李廣金，向舟海，李豐江，高鴻，亞洲，操子明，張國柱

（1.中建四局第三建設(shè)有限公司，貴州 遵義 563000；2.東南大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 211189）

0 前言

河道淤泥是一種天然含水量大于液限、天然孔隙比≥1.5的黏性土[1]。其主要由細(xì)粒土組成，富含有機(jī)質(zhì)并含有部分污染物，具有含水率高、壓縮性大、承載力低、滲透性差等特點(diǎn)，因此河道淤泥若在工程中應(yīng)用必須經(jīng)過固化處理。目前，常用的河道淤泥固化方法有物理固化、化學(xué)固化和微生物固化等[2-4]。研究發(fā)現(xiàn)[5-6]，對淤泥進(jìn)行固化處理后，可以使得淤泥的巖土特性得到顯著改善，包括密度、最佳含水率、流動(dòng)狀態(tài)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和耐久性等。目前，隨著河道水質(zhì)和航道疏浚的不斷改善，河道疏浚工作也在大規(guī)模開展，導(dǎo)致大量淤泥堆積。同時(shí)，隨著城市化進(jìn)程加快，對污水處理設(shè)施建設(shè)和污泥處置水平要求的不斷提高，計(jì)劃到2030年，消除城市建成區(qū)的黑臭水。這對污泥的固化處理提出了更高的要求，需要更專業(yè)、更細(xì)致的研究。

以往對淤泥固化改性的研究發(fā)現(xiàn)，不同固化劑處理污泥的機(jī)理和變化規(guī)律不同。何俊等[7]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及X射線衍射試驗(yàn)研究了水玻璃、堿渣和礦渣固化河道淤泥的機(jī)理，結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，堿渣含量對強(qiáng)度的影響較為明顯，而隨著齡期的延長，水玻璃對試件強(qiáng)度增長的影響變大。Lang等[8]研究了水泥和鋼渣粉混合固化的淤泥強(qiáng)度變化特征及其微觀機(jī)理，結(jié)果表明，水泥固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣粉摻量的增加呈先提高后降低的趨勢；當(dāng)鋼渣粉摻量為5%～10%時(shí)，固化淤泥的無側(cè)限強(qiáng)度提高最顯著；對于含腐殖酸的固化淤泥，采用15%～20%鋼渣粉作為水泥固化劑的外加劑是最好的選擇。談云志等[9]對長齡期養(yǎng)護(hù)的試件（60、80、120 d）進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果表明，淤泥中有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的腐殖酸會(huì)溶蝕固化淤泥中生成的凝膠物質(zhì)，導(dǎo)致使其強(qiáng)度降低。加入偏高嶺土可以提高水泥-石灰固化淤泥的耐久性，且使得固化淤泥不易受腐殖酸的侵蝕，進(jìn)而提高固化淤泥的長期強(qiáng)度。Wang等[10]以水泥、粉煤灰及短聚丙烯纖維作為淤泥的固化劑，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果表明，固化劑的摻入可提高固化淤泥的剛度和脆性，但粉煤灰含量過高會(huì)抑制固化淤泥強(qiáng)度的發(fā)展，最佳纖維含量為0.1%。

考慮到成本效益、環(huán)境保護(hù)和廢物利用，本研究分別采用水泥-粉煤灰、水泥-高爐礦粉作為固化劑固化淤泥，研究固化劑種類及摻量，以及養(yǎng)護(hù)齡期對固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并對固化淤泥的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，揭示水泥-粉煤灰及水泥-高爐礦粉對淤泥的固化機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）淤泥：取自貴州省遵義市蝦子河治理工程蝦子河干流（黑塘子水庫下游與湘江匯流處），原狀土表層呈黃褐色，內(nèi)層黑色，有明顯的汽油味，有機(jī)質(zhì)含量豐富。原狀淤泥的初始含水率為35.2%，但由于淤泥長期堆積在江邊，在長期堆積和運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室過程中蒸發(fā)了大量的水分。因此，淤泥樣品的初始含水率略低于天然含水率。淤泥的基本物理性能見表1。

（2）水泥：P·O42.5，貴州遵義某水泥廠產(chǎn)，比表面積381 m2/kg，3、28 d抗壓強(qiáng)度分別為26.1、54.1 MPa，3、28 d抗折強(qiáng)度分別為5.4、8.3MPa，初、終凝時(shí)間分別為150、210min。

（3）粉煤灰：貴州遵義某電廠，F(xiàn)類Ⅰ級，主要化學(xué)成分見表2。

（4）高爐礦粉：貴州遵義某鋼鐵廠，主要化學(xué)成分見表2，其中CaO含量達(dá)到37.20%，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)用粉煤灰。

表2 試驗(yàn)用粉煤灰和礦粉的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

試樣制備前，將淤泥用錘子壓碎，切成小塊，置于陽光下風(fēng)干曝曬48 h，然后粉碎，過2 mm篩，去除其中的大顆粒雜質(zhì)。在干燥狀態(tài)下，按照表3的設(shè)計(jì)比例將不同種類、不同配比的固化劑與淤泥粉末混合。

表3 固化淤泥的配比

為了模擬河道淤泥在天然狀態(tài)下的固化情況，將其含水率調(diào)整為40%，將各試樣所需的蒸餾水用噴壺均勻噴灑在淤泥與固化劑的混合物上，并通過自動(dòng)混合器再次混合，充分?jǐn)嚢瑁瑸楸ＷC淤泥和固化劑完全混合，攪拌時(shí)間定為5min。當(dāng)所有攪拌工序完成后，適當(dāng)采取養(yǎng)護(hù)措施，以保持水分平衡，再將混合物放入模具制樣。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件尺寸為φ50 mm×100 mm，在模具中壓實(shí)至少5層，脫模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中分別養(yǎng)護(hù)至1、7、28d。此外，將另一組試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后放置在室溫[（25±2）℃]去離子水中24 h，作為對照組。之后測試每個(gè)試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1、7、28 d以及對照組試樣的內(nèi)部碎塊在105℃烘箱中烘干，取5 mm左右、斷面平整不受擾動(dòng)的方形試塊進(jìn)行SEM試驗(yàn)。

固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用南京同科技術(shù)有限公司深（淺）平板載荷試驗(yàn)荷載-位移傳感器進(jìn)行測試，軸向變形速率為1 mm/min，每組3個(gè)試件，取平均值。

采用FEI公司的場發(fā)射掃描電鏡（QUANTA FEG650）觀察固化淤泥的微觀結(jié)構(gòu)，SEM土樣均保存在干燥機(jī)中進(jìn)行干燥處理。然后將掃描電鏡土壤樣品經(jīng)濺射鍍金后置于掃描電鏡下觀察，防止因電荷積聚使得表面產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

測試不同固化劑種類及摻量的固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并利用強(qiáng)度差、強(qiáng)度比以及強(qiáng)度增長率評價(jià)齡期對固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。強(qiáng)度差（ΔUCSm-n）和強(qiáng)度增長率（UCSgr（m-n））的定義如式（1）和式（2）所示：

式中：ΔUCSm-n——養(yǎng)護(hù)齡期m天與n天的強(qiáng)度差，kPa；

UCSm、UCSn——養(yǎng)護(hù)齡期為m天、n天時(shí)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa。

不同固化劑種類及摻量對固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、強(qiáng)度差及強(qiáng)度增長率的影響如表4所示。

表4 不同固化劑種類及摻量對固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、強(qiáng)度差及強(qiáng)度增長率的影響

2.1 不同齡期時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化

由表4可見：

（1）采用2種復(fù)合固化劑固化的淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨齡期的延長而提高。

（2）采用15%水泥+10%粉煤灰固化淤泥（2#試樣），1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為137.6kPa，而7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度已經(jīng)分別達(dá)到了428.0、1024.2 kPa，強(qiáng)度差ΔUCS7-1和ΔUCS28-7分別為290.4、596.2 kPa。采用15%水泥+30%高爐礦粉固化淤泥（10#試樣），ΔUCS7-1和ΔUCS28-7分別為438.2、1824.2 kPa。這主要是由于水泥、粉煤灰以及高爐礦粉不斷進(jìn)行水化反應(yīng)，生成了許多膠凝物質(zhì)，隨著齡期的延長，水化產(chǎn)物不斷增多，對淤泥中的土顆粒起到了良好的粘結(jié)作用，并且水化產(chǎn)物也適當(dāng)填補(bǔ)了固化淤泥中的孔隙，從而提高了固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

（3）采用粉煤灰的固化淤泥1～7d的強(qiáng)度增長率要高于7～28 d的強(qiáng)度增長率。這主要是由于固化淤泥養(yǎng)護(hù)的早期強(qiáng)度來源主要為水泥的水化作用，而粉煤灰的水化作用以及火山灰作用在早期并不能得到充分發(fā)揮，這致使粉煤灰對于固化淤泥的早期強(qiáng)度增長并不明顯，這也印證了激發(fā)劑濃度增大，會(huì)降低粉煤灰固化的工作性能，但有利于固化物強(qiáng)度提高的結(jié)論[11]。

2.2 固化劑種類對固化淤泥強(qiáng)度的影響

由表4可見，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，水泥和粉煤灰的協(xié)同作用相較于水泥和高爐礦粉更強(qiáng)，可使得固化淤泥的早期強(qiáng)度增長較快；但隨著齡期逐漸延長，采用水泥-高爐礦粉的固化淤泥強(qiáng)度提高更顯著，逐漸遠(yuǎn)超水泥-粉煤灰固化淤泥。

1 d齡期時(shí)，相同固化劑摻量下，水泥-粉煤灰固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于水泥-高爐礦粉固化淤泥。固化劑摻量分別為5%、10%、15%、20%、30%時(shí)，水泥-粉煤灰固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為水泥-高爐礦粉固化淤泥的1.06、1.35、1.35、1.04、1.03倍。

7 d齡期時(shí)，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度已經(jīng)超過了同等摻入比例的水泥-粉煤灰固化淤泥，如固化劑摻量為5%時(shí)，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度6 d內(nèi)提高了366.9 kPa，而水泥-粉煤灰固化淤泥提高了265.0 kPa，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅更大，強(qiáng)度更高。

28 d齡期時(shí)，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于水泥-粉煤灰固化淤泥。固化劑摻量分別為5%、10%、15%、20%、30%時(shí)，水泥-高爐礦粉固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為水泥-粉煤灰固化淤泥的1.46、2.07、2.00、1.91、1.78倍。這主要是由于高爐礦粉中的Al2O3、CaO和MgO含量較粉煤灰中的多，齡期足夠長時(shí)，體系內(nèi)的水化反應(yīng)充分發(fā)生，所以水泥-高爐礦粉固化淤泥中的膠凝物質(zhì)含量更多，使得土體的粘聚力更強(qiáng)、孔隙更少、更加密實(shí)，從而使得長期齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高。

2.3 固化劑摻量對固化淤泥強(qiáng)度的影響

由表4可見：

（1）當(dāng)水泥摻量不變時(shí)，隨粉煤灰摻量的增加，固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷提高。對于養(yǎng)護(hù)齡期1 d和7d的固化淤泥，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度雖有提高，但變化幅度不大，而對于養(yǎng)護(hù)齡期28 d的固化淤泥，當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為749.0 kPa，隨著粉煤灰摻量逐步增加至10%、15%、20%、30%，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了36.7%、41.5%、55.1%、82.3%。這表明粉煤灰摻量的增加對于固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升具有顯著的促進(jìn)作用。采用水泥、粉煤灰等無機(jī)膠凝材料對淤泥進(jìn)行固化時(shí)，其主要發(fā)生的是膠凝材料的水化反應(yīng)，膠凝材料生成的水化產(chǎn)物可以對土壤顆粒起到膠結(jié)作用，并且填補(bǔ)原始淤泥中的部分孔隙，從而提高了強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰摻量為10%～15%時(shí)，水化反應(yīng)的程度基本相同，所以生成的水化產(chǎn)物數(shù)量以及對應(yīng)固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也基本相同。當(dāng)粉煤灰摻量增加至20%～30%時(shí)，水化反應(yīng)又會(huì)進(jìn)一步發(fā)生，水化產(chǎn)物生成量增加，使土顆粒之間的粘結(jié)作用更強(qiáng)，從而提高強(qiáng)度。

（2）采用水泥-高爐礦粉對淤泥進(jìn)行固化，隨著高爐礦粉摻量的增加，固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷提高，28 d齡期時(shí)，摻30%高爐礦粉的固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較摻5%高爐礦粉的固化淤泥提高了1.23倍。

2.4 固化淤泥的水穩(wěn)定性

摻入固化劑后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d浸水24 h的淤泥試樣形態(tài)如圖1所示。

由圖1可見，摻入固化劑后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的固化淤泥完全浸水24 h后形態(tài)沒有任何破損，表面并未觀察到氣泡產(chǎn)生、明顯的破壞崩解現(xiàn)象[12]，以及文中所提的崩解破壞和散沙狀分布。粉煤灰和高爐礦粉對固化淤泥水穩(wěn)定性的改善作用主要是由于水泥和粉煤灰、高爐礦粉等反應(yīng)生成的膠凝材料，將分散的土顆粒粘聚在一起，形成具有整體性的空間結(jié)構(gòu)骨架，并在一定程度上填補(bǔ)了原有固化淤泥的孔隙，從而提高了固化淤泥的水穩(wěn)定性。

表5為不同粉煤灰與高爐礦粉摻入比例下標(biāo)養(yǎng)7 d以及標(biāo)養(yǎng)7 d后浸水24h的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比。

表5 不同粉煤灰與高爐礦粉摻量下固化淤泥浸水前后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比

由表5可見，標(biāo)養(yǎng)7 d后浸水24 h，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高。對于水泥固化的淤泥而言，粉煤灰和高爐礦粉的摻入有助于提高水泥固化淤泥的耐水性能，與現(xiàn)有的研究[9]，水泥作為堿性激發(fā)劑，激發(fā)粉煤灰潛在的火山灰特性，從而改善淤泥的強(qiáng)度耐久性的結(jié)論一致。摻入5%粉煤灰和高爐礦粉，標(biāo)養(yǎng)7 d后浸水24 h使得固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高至514.6、1008.9 kPa，提高幅度分別為46.4%、125.0%；摻入30%粉煤灰和高爐礦粉，標(biāo)養(yǎng)7 d后浸水24 h使得固化淤泥試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高至825.5、2063.7 kPa，提高幅度分別達(dá)到了51.4%、237.5%。以上分析證明，粉煤灰和高爐礦粉的摻入可明顯改善水泥固化淤泥的水穩(wěn)定性，并且可以使得復(fù)合固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到顯著提高。一方面，粉煤灰和高爐礦粉的摻入填補(bǔ)了的水泥固化淤泥殘存的孔隙，進(jìn)而提高了土體的密實(shí)度，從而提高強(qiáng)度；另一方面，粉煤灰和高爐礦粉的摻入顯著增加了水化產(chǎn)物的數(shù)量，粘結(jié)更多的土顆粒，從而達(dá)到增強(qiáng)的效果。

2.5 微觀分析

原狀淤泥的SEM照片如圖2所示，可以明顯觀察到顆粒較為分散，且其間存在這大量孔隙，這也是致使原狀淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度極低的原因。

15%水泥+10%高爐礦粉固化淤泥、15%水泥+10%粉煤灰固化淤泥、15%水泥+30%粉煤灰固化淤泥在不同水化齡期的SEM照片見圖3。

由圖3（a）、（b）可見，對于15%水泥+10%高爐礦粉固化淤泥，7、28 d齡期時(shí)體系中水化產(chǎn)物的數(shù)量存在明顯差異，28 d齡期產(chǎn)生的水化產(chǎn)物要遠(yuǎn)多于7 d齡期的。這說明，養(yǎng)護(hù)齡期越長，生成的水化產(chǎn)物也就越多，導(dǎo)致無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也就越高，這與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。

對比圖3（a）、（c）可見，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，用高爐礦粉固化的淤泥，水化反應(yīng)相對更強(qiáng)，產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)也更多，固化淤泥之間的孔隙結(jié)構(gòu)也更加密實(shí)，相比于粉煤灰固化的試樣更具有整體性，分散的土顆粒被水化生成的CSH和CAH緊密地膠結(jié)起來，對淤泥的宏觀力學(xué)性能起到了增強(qiáng)作用。

由圖3（d）～（f）可見，對于15%水泥+30%粉煤灰固化淤泥，在養(yǎng)護(hù)初期（1 d齡期），體系內(nèi)孔隙數(shù)目相對較多，體系內(nèi)分布著許多光滑的球形塊體，即粉煤灰顆粒，在球形塊體的表面生成很多較細(xì)、較短的針棒狀晶體結(jié)構(gòu)，為初期發(fā)育的鈣礬石晶體，此外，體系內(nèi)還分布著片狀結(jié)構(gòu)，為水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2。7d齡期時(shí)，體系內(nèi)依然存在未反應(yīng)的粉煤灰球體顆粒，淤泥顆粒逐漸被片狀及針棒狀結(jié)構(gòu)團(tuán)聚在一起，形成較大的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，針棒狀的鈣礬石晶體也逐漸聚集變粗變長，填補(bǔ)土顆粒的孔隙。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，體系內(nèi)已經(jīng)幾乎沒有未反應(yīng)的粉煤灰顆粒，水化反應(yīng)生成物逐步增多，使得淤泥顆粒與水化產(chǎn)物粘聚形成的團(tuán)聚體數(shù)目更多，針棒狀的鈣礬石相互交錯(cuò)形成，形成空間網(wǎng)絡(luò)狀的晶體結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了固化淤泥體系中的孔隙，相比1 d與7 d時(shí)，結(jié)構(gòu)明顯更加致密，因而強(qiáng)度得到顯著提高。

3 結(jié)論

（1）水泥-粉煤灰及水泥-高爐礦粉的加入，對于不同齡期的固化淤泥均有增強(qiáng)作用。隨著粉煤灰和高爐礦粉摻量的增加，在30%摻量范圍內(nèi)均有良好的增強(qiáng)作用。

（2）隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷提高。水泥-粉煤灰固化前7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長速率相較后21 d后更快，主要是由于水泥的水化作用起到主導(dǎo)作用。

（3）當(dāng)水泥摻量相同時(shí)，粉煤灰、高爐礦粉2種固化劑相比，早期粉煤灰固化淤泥的強(qiáng)度增長較快，而后隨著齡期延長，高爐礦粉固化淤泥的強(qiáng)度會(huì)逐步反超同摻量的粉煤灰固化淤泥，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，高爐礦粉固化淤泥強(qiáng)度遠(yuǎn)高于粉煤灰固化淤泥。

（4）粉煤灰和高爐礦粉的摻入有效改善了水泥固化淤泥的水穩(wěn)定性，使得固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得以顯著提高。