高摻量粉煤灰淤泥固化土無側限抗壓強度試驗研究

程強強，姚越，崔胥陽，陰琪翔，3

（1．江蘇建筑職業技術學院建筑建造學院，江蘇徐州 221116；2.江蘇省現代建筑工業化技術工程實驗室，江蘇徐州 221116；3．徐州市新型建筑工業化與信息化工程研究中心，江蘇徐州 221116；4.江蘇建筑職業技術學院建筑智能學院，江蘇徐州 221116）

0 引 言

我國是產煤大國，目前仍使用煤炭作為電力生產基本燃料。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國粉煤灰總量呈逐年增加趨勢：1995年約為1.25 億t，2000 年約為1.5 億t，2010 年約為3 億t，2015 年約為6.2 億t，2017 年達6.86 億t，預計在未來仍會保持增長的趨勢，到2024 年將達到9.25 億t[10]。如此規模且不斷增長的粉煤灰如不妥善處理，會污染環境甚至會危害人體和生物。與發達國家相比，我國粉煤灰綜合利用率還較低，這給國民經濟建設及生態環境保護造成巨大的壓力。

在傳統的水泥、二灰固化淤泥的基礎上，開發高摻量粉煤灰淤泥固化土，減少普通硅酸鹽水泥用量，有利于降低生產成本、改善生態環境。本文以不同粉煤灰摻量、養護齡期為影響因素，重點研究高摻量粉煤灰條件下淤泥固化土的無側限抗壓強度、變形模量及破壞模式，以期為固廢粉煤灰、淤泥的資源化利用提供新的路徑，同時為淤泥固化工程實踐降低成本提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗材料

淤泥：新加坡某地鐵車站工程，其基本物理性質如表1 所示?，F場挖取海相淤泥時可見較明顯的貝殼、碎石等雜物，將挖取的淤泥樣本放入PVC 塑料桶運輸至實驗室備用。

表1 淤泥的物理性質

固化材料：CEM II/B-V 型復合水泥，其物理力學性能如表2 所示。CEM II/B-V 型復合水泥中普通硅酸鹽水泥占比65.5%，粉煤灰質量占比34.5%。復合水泥的主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。

表2 復合水泥的物理力學性能

1.2 試驗方法

本試驗以粉煤灰摻量和養護齡期為變量，重點研究不同摻量粉煤灰對淤泥固化土無側限抗壓強度的影響。BS EN197-1：2000 規定粉煤灰復合水泥中水泥質量占比為65%~79%，粉煤灰質量占比最大為35%[11]。試驗配合比為m（淤泥）∶m（粉煤灰）∶m（普通硅酸鹽水泥）∶m（水）=5∶0.345∶0.655∶6、2∶0.345∶0.655∶3、1∶0.345∶0.655∶2；對應粉煤灰摻量分別為6.9%、17.25%、34.5%，養護齡期分別為7、14、28、90 d。

依據文獻[12-13]中海相淤泥的重塑和三軸試樣制備方法，首先對海相淤泥重塑，然后按照粉煤灰摻量分別為6.9%、17.25%、34.5%，制備直徑為50 mm、高度為100 mm 的圓柱體試樣，試樣成型后在去離子水中標準養護7、14、28、90 d 進行試驗。采用Wykeham Farrance 三軸試驗設備，無側限抗壓強度采用恒定加載速率1 mm/min，每組3 個試樣。

2 結果與分析

2.1 各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土的強度

各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土無側限抗壓強度試驗的應力-應變曲線如圖1 所示。

圖1 各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土的應力-應變曲線

從圖1 可以看出：

中華民族自古以來是一個自信的民族。中華文明是世界上唯一不曾中斷的文明，在相當長的歷史階段中，中華民族的硬實力和軟實力都是世界一流的，中華文明是世界上先進的文明形態，中華民族是世界上強盛的民族，這些是中華民族自信形成的客觀基礎。中華民族的自信是在自我肯定中內生的，是在與其他民族的交流和相互比較中強化的。隨著歷史的發展，這種民族自信內化為中華優秀傳統文化的一部分，并且沉淀為中華民族的文化基因，長期深刻影響著中華文明的發展走勢。

（1）粉煤灰摻量為6.9%時，14 d 養護齡期的強度是7 d的1.2 倍，28 d 養護齡期的強度是14 d 的1.9 倍，90 d 養護齡期的強度是28 d 的1.5 倍。粉煤灰摻量為17.25%時，14 d 養護齡期的強度是7 d 的1.5 倍，28 d 養護齡期的強度是14 d的1.2 倍，90 d 養護齡期的強度是28 d 的2.1 倍。粉煤灰摻量為34.5%時，14 d 養護齡期的強度是7 d 的1.4 倍，28 d 養護齡期的強度是14 d 的1.4 倍，90 d 養護齡期的強度是28 d 的2.0倍。

（2）7 d 養護齡期時，17.25%粉煤灰摻量淤泥固化土的強度是6.9%摻量時的2.0 倍，34.5%粉煤灰摻量淤泥固化土的強度是17.25%摻量時的2.1 倍。14 d 養護齡期時，17.25%粉煤灰摻量淤泥固化土的強度是6.9%摻量時的3.0 倍，34.5%粉煤灰摻量淤泥固化土的強度是17.25%摻量時的2.0 倍。28 d 養護齡期時，17.25%粉煤灰摻量淤泥固化土的強度是6.9%摻量時的1.9 倍，34.5%粉煤灰摻量淤泥固化土的強度是17.25%摻量時的2.2 倍。90 d 養護齡期時，17.25%粉煤灰摻量淤泥固化土的強度是6.9%摻量時的3.0 倍，34.5%粉煤灰摻量淤泥固化土的強度是17.25%摻量時的2.2 倍。

（3）隨著粉煤灰摻量的增加、養護齡期的延長，淤泥固化土的無側限抗壓強度提高且表現出相同的增長趨勢：養護齡期在28~90 d 時無側限抗壓強度增幅最為顯著。主要原因是粉煤灰淤泥固化土中粉煤灰在養護齡期較短時的火山灰作用未充分發揮，養護齡期延長至28~90 d 時，粉煤灰的火山灰活性充分顯現，對提高淤泥固化土的強度產生積極作用。

（4）無論養護齡期長短，粉煤灰摻量越多，淤泥固化土的無側限抗壓強度越高，且隨粉煤灰摻量的倍數增加而倍數增加。直接原因是粉煤灰的填充效應，高摻量粉煤灰填充淤泥固化土的內部細小孔隙，使淤泥固化土的結構致密，強度提高。6.9%低摻量粉煤灰的淤泥固化土峰值強度較低；17.25%中等摻量粉煤灰的淤泥固化土峰值強度較低，但90 d 養護齡期峰值強度較28 d 增幅顯著；34.5%高摻量粉煤灰的淤泥固化土峰值強度較低摻量粉煤灰增幅明顯，90 d 養護齡期較28 d 增幅顯著，28 d 養護齡期內增幅不明顯。表明34.5%高摻量粉煤灰、90 d 長齡期條件下，粉煤灰淤泥固化土的強度改性效果好。

2.2 淤泥固化土的變形模量

各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土的變形模量E50如圖2 所示。

圖2 各齡期下不同摻量粉煤灰淤泥固化土的變形模量E50

從圖2 可以看出，對于淤泥固化土，當養護齡期從7 d 延長至90 d 時，不同粉煤灰摻量時的變形模量呈現出不同的變化規律。6.9%低摻量、7~14 d 短齡期時E50增幅較少；34.5%高摻量、7~14 d 短齡期時E50增幅較小，28~90 d 長齡期時E50增幅較大。主要由于粉煤灰的火山灰效應或水化反應短期效應不明顯，且摻量少時對淤泥固化土的強度提高效果不佳。28~90 d 長齡期粉煤灰的火山灰效應或水化反應作用顯現，致使淤泥固化土的骨架結構致密，宏觀上表現為淤泥固化土無側限抗壓強度和變形模量E50提高。

2.3 淤泥固化土的破壞模式

6.9%低摻量、34.5%高摻量粉煤灰淤泥固化土的破壞照片如圖3、圖4 所示。

圖3 6.9%低摻量粉煤灰淤泥固化土的破壞照片

圖4 34.5%高摻量粉煤灰淤泥固化土的破壞照片

從圖3、圖4 結合前文分析可以看出：

（1）隨粉煤灰摻量增加、養護齡期延長，淤泥固化土的強度及剛度提高，7～90 d 齡期呈現出韌性減小、脆性增大的趨勢。

（2）粉煤灰摻量為6.9%時，隨齡期的延長強度提高不明顯，淤泥固化土的強度較低呈現塑性破壞，說明6.9%低摻量時無論養護齡期長短，粉煤灰改良淤泥固化土的效果不佳。

（3）粉煤灰摻量為34.5%時，養護齡期7、14、28、90 d 的淤泥固化土試樣強度增幅較大，短齡期14 d 較7 d 增幅不明顯，長齡期90 d 較28 d 增幅最顯著，表明高摻量粉煤灰淤泥固化土的無側限抗壓強度提高的同時韌性和延展性隨之降低。因此，高摻量粉煤灰在長養護齡期條件下，淤泥固化土的改性效果顯著，從室內試驗研究的角度分析高摻量粉煤灰具有淤泥固化工程應用的可行性。

3 結 論

（1）隨養護齡期延長，淤泥固化土的無側限抗壓強度隨之提高，不同粉煤灰摻量7~28 d 齡期強度的增幅不明顯，28~90 d 齡期的強度增幅明顯。

（2）低摻量粉煤灰淤泥固化土的無側限抗壓強度較低，隨齡期增加幅度較??；高摻量粉煤灰淤泥固化土在28~90 d 齡期的強度和變形模量增幅最為顯著。粉煤灰早期火山灰效應和水化效應對淤泥固化土的強度特性改善效果不明顯，28~90 d 齡期改善效果顯著。

（3）隨粉煤灰摻量的增加、養護齡期的延長，淤泥固化土試件破壞由塑性變形向脆性變形轉變，7 d 齡期未出現剝落現象，28 d、90 d 齡期出現不同程度的剝落現象。

（4）34.5%高摻量粉煤灰淤泥固化土在90 d 長齡期強度改性效果較好，說明在高摻量長齡期條件下，固廢粉煤灰淤泥固化土具有潛在的工程應用前景，這為工業廢料粉煤灰用于治理廢棄淤泥提供了以廢治廢的思路。