化淤泥的抗壓強(qiáng)度差別較小。當(dāng)NaOH單獨(dú)作為激發(fā)劑時(shí)，可提供充足的OH-，而粉煤灰的主要化學(xué)成分有SiO2和Al2O3，二者的化學(xué)反應(yīng)如下：

(1)

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.2 Unconfined compressive strength

SiO2+Ca2++2OH-→CaO·SiO2·H2O(C—S—H)。

(2)

(3)

因此，雖然Na2SO4和NaOH單獨(dú)激發(fā)石灰-粉煤灰混合料的基本原理有所不同，但是對(duì)于石灰-粉煤灰混合料而言，Na2SO4與NaOH的單獨(dú)激發(fā)效果相當(dāng)。H1S1F14L6試樣的強(qiáng)度最大，表明NaOH和Na2SO4兩者復(fù)合激發(fā)效果最好。這是因?yàn)樵贜aOH和Na2SO4的共同作用下，會(huì)同時(shí)生成C—S—H膠凝和鈣礬石，既可膠結(jié)土顆粒，又能充填固相間孔隙，從而提高了固化淤泥的整體強(qiáng)度。

圖3 X射線(xiàn)衍射譜圖(28 d)Fig.3 XRD patterns (28 d)

2.2 X射線(xiàn)衍射分析

圖3為28 d齡期H1S1F14L6試樣的X射線(xiàn)衍射譜圖。對(duì)于在原淤泥中摻加1% NaOH、1% Na2SO4、14%粉煤灰和6%石灰的試樣，除了最顯著的石英(SiO2)衍射峰，也檢測(cè)到了明顯的氫氧鈣石(Ca(OH)2)和碳酸鈣(CaCO3)，并在2θ=45°區(qū)域出現(xiàn)水化硅酸鈣(C—S—H)。在水介質(zhì)作用下，堿激發(fā)劑有效激發(fā)粉煤灰潛在活性組分，導(dǎo)致粉煤灰結(jié)構(gòu)中Si—O鍵和Al—O鍵發(fā)生斷裂，重新聚合生成水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)和微觀形貌

圖4為28 d齡期F14L6和H1S1F14L6試樣的掃描電鏡圖。由圖4(a)可以觀察到大量表面光滑完整的球形粉煤灰顆粒，凝膠狀水化產(chǎn)物少，固相之間連接不緊密，存在孔隙，結(jié)構(gòu)比較松散，這是F14L6試樣強(qiáng)度低的主要原因。添加1% NaOH和1% Na2SO4進(jìn)行復(fù)合激發(fā)的效果如圖4(b)所示，可觀測(cè)到大量不規(guī)則膠凝產(chǎn)物(C—S—H)，并將土顆粒和被侵蝕的粉煤灰膠結(jié)成整體，結(jié)構(gòu)非常密實(shí)，與上述強(qiáng)度演化和XRD測(cè)試分析結(jié)果一致。

圖4 固化淤泥試樣掃描電鏡圖(28 d)Fig.4 SEM of solidified sludge samples (28 d)

3 結(jié)論

本研究對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期、激發(fā)劑類(lèi)型及用量等多種因素影響下堿激發(fā)粉煤灰固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、化學(xué)組分和微觀特征進(jìn)行了探究，主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)于石灰-粉煤灰混合料而言，Na2SO4與NaOH的單獨(dú)激發(fā)效果相當(dāng)。

(2)相比單獨(dú)激發(fā)，NaOH與Na2SO4復(fù)合激發(fā)效果最佳。

(3)不添加堿激發(fā)劑的條件下，單一石灰難以激發(fā)粉煤灰的活性，固化效果極差。