堿激發粉煤灰和礦粉改性疏浚淤泥力學特性及顯微結構研究

孫 秀 麗， 童 琦， 劉 文 化， 姚 君， 李 志 強

( 江南大學 環境與土木工程學院， 江蘇 無錫 214122 )

堿激發粉煤灰和礦粉改性疏浚淤泥力學特性及顯微結構研究

孫 秀 麗*， 童 琦， 劉 文 化， 姚 君， 李 志 強

( 江南大學 環境與土木工程學院， 江蘇 無錫 214122 )

采用水玻璃作為堿激發劑激發粉煤灰和礦粉的活性來固化疏浚淤泥，對固化淤泥進行無側限抗壓強度試驗、掃描電鏡(SEM)以及X射線衍射(XRD)測試，研究了固化材料配比、齡期、水玻璃摻量及水玻璃模數對固化疏浚淤泥強度的影響，確定了各組分之間的最佳配比，觀測了固化淤泥的物相組成及顯微結構特征．力學試驗結果表明：水玻璃摻量7%、模數1.0～1.5時對粉煤灰和礦粉的激發效果最優，相比于粉煤灰，水玻璃對礦粉的激發效果更佳；水玻璃模數相同的情況下，礦粉摻量越大強度越高；各組分最優配比(疏浚淤泥、礦粉、水玻璃質量比為60∶40∶7)時，28 d無側限抗壓強度可達到12 140 kPa．SEM和XRD試驗結果顯示：在水玻璃的激發下，固化淤泥水化生成長石類和沸石類等晶相，這些晶相連接緊密，形成致密的微觀結構，這是固化后疏浚淤泥強度的最重要來源．

疏浚淤泥；固化；抗壓強度；顯微結構；礦粉；粉煤灰

0 引 言

河流、湖泊、港口航道、水利等治理過程中產生的疏浚淤泥每年都在增加，淤泥處理已經成為了急需解決的問題[1-4]．將淤泥固化成建筑材料是一種經濟、環保的處理方法，不僅實現了資源化再利用，還可避免疏浚淤泥的二次污染[5]．

傳統的化學固化方法是將水泥作為固化材料，已經取得了大量的研究成果．孟慶山等[6]對武漢東湖淤泥進行了早強固化試驗研究，認為水泥在固化過程中起到主導作用，當水泥摻量為20%、粉煤灰是水泥摻量的3倍、石膏是水泥摻量的20%時得到的7 d抗壓強度為3 590 kPa，28 d抗壓強度為4 210 kPa．曹玉鵬等[7]采用水泥-生石灰-高分子添加劑新型復合材料處理疏浚淤泥，認為強度隨著水泥和生石灰摻入比增大而增大，早期強度達到500 kPa，28 d強度達到1 200 kPa．桂躍等[8]采用粉煤灰、礦渣、磷石膏作為主固化劑，添加少量的生石灰或水泥作反應誘發劑處理高含水率淤泥，認為磷石膏復合固化劑的固化效果最理想．Zentar等[9]進行了水泥和粉煤灰固化海洋沉積物的研究，結果表明：當水泥摻量為3%～9%，養護28 d強度從940 kPa增長到2 240 kPa，而加入3%粉煤灰會削弱強度．Shi等[10]認為堿性激發劑，如NaOH、Na2CO3、Na2O·nSiO2和Na2SO4最容易獲得且最為經濟．易耀林等[11]用3種不同的堿激發礦粉固化連云港軟土，發現NaOH與礦粉共同作用效果最優，90 d強度接近2 000 kPa．王紅喜等[12]利用水玻璃和工業廢渣制備雙液注漿材料，取得了較高的固化強度．

只摻加粉煤灰和礦粉而不摻加水泥等膠凝材料來固化淤泥的研究還較少，水玻璃含量和水玻璃模數對激發粉煤灰和礦粉活性的影響以及三者與淤泥混合后的相互作用及硬化后強度特性還未可知．本文選取水玻璃作為激發劑，采用粉煤灰和礦粉作為主要固化材料固化疏浚淤泥，完全代替水泥、石膏等材料，來研究粉煤灰和礦粉摻量、水玻璃摻量及水玻璃模數對固化疏浚淤泥強度的影響并揭示反應機理．

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

疏浚淤泥取自無錫市孔灣太湖疏浚淤泥堆場，測定其含水量為68.9%，液塑限均較高，分別為62.4%和27.7%；通過X熒光分析得到淤泥主要化學成分，如表1所示；采用激光粒度分布儀法測定疏浚淤泥的粒徑分布，繪制顆粒級配曲線如圖1(a)所示；采用比重計法測定疏浚淤泥的粒徑分布，繪制顆粒級配曲線如圖1(b)所示．

淤泥放置干燥箱烘干至恒重，干燥箱溫度控制在105～110 ℃，烘干不少于8 h，烘干后用粉碎機粉碎，過粒徑0.5 mm篩子．主要固化材料為粉煤灰與礦粉，采用激光粒度分布儀法測定粒徑分布，繪制顆粒級配曲線如圖2所示．粉煤灰為Ⅰ級，偏深灰色，比表面積為800 m2/kg，礦粉為S95級，呈灰白色，比表面積為400 m2/kg，由無錫市某廠家提供，其化學成分如表1所示．激發劑水玻璃由上海某化工廠配制，為無色半透明黏稠狀液體，化學式Na2O·nSiO2，模數范圍為1.0～3.0．

表1 疏浚淤泥、粉煤灰和礦粉的化學成分

(a) 激光粒度分布儀法

(b) 比重計法

圖1 疏浚淤泥的顆粒級配曲線

Fig.1 Grain size gradation curve of dredged silt

1.2 試驗配比及方法

試驗中疏浚淤泥與粉煤灰和礦粉的質量比為6∶4，其中粉煤灰和礦粉摻量總和為40%．水玻璃添加量取淤泥與粉煤灰和礦粉總量的2%、5%、7%、9%，水玻璃零摻量作為對比組．試驗配比如表2所示．對每組工況均進行不同水玻璃模數對比試驗，水玻璃模數為1.0、1.5、2.0、2.5和3.0．

圖2 粉煤灰和礦粉的顆粒級配曲線

表2 固化疏浚淤泥混合料組分含量

采用無側限抗壓強度試驗探討固化劑配比、激發劑性質及齡期對固化疏浚淤泥力學特性的影響，根據《土工試驗規程》將試樣制成高12.5 cm、直徑6.18 cm的圓柱體，在(20±2) ℃下分別養護3、7和28 d．

2 試驗結果與討論

2.1 無側限抗壓強度

選取工況F0S40為例，不同水玻璃模數下應力-應變關系曲線如圖3所示．由圖可以看出，應力峰值隨著齡期的增長而增長，應力-應變關系為應變軟化型．

不同齡期和水玻璃模數下，F0S40的無側限抗壓強度如表3所示．由表可以看出，沒有水玻璃激發和添加模數為2.5和3.0的水玻璃時，粉煤灰和礦粉的活性幾乎都沒有發揮出來，固化后疏浚淤泥28 d無側限抗壓強度分別為150、200和250 kPa左右；水玻璃模數為1.0、1.5和2.0時，激發效果顯著，粉煤灰和礦粉活性充分發揮，固化疏浚淤泥28 d無側限抗壓強度分別達到12 140.53、8 431.42和9 806.64 kPa．固化疏浚淤泥試樣的峰值應變較小，范圍在1.0%～2.8%，差異不大．水玻璃添加與否及模數大小對粉煤灰和礦粉活性的激發效果影響很大，固化疏浚淤泥的強度相差最大達76倍．

(a) 不加水玻璃

(b) 模數1.0

(c) 模數1.5

(d) 模數2.0

(e) 模數 2.5

(f) 模數3.0

圖3 固化疏浚淤泥應力-應變關系曲線(F0S40)

表3 不同水玻璃模數下工況F0S40的無側限抗壓強度

Tab.3 Unconfined compressive strength of F0S40 under different water glass modulus

水玻璃模數強度/kPa3d7d28d081．31113．44159．741．03390．727280．1512140．531．51949．604434．618431．422．0864．754434．629806．642．5142．21134．71197．323．0199．70168．53259．12

2.2 粉煤灰和礦粉摻量對固化疏浚淤泥強度的影響

粉煤灰和礦粉的摻量對固化疏浚淤泥的強度有直接的影響，圖4為不同水玻璃模數下固化疏浚淤泥無側限抗壓強度隨粉煤灰和礦粉摻量變化曲線．從圖4(a)、(e)和(f)中可以看出，模數為2.5和3.0與不加水玻璃的情況下，隨著粉煤灰和礦粉摻量的變化無側限抗壓強度變化均不大．由此看出，模數為2.5和3.0的水玻璃對激發粉煤灰和礦粉的活性作用不大，強度的來源主要依靠粉粒的吸水和填充作用，此時，粉煤灰和礦粉摻量的變化對淤泥的強度影響很小，可以忽略不計．圖4(b)～(d)中水玻璃模數分別為1.0、1.5、2.0時，隨著礦粉摻量的增加試樣強度增加，并且礦粉摻量越大，試樣強度增長幅度越大．

水玻璃對礦粉的激發作用要強于粉煤灰，激發礦粉的效果非常明顯，其中礦粉對試樣強度的增長起主導作用．主要原因是，在堿性條件下，玻璃體中的[SiO4]4-容易解聚而與其他物質發生水化反應，礦粉中的玻璃體含量較粉煤灰中的多．另外，礦粉中CaO的含量是粉煤灰的6倍左右，水玻璃中的含水硅酸鈉水解后生成NaOH與Si(OH)4，含水硅膠結合溶液中的Ca2+和OH-，生成(含鈣、鋁和鎂)硅酸鹽晶體．電鏡掃描(SEM)和X射線衍射(XRD)的測試分析可以印證這一反應機理．

(a) 不加水玻璃

(b) 模數1.0

(c) 模數1.5

(d) 模數2.0

(e) 模數2.5

(f) 模數3.0

圖4 粉煤灰和礦粉的摻量與固化疏竣淤泥無側限抗壓強度關系

Fig.4 Relationship of fly ash and slag content and unconfined compressive strength of solidified dredged silt

2.3 水玻璃摻量與無側限抗壓強度關系

(2)招標代理人員。其屬于評標以及開標會議的組織者，主要的職責就是為評委評標提供相應的協助服務以及專業咨詢等。

圖5為水玻璃摻量與無側限抗壓強度的關系(以F0S40為例)．由圖5可以看出，水玻璃的摻量對無側限抗壓強度影響比較大．當水玻璃摻量為0時，28 d無側限抗壓強度僅為159.74 kPa；而水玻璃摻量為7%時，28 d無側限抗壓強度為12 140.53 kPa，是水玻璃摻量為0時的76倍多．當水玻璃摻量繼續增加，無側限抗壓強度呈下降趨勢，摻量在7%左右時較優．

試樣的無側限抗壓強度隨水玻璃摻量的增加先升高后降低，主要原因是，水玻璃水解產物為NaOH和Si(OH)4，由于后者呈膠體狀態，吸附液相中的硅氧陰離子團，促進水化產物的形成，有助于礦粉的解聚過程，因此隨著水玻璃、礦粉和淤泥之間化學反應的進行，反應產物之間形成致密的結構，試樣顆粒間的膠結力不斷增大，從宏觀上表現為無側限抗壓強度的升高．水玻璃摻量較小時，反應物中1≤r(Si/Al)≤3，生成的產物為三維網狀結構；水玻璃摻量增加到一定值時，反應物中r(Si/Al)>3，生成的產物向二維鏈狀過渡，二維結構不如三維結構強度高[13]．而當水化反應進行到一定程度時，反應生成的產物只能填充在其結構表面，過量的水玻璃會在聚合反應后殘留下來，延遲礦粉與水玻璃固化淤泥的時間，降低其強度[14]．

圖5 水玻璃摻量與無側限抗壓強度關系

2.4 水玻璃模數對固化疏浚淤泥強度的影響

水玻璃模數對試樣強度影響很大，如圖6所示，水玻璃模數從1.0增加到3.0，試樣強度先增大后減小，每個工況試樣的無側限抗壓強度最高值都集中在1.0～1.5這一模數范圍內．

養護齡期對各工況的影響規律與水玻璃模數有關，礦粉摻量為40%，水玻璃模數為1.0、1.5和2.0時，養護3～28 d強度增長了2～7 MPa，而模數為2.5和3.0時幾乎沒什么變化．水玻璃的模數增加，SiO2與Na2O比值增加，Na2O的含量降低，水玻璃溶液中的pH會降低．Fraay等[15]研究認為粉煤灰中的玻璃體結構要在pH>13.4 的堿性條件下才能被破壞，堿性偏低不足以激發出粉煤灰的活性．因此，水玻璃模數大于2.0時，基本上沒有激發效果，而模數在1.0～1.5時，水玻璃激發礦粉活性效果最好．

(a) F0S40

(b) F10S30

(c) F20S20

(d) F30S10

(e) F40S0

圖6 水玻璃模數與固化疏竣淤泥無側限抗壓強度關系

Fig.6 Relationship of water glass modulus and unconfined compressive strength of solidified dredged silt

2.5 固化疏浚淤泥的物相組成和顯微結構

選取兩組代表性的試樣進行試驗，一組是天然疏浚淤泥，另一組是工況F0S40養護28 d固化疏浚淤泥，分別進行了SEM和XRD分析，分析其固化前后的微觀結構并定性分析生成的水化產物，從機理上解釋固化疏浚淤泥的強度來源．

太湖疏浚淤泥的SEM照片如圖7所示，原狀太湖疏浚淤泥中鱗片狀的黏土礦物呈明顯的邊-邊結構，顆粒間連接不緊密，存在較多孔隙，結構比較松散，這也是原狀淤泥強度低、穩定性差的主要原因．太湖疏浚淤泥的XRD圖譜如圖8所示．太湖疏浚淤泥的主要物相組成有兩類：一是晶相，主要有鈣沸石和石英；二是黏土礦物，主要是伊利石和蒙脫石．固化疏浚淤泥的SEM照片如圖9所示，疏浚淤泥中顆粒間連接緊密，孔隙很少，結構密實，是固化后淤泥強度高的主要原因．固化疏浚淤泥的XRD圖譜如圖10所示．檢測到物相也有兩類：一是晶相，主要有石英、鈉長石、正長石、鈉沸石、鈣沸石；二是黏土礦物，主要有伊利石．其中晶相是固化疏浚淤泥基質重要的組成部分，對改善其力學性能起到主導作用．

圖8 原狀淤泥XRD圖譜

圖9 固化疏浚淤泥的SEM照片

圖10 固化疏浚淤泥的XRD圖譜

3 結 論

(1)工況F0S40在常溫養護28 d的條件下，無側限抗壓強度可達到12 140.53 kPa，達到粉煤灰蒸養磚的強度要求，可為淤泥固化后的資源化利用提供一定的數據支持．

(2)水玻璃的模數是影響粉煤灰和礦粉活性的關鍵指標，水玻璃模數為1.0、1.5和2.0時無側限抗壓強度較高，其中模數為1.0～1.5時最優，而當水玻璃模數為2.5和3.0時基本上與未添加水玻璃的強度相當．

(3)養護齡期越長，水玻璃激發粉煤灰和礦粉后活性越強，水玻璃對潛在膠凝材料活性的激發需要一定的時間．

(4)水玻璃激發礦粉固化疏浚淤泥發生水化反應，生成長石類和沸石類物相，試樣孔隙較少，結構致密，是固化后淤泥強度高的重要原因．

(5)水玻璃激發粉煤灰和礦粉固化疏浚淤泥的長齡期的力學強度和水穩性等性能仍需通過大量試驗進一步研究．

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silt

Studyofmicrostructureandmechanicalpropertiesofdredgedsiltsolidifiedusingflyashandslagstimulatedbyalkali

SUNXiuli*,TONGQi,LIUWenhua,YAOJun,LIZhiqiang

(SchoolofEnvironmentandCivilEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)

Water glass is used as alkali activator to activate the activity of fly ash and slag to solidify dredged silt, and unconfined compressive strength tests, scanning electron microscopy (SEM) and X ray diffraction (XRD) tests are carried out to investigate the effect of material ratio, curing age, water glass content and modulus on the solidified dredged silt strength. Furthermore, the optimum ratio between components is determined, and the phase composition and microstructure characteristics of the solidified silt are observed. The mechanical experiment results indicate that the stimulatory effect of water glass on fly ash and slag is the best when water glass content is 7% and the modulus is between 1.0 and 1.5. The hydration activity of slag is better than that of fly ash in the alkali conditions. Furthermore, the unconfined compressive strength of the solidified dredged silt increases with the increasing of slag content under the same water glass modulus. Under the optimum ratio that the mass ratio of dredged silt, slag and water glass is 60∶40∶7, the 28 d unconfined compressive strength is up to 12 140 kPa. The results of SEM and XRD show that the hydration products feldspar and zeolite-like phases form dense microstructures, which are the most important sources of the solidified dredged silt strength.

dredged silt; solidification; compressive strength; microstructure; slag; fly ash

1000-8608(2017)06-0622-07

TU41

A

10.7511/dllgxb201706011

2016-10-13；

2017-07-30．

國家自然科學基金資助項目(51609102)；大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室開放基金資助項目(LP1613)；江蘇省大學生創新訓練項目(2016101Z).

孫秀麗*(1976-)，女，博士，副教授，E-mail:sunxiuli@jiangnan.edu.cn.