孔祥輝,梁允鵬,張進(jìn)港,王瀟康,張峰榮

(1.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101;2.山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250001)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)與城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,對河道航運(yùn)與防汛排澇的要求也進(jìn)一步提高。疏浚工程在維護(hù)河道通航與防洪防汛能力的同時(shí),也帶來了大量難以處理的底泥。疏浚底泥通常具有含水率高、強(qiáng)度低、孔隙大等特點(diǎn)[1],目前的處理方式多為就近棄放,占用了大量寶貴的土地資源[2-3]。對疏浚底泥進(jìn)行固化處理,使其轉(zhuǎn)化為可再生利用的巖土工程材料是有效途徑之一[4]。在固化材料的選擇上,硅酸鹽水泥作為傳統(tǒng)固化劑備受青睞,但水泥的生產(chǎn)過程通常伴隨著高能源消耗與高CO2排放等與環(huán)境不可調(diào)和的問題。因此,尋求一種綠色環(huán)保的新型固化材料來替代傳統(tǒng)水泥便顯得尤為重要[5-6]。

活性MgO是菱鎂礦在700 ℃溫度下煅燒而成,遠(yuǎn)低于生產(chǎn)水泥原料的鍛燒溫度,是一種比水泥更具發(fā)展持續(xù)性的膠凝材料,近幾年備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。王東星等[7-8]利用MgO聯(lián)合粉煤灰對疏浚底泥進(jìn)行了固化改良,發(fā)現(xiàn)固化后的底泥不僅力學(xué)性能有顯著提升,在耐久性上也有明顯的改善;WANG Lei等[9]研究了MgO水泥聯(lián)合粉煤灰、玻璃粉等富硅廢料對底泥的固化效果,發(fā)現(xiàn)富硅廢渣的摻入明顯提高了固化土的力學(xué)性能;黃濤等[10]進(jìn)行了活性MgO聯(lián)合微生物固化黃土的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)固化土的強(qiáng)度與MgO摻量、養(yǎng)護(hù)齡期正相關(guān)。

與此同時(shí),隨著工業(yè)廢渣的大量排放和堆存,尋求大規(guī)模的廢渣資源化綜合利用迫在眉睫[11]。已有研究表明,有些工業(yè)廢渣是良好的輔助膠凝材料,有利于固化效果的提高[12]。在眾多工業(yè)廢渣材料中,鋼渣由于具有與水泥類似的化學(xué)組成成分,在多數(shù)研究中均有被提及,但鋼渣本身活性較弱,需要在堿性環(huán)境下才能發(fā)揮自身潛在的火山灰反應(yīng),并且鋼渣的水化產(chǎn)物能夠與脫硫石膏中含有的硫酸鹽進(jìn)一步反應(yīng),二者存在著良好的協(xié)同關(guān)系。為此,眾多學(xué)者對含有鋼渣與脫硫石膏的復(fù)合膠凝體系開展過相關(guān)研究。SHEN Jiansheng等[13]使用脫硫石膏、鋼渣和礦渣聯(lián)合水泥熟料研發(fā)了新型固化劑DGSC,對軟土進(jìn)行固化處理,結(jié)果表明DGSC的固化效果與水泥相當(dāng),甚至固化土的28 d強(qiáng)度略高于水泥土;WANG Xue等[14]采用脫硫石膏、鋼渣、水泥作為固化材料時(shí),發(fā)現(xiàn)脫硫石膏能部分激發(fā)鋼渣的活性;從上述研究可以看出,目前國內(nèi)外對鋼渣-脫硫石膏復(fù)合體系的研究已取得了豐碩成果,但大部分仍集中于水泥基領(lǐng)域,對于氧化鎂摻入鋼渣與脫硫石膏復(fù)合體系的研究鮮有報(bào)道。

筆者采用活性氧化鎂(MgO)、脫硫石膏(desulfuri-zation gypsum, DG)和鋼渣(steel slag, SS)對疏浚底泥進(jìn)行固化改良,通過單摻試驗(yàn)、響應(yīng)面試驗(yàn)、X射線衍射試驗(yàn)(XRD)與掃描電鏡試驗(yàn)(SEM),明確固化材料對底泥強(qiáng)度的影響規(guī)律及最佳摻量,分析固化底泥中水化產(chǎn)物與微觀結(jié)構(gòu)的變化,并探討MgO-DG-SS固化疏浚底泥的微觀機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)所用土樣取自濟(jì)南市小清河防汛治理工程,由于疏浚出的底泥在取樣之前已在施工場地經(jīng)過了長時(shí)間的晾曬,因此底泥的初始含水率并不高。土樣的基本物理性質(zhì)如表1,顆粒粒徑f級配曲線見圖1,其中礫粒組含量為13.7%,砂粒組含量為62.7%,細(xì)粒組含量為23.6%,屬于細(xì)粒土質(zhì)砂。

圖1 疏浚底泥顆粒級配曲線

表1 疏浚底泥基本性質(zhì)

1.2 固化材料

氧化鎂購自上海某鎂業(yè)公司,呈粉末狀無味無毒,測定比表面積為72 m2/g,具有較好的反應(yīng)活性;脫硫石膏是處理含硫煙氣后得到的副產(chǎn)品,主要是由二水硫酸鈣與少量半水硫酸鈣組成,試驗(yàn)中使用的脫硫石膏取自濟(jì)南某火電廠,呈粉末狀,易受潮;鋼渣是煉鋼產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品,試驗(yàn)所用的鋼渣產(chǎn)自山東某煉鋼廠,呈顆粒狀,粒徑均在2 mm以下,較為堅(jiān)硬。經(jīng)測定,固化材料的化學(xué)成分如表2。

表2 固化材料化學(xué)成分

2 試驗(yàn)方案與方法

首先,分別開展氧化鎂、脫硫石膏和鋼渣固化底泥的單摻試驗(yàn),以不同摻量不同養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)為指標(biāo),得到各固化材料對底泥強(qiáng)度的影響規(guī)律。其次,基于單摻試驗(yàn)結(jié)果,采用響應(yīng)面法確定復(fù)合固化材料的最佳摻量。再次,對固化底泥進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)(XRD)與掃描電鏡試驗(yàn)(SEM),通過分析水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu),明確強(qiáng)度增長的微觀機(jī)理。

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》,采用靜壓法制備φ50 mm×50 mm的圓柱試件,壓實(shí)度為98%。脫模后立即用密封保鮮膜包裹并編號、記錄,隨即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。待試件制備完成并養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期之后,進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。加載速率設(shè)定1 mm/min,加載直至試件出現(xiàn)破壞,記錄破壞時(shí)的最大壓力,每組3個(gè)平行試件,最終結(jié)果取平均值。

2.2 單摻試驗(yàn)

為明確各固化材料對疏浚底泥強(qiáng)度的影響規(guī)律,對3種固化材料分別進(jìn)行單摻試驗(yàn)。通過前期試探性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鋼渣摻量過大時(shí)會(huì)引起試件強(qiáng)度降低,因此鋼渣摻量不易過高。將氧化鎂、脫硫石膏、鋼渣按照不同質(zhì)量比摻入疏浚底泥,養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后,以UCS為評價(jià)指標(biāo),分析各固化材料的固化效果,并優(yōu)選出固化材料的摻量范圍。單摻試驗(yàn)方案如表3。

表3 單摻試驗(yàn)方案

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

試驗(yàn)采用中心組合設(shè)計(jì)法[15],設(shè)計(jì)三因素(X1、X2、X3)五水平(0,±1,±β)方案,其中自變量因素為氧化鎂摻量X1、脫硫石膏摻量X2、鋼渣摻量X3;響應(yīng)值為固化底泥養(yǎng)護(hù)28 d的UCS值(Y28),五水平對應(yīng)響應(yīng)值的最低、低、中、高、最高,β=2K/4=1.682,其中K為自變量總數(shù),K=3。

2.4 X射線衍射試驗(yàn)(XRD)

試驗(yàn)所用儀器為日本理學(xué)Ultima IV的X射線衍射儀,試樣取自28 d UCS試件,把碎塊放入40 ℃烘箱中持續(xù)烘干48 h以上,之后取出烘干試樣仔細(xì)研磨,過0.075 mm篩。

2.5 掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)

試驗(yàn)儀器為日本電子JSM-7610F型場發(fā)射掃描電鏡儀,取28 d UCS試件的未破壞部分,切削成約1 cm3的小立方體。將小立方體試件放置在烘箱內(nèi)持續(xù)烘干48 h以上,完全排出試件中的自由水。試驗(yàn)前將試件掰斷,取斷裂面干凈整潔的小塊土粒進(jìn)行噴金處理,然后把噴金試件放置在掃描電鏡儀內(nèi),抽完真空后即可進(jìn)行掃描觀察。

3 結(jié)果與分析

3.1 單摻試驗(yàn)

3.1.1 氧化鎂(MgO)

圖2為MgO對疏浚底泥抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。由圖2可以看出,固化底泥的抗壓強(qiáng)度隨MgO摻量的增加而增大,以7 d養(yǎng)護(hù)齡期為例,5%、10%、15%、20%、25%摻量的MgO固化底泥,比未固化的底泥強(qiáng)度分別提高了297%、921%、1 356%、1 669%、1 856%。這主要是由于MgO水化能生成具有膠結(jié)性的水化產(chǎn)物,因此當(dāng)MgO摻量增加時(shí),固化底泥中生成的水化產(chǎn)物也相應(yīng)增多,試件的抗壓強(qiáng)度隨之增強(qiáng)。當(dāng)MgO摻量一定時(shí),固化底泥的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長呈增大趨勢,以10%MgO摻量為例,7 d養(yǎng)護(hù)齡期下試件強(qiáng)度能達(dá)到60 d強(qiáng)度的73%,說明在前7 d養(yǎng)護(hù)階段MgO水化較為迅速,MgO固化底泥呈現(xiàn)出早強(qiáng)性[16]。

圖2 MgO固化底泥

由圖2中強(qiáng)度的增長曲線能夠發(fā)現(xiàn),各齡期試件在5%摻量時(shí)均存在一個(gè)閾值點(diǎn),當(dāng)超過5%摻量時(shí),試件強(qiáng)度增長幅度明顯增大,同時(shí)考慮材料的經(jīng)濟(jì)成本,因此優(yōu)選MgO的摻量范圍為5%～15%。

3.1.2 脫硫石膏(DG)

圖3為DG對疏浚底泥抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。由圖3可以看出,隨著DG摻量的增加,固化底泥的強(qiáng)度也呈增大趨勢,但固化效果遠(yuǎn)低于MgO固化底泥。7 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí),5%、10%、15%、20%、25%摻量的DG固化底泥,比未固化底泥的強(qiáng)度分別提高了46%、103%、162%、236%、262%。固化效果不明顯的主要原因是由于DG水化反應(yīng)程度較低,生成的水化產(chǎn)物較少,對底泥顆粒的黏結(jié)作用不強(qiáng)。隨著齡期的增長,DG固化底泥的強(qiáng)度增長平緩。

圖3 DG固化底泥

盡管DG摻量的增加有助于固化底泥強(qiáng)度的提高,但根據(jù)相關(guān)報(bào)道發(fā)現(xiàn),當(dāng)DG摻量過多時(shí),會(huì)與復(fù)合膠凝體系中的硅鋁物質(zhì)反應(yīng)生成過量的鈣礬石,從而引起試件結(jié)構(gòu)膨脹,降低整體強(qiáng)度。鑒于此,筆者優(yōu)選DG的摻量范圍為5%～15%。

3.1.3 鋼渣(SS)

圖4為SS對疏浚底泥抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。由圖4可以看出,SS對底泥強(qiáng)度的提升效果并不理想,試件強(qiáng)度隨SS摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,其峰值出現(xiàn)在5%摻量時(shí),而當(dāng)摻量超過5%后強(qiáng)度快速下降。出現(xiàn)這種情況的原因在于,當(dāng)SS摻量較小時(shí),SS顆粒能填充土體結(jié)構(gòu)中的孔隙與裂縫,從而提高結(jié)構(gòu)的整體性,表現(xiàn)為試件強(qiáng)度的提高;而當(dāng)SS摻量多于5%后,過多的SS顆粒則會(huì)破壞結(jié)構(gòu)的整體性,表現(xiàn)為試件強(qiáng)度的降低。養(yǎng)護(hù)齡期對試件強(qiáng)度的影響較大,尤其是60 d齡期下的試件強(qiáng)度增長效果明顯,與3 d齡期下的試件強(qiáng)度相比,5%SS固化底泥在60 d的強(qiáng)度能提高44%。這驗(yàn)證了SS活性低,水化反應(yīng)慢,養(yǎng)護(hù)后期強(qiáng)度增長幅度大的特性。

圖4 SS固化底泥

充分考慮SS的潛在活性與摻量過大引起的劣化效果,選取強(qiáng)度峰值前后的摻量作為SS的優(yōu)選摻量范圍,即2.5%～7.5%。

由MgO、DG和SS的單摻試驗(yàn)結(jié)果可知,3種材料對疏浚底泥的改良都有一定的積極作用,其中MgO的固化效果最為顯著,其次為DG,而SS的改良效果最弱。綜合考慮3種材料的固化效果與經(jīng)濟(jì)成本,對于筆者所研究的疏浚底泥來講,MgO的適宜摻量范圍為5%～15%,DG適宜摻量為5%～15%,SS適宜摻量為2.5%～7.5%。

3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

在Design-expert中進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì),試驗(yàn)中變量與相應(yīng)的水平編碼見表4。其中,X1、X2、X3相對應(yīng)的低值和高值分別取5%和15%,5%和15%,2.5%和7.5%,響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案如表4。其中,自變量Xi按式(1)進(jìn)行編碼:

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)方案

(1)

式中:xi為摻量;x0為中心值;Δxi為變化步長。

設(shè)計(jì)6組中心點(diǎn)試驗(yàn),即M0=6,則試驗(yàn)組合數(shù)量為2K+2K+M0=20。根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)法對試驗(yàn)方案進(jìn)行組合排列,測得不同方案下的響應(yīng)值并將試驗(yàn)組合與響應(yīng)值結(jié)果見表5。

表5 中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 顯著性檢驗(yàn)與回歸方程

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸擬合,并采用F分布對回歸結(jié)果進(jìn)行顯著性分析,得到回歸模型系數(shù)與顯著性分析結(jié)果如表6。取顯著性水平α=0.1,由表6可知,該模型結(jié)果差異水平為顯著(P<0.000 1),擬合的相關(guān)系數(shù)為R2=0.974 6,說明采用的模型與實(shí)際情況擬合度較高。

表6 回歸模型系數(shù)及顯著性

Y28=5 536.49+3 014.36X1+1 137.29X2-

(2)

3.2.2 多因子交互作用分析

由表6可看出,雙因子交互項(xiàng)X1X2和X2X3的P值均小于0.1,即MgO-DG、DG-SS之間的交互作用顯著。圖5為兩組雙因子對固化底泥28 d UCS的響應(yīng)曲面圖。由圖5(a)可以看出,隨著MgO與DG摻量的增加,固化底泥的強(qiáng)度有明顯提升,并且二者對強(qiáng)度的聯(lián)合促進(jìn)作用也進(jìn)一步增強(qiáng)。由圖5(b)可以看出,DG與SS的組合也能提高底泥的強(qiáng)度,但由于SS的固化效果較差,導(dǎo)致DG-SS對強(qiáng)度的聯(lián)合促進(jìn)作用低于MgO-DG的。

圖5 雙因子對固化底泥強(qiáng)度的影響

將Y28的最大值作為目標(biāo),對式(2)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算可得X1=-0.476,X2=0.262,X3=0.320,經(jīng)式(1)轉(zhuǎn)碼后,可得當(dāng)MgO摻量7.62%、DG摻量11.31%、SS摻量5.80%時(shí),固化底泥Y28最大,預(yù)測為4.3 MPa。根據(jù)上述計(jì)算所得的最優(yōu)摻量,制備試件并分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d。測得MgO-DG-SS固化底泥的7 d強(qiáng)度為3.56 MPa,滿足JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中對于高速公路、一級公路的極重、特重交通底基層7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于3.0 MPa的要求。同時(shí)測得固化底泥的28 d抗壓強(qiáng)度為4.29 MPa,與預(yù)測值幾乎相同,說明本次響應(yīng)面試驗(yàn)擬合良好。在此摻量下,固化底泥既能達(dá)到一定的強(qiáng)度,又能有效利用大量的工業(yè)廢渣,具備良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。

3.3 微觀特性與機(jī)理分析

3.3.1 X射線衍射試驗(yàn)(XRD)

通過XRD試驗(yàn),觀察不同固化條件下水化產(chǎn)物的變化情況。圖6為疏浚底泥的XRD圖譜,由圖6可知,疏浚底泥主要是由石英(SiO2)、長石〔Na(AlSi3O8)〕與方解石(CaCO3)組成。

圖6 疏浚底泥XRD

MgO、DG、SS單摻固化底泥的XRD圖譜如圖7。由圖7可以看出,MgO固化底泥中主要含有硅、鋁、鎂、鈣的化合物,除了底泥中原有的石英、長石與方解石外,主要的物相為水鎂石〔Mg(OH)2〕和水化硅酸鎂(M-S-H)。在試樣中并未檢測到MgO的存在,說明MgO已基本完成水化反應(yīng)。水化產(chǎn)物Mg(OH)2與M-S-H具有膠結(jié)性能,能夠黏結(jié)土顆粒,使土體微觀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,從而大幅提高底泥的強(qiáng)度。在DG固化底泥中,除DG中含有的二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)外,試件內(nèi)還出現(xiàn)了氫氧鈣石〔Ca(OH)2〕與水化硅酸鈣(C-S-H),這兩個(gè)水化產(chǎn)物對底泥強(qiáng)度的提高都能起到積極作用。在SS固化底泥中,隨著SS的摻入,試件內(nèi)部出現(xiàn)少量水化產(chǎn)物Ca(OH)2與C-S-H,這說明28 d時(shí)SS已發(fā)生水化反應(yīng),但由于水化產(chǎn)物含量較少,對試件強(qiáng)度的增強(qiáng)效果并不明顯。

圖7 單摻固化底泥XRD

MgO-DG-SS固化底泥的XRD圖譜如圖8。由圖8可以看出,固化底泥中的內(nèi)部水化產(chǎn)物更為豐富,除了底泥與單摻試樣中已檢測到的物相,如SiO2、Mg(OH)2、Ca(OH)2、M-S-H、C-S-H等,還檢測到了新的水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣(C-A-H)與鈣礬石(AFt)。說明在MgO-DG-SS復(fù)合膠凝體系中,三者之間的水化反應(yīng)不是簡單的疊加,而是存在相互協(xié)同作用,能促進(jìn)復(fù)合膠凝體系中產(chǎn)生新的水化產(chǎn)物,有利于固化土強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。這同時(shí)也解釋了響應(yīng)面試驗(yàn)中多因子之間顯著的交互作用。

圖8 MgO-DG-SS 固化底泥XRD

3.3.2 掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)

通過掃描電鏡觀察疏浚底泥與固化底泥的微觀結(jié)構(gòu)。圖9為疏浚底泥的SEM圖像,由圖9可以看出,疏浚底泥土顆粒較大且聯(lián)系不緊密,土體結(jié)構(gòu)整體性差,存在較多孔隙與裂縫,宏觀表現(xiàn)為力學(xué)性能較差。

圖9 疏浚底泥SEM (2 000倍)

MgO固化底泥的SEM圖像如圖10。從圖10(a)可以看出,MgO摻量為5%時(shí),土體內(nèi)生成了一定量的絮狀水化產(chǎn)物,由XRD分析可知,水化產(chǎn)物主要為Mg(OH)2和M-S-H。Mg(OH)2和M-S-H具有膠凝性,能附著在土顆粒表面,通過包裹與膠結(jié)作用,增強(qiáng)了土顆粒間的黏結(jié),并能填充部分孔隙。但由于低摻量的MgO產(chǎn)生的膠凝物較少,土顆粒間的大孔隙依然存在。當(dāng)MgO摻量增加到10%時(shí),如圖10(b),土體內(nèi)水化產(chǎn)物明顯增多,土顆粒表面被更多的膠凝物包裹,并且顆粒間的孔隙也被膠凝物填充,使得土體的孔隙和裂縫明顯細(xì)化,固化土的微觀結(jié)構(gòu)整體性也隨之提高。

圖10 MgO固化底泥SEM (2 000倍)

圖11為DG固化底泥的SEM圖像。由圖11可以看出,土體內(nèi)部出現(xiàn)了片狀和絮凝狀兩種水化產(chǎn)物,由XRD分析可知,片狀水化產(chǎn)物為Ca(OH)2晶體,絮凝狀產(chǎn)物為水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)。DG摻量為5%時(shí),生成的水化產(chǎn)物較少,不能有效黏結(jié)土顆粒和填充孔隙,土體內(nèi)部孔隙與裂縫較為明顯,如圖11(a)。將DG摻量增加至10%時(shí),參與水化反應(yīng)的CaO數(shù)量增多,因此水化產(chǎn)物也隨之增加。在這些水化產(chǎn)物的填充與膠結(jié)下,土顆粒之間的聯(lián)系更加緊密,土體內(nèi)部形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),如圖11(b)。

圖11 DG固化底泥SEM (2 000倍)

圖12為SS固化底泥的SEM圖像。由圖12可以看出,土體內(nèi)部也出現(xiàn)了水化產(chǎn)物Ca(OH)2和C-S-H,但與DG固化土相比,水化產(chǎn)物含量很少,說明SS的活性較低。由圖12(a)可以看出,SS摻量為5%時(shí),小粒徑的SS粉粒填充在土顆粒孔隙中,提升了土體結(jié)構(gòu)的整體性,固化土強(qiáng)度的提高除了水化產(chǎn)物的膠凝作用外,還有SS粉粒的物理填充作用。由圖12(b)可以看出,當(dāng)SS摻量增加到10%時(shí),大量散粒體的SS顆粒破壞了土體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),土體中出現(xiàn)了較多大孔隙與裂縫,松散的土體結(jié)構(gòu)抵消了SS粉粒的填充和水化膠凝作用,導(dǎo)致固化土強(qiáng)度降低。

圖12 SS固化底泥SEM (2 000倍)

圖13為MgO-DG-SS固化底泥的SEM圖像。由圖13可以看出,土體內(nèi)部出現(xiàn)了大量不同形貌的水化產(chǎn)物。結(jié)合XRD分析可知,主要水化產(chǎn)物包括絮凝狀的M-S-H、C-S-H和C-A-H,片狀Ca(OH)2以及針狀A(yù)Ft。其中,絮狀水化凝膠通過對土顆粒的包裹與膠結(jié)作用,把分散的土顆粒團(tuán)聚在一起;片狀與針狀的水化產(chǎn)物則填充在顆粒的孔隙間,進(jìn)一步提高土體的密實(shí)度。在水化產(chǎn)物的膠結(jié)與填充作用下,土顆粒之間的邊界逐漸消失,固化土形成了致密的團(tuán)聚體,土體微觀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

圖13 MgO-DG-SS 固化底泥SEM (2 000倍)

3.3.3 固化機(jī)理探討

綜合上述XRD與SEM試驗(yàn)結(jié)果,提出MgO-DG-SS固化疏浚底泥的微觀機(jī)制模型,固化反應(yīng)包含3個(gè)過程,如圖14。

圖14 MgO-DG-SS固化底泥微觀機(jī)制模型

過程①:MgO-DG-SS固化劑摻入疏浚底泥并攪拌均勻后,固化劑中的MgO與CaO迅速發(fā)生水化反應(yīng),產(chǎn)生了大量Mg2+、Ca2+與OH-。隨著3種離子濃度的升高,溶解度較低的弱膠結(jié)產(chǎn)物Mg(OH)2和片狀產(chǎn)物Ca(OH)2逐漸析出,兩種水化產(chǎn)物聯(lián)合SS粉粒的填充作用,增強(qiáng)了土顆粒間的聯(lián)結(jié)。與此同時(shí),溶液中OH-濃度的大幅提高為過程②、③的進(jìn)行提供了有利的堿性環(huán)境。

總之,MgO-DG-SS對疏浚底泥的固化作用主要分為兩部分:一是水化凝膠M-S-H、C-S-H和C-A-H的膠結(jié)作用;二是Ca(OH)2、AFt以及鋼渣粉粒對土體孔隙的填充作用。二者的共同作用使得松散的土體形成了致密的團(tuán)聚體,土體的穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度得到顯著提高。

4 結(jié) 論

為提升河道疏浚底泥的工程性能,采用活性氧化鎂(MgO)、脫硫石膏(DG)和鋼渣(SS)對其固化處理。通過單摻試驗(yàn)、響應(yīng)面試驗(yàn)、X射線衍射試驗(yàn)與掃描電鏡試驗(yàn),對MgO-DG-SS復(fù)合固化材料的固化效果與微觀機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下:

1)單摻試驗(yàn)中,增加MgO和DG的摻量,都能使固化底泥的強(qiáng)度不斷增大,而隨著SS摻量的增加,固化底泥的強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。MgO的固化效果最為顯著,并且由于水化反應(yīng)較快,MgO固化土表現(xiàn)出早強(qiáng)性;DG的固化效果遠(yuǎn)低于MgO的,隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,DG固化土強(qiáng)度增長平緩;SS只有在摻量低于5%時(shí),固化土的強(qiáng)度才有小幅提高,并且強(qiáng)度的增長主要來自于養(yǎng)護(hù)后期。

2)基于響應(yīng)面法,對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合和顯著性分析,得到了固化底泥28 d抗壓強(qiáng)度的回歸方程,并且發(fā)現(xiàn)MgO-DG、DG-SS之間的交互作用顯著。通過對回歸方程進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,可得MgO、DG、SS在固化小清河(濟(jì)南段)疏浚底泥時(shí)的最佳摻量為7.62%、11.31%和5.80%。

3)水化產(chǎn)物Mg(OH)2與M-S-H的膠結(jié)性是MgO固化土強(qiáng)度提高的本質(zhì)原因,而水化產(chǎn)物Ca(OH)2、C-S-H是DG固化土強(qiáng)度增長的主要因素。由于SS的活性較差,SS固化土在前期的強(qiáng)度增長主要來源于SS粉粒的物理填充作用,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,水化產(chǎn)物Ca(OH)2、C-S-H漸漸增多,并成為其后期強(qiáng)度增長的主要因素。MgO-DG-SS復(fù)合膠凝體系中的水化反應(yīng)是相互促進(jìn)的,對于MgO-DG-SS復(fù)合膠凝體系而言,除了上述的水化產(chǎn)物外,在堿性環(huán)境中又產(chǎn)生了C-A-H和AFt,水化產(chǎn)物的包裹、膠結(jié)與填充作用,使得土體微觀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。