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大掺量低钙粉煤灰固化淤泥水稳性试验研究 1 研究背景及目 挖掘和处理污泥是全世界许多国家必须解决的问题。在我国,仅珠三角地带的年淤泥疏浚量就达到8uf0b4107m3。在法国,仅6个自治港和17个内河港的淤泥疏浚量就达到2.5uf0b4107~4.5uf0b4107m3(干料体积)。在美国,江河湖海航道中的淤泥疏浚量达3uf0b4108m3,其中约5uf0b4107m3淤泥直接倾倒于海洋。因此,需要采取行之有效的措施处理如此大量的废弃疏浚泥,以避免淤泥堆积造成占用土地和污染环境。 目前,在海洋倾倒和陆地抛填等常规方法受到越来越多国家质疑的同时,淤泥固化稳定化技术由于其成本低、效率高、效果好和可再生填土材料等优点而备受推崇。该方法既可有效解决淤泥占用土地和污染环境的问题,又可为沿海地区工程建设提供大量工程填料。国内许多学者针对疏浚淤泥固化处理进行了一系列深入研究。他们研究了固化土的物理属性、力学特性和变形规律,分析了强度增长机制和影响因素,其中部分学者还给出了强度与固化剂掺量及龄期的预测数学关系式。对于固化剂的探索,学者们除研究无机复合材料外,如专用固化剂、粉煤灰、炉渣和磷石膏等,还有部分学者尝试利用高分子无机材料设计新型固化材料固化淤泥。 燃煤发电厂排出的粉煤灰长期大量积压堆放,不仅占用土地,而且污染大气和水系,甚至还会对人体和生物造成危害。文献指出,粉煤灰排放已经成为中国工业固体废物的最大单一污染源;2009年,中国粉煤灰产量达到3.75uf0b4108t,体积达到4.24uf0b4108m3。然而,对环境危害极大的粉煤灰综合利用率目前实际只有30%左右。 基于以废治废的思想,本文在传统水泥和石灰固化方法的基础上利用大掺量低钙粉煤灰、水泥和石灰进行海相淤泥固化处理,以期改善淤泥的力学性质和耐久性特征,达到废弃淤泥和粉煤灰双重资源化利用的目的。研究旨在:(1)分析大掺量粉煤灰淤泥固化土的击实特征与强度特性;(2)研究未固化淤泥及大掺量粉煤灰淤泥固化土的水稳性;(3)研究冻融循环对淤泥固化土的破坏作用。 2 试验材料 2.1 基本物理性质指标 试验淤泥取自法国敦刻尔克海港东部港区底泥疏浚工程,其基本物理性质指标如表1所示。根据土的分类方法,试验用泥属高液限黏土,其塑性图如图1所示。底泥挖出后,立刻放入预备的塑料桶中,其初始含水率为液限的1.71倍。 2.2 粉煤灰的基本物理性质 研究采用低钙粉煤灰、水泥和石灰作淤泥固化材料。低钙粉煤灰中Ca O含量小于1%,且Si O2+Al2O3含量大于70%,归为F类粉煤灰,其基本物理性质见表2。 水泥和石灰既可作为固化剂与淤泥发生多种反应,又可充当碱激活剂与低钙粉煤灰发生火山灰反应。水泥主要化学成分为Ca O、Si O2和Al2O3,含量分别占总质量的63.3%、21.4%、3.3%。石灰主要化学成分为Ca O,其含量大于90%。 3 试样制备和强度试验 文献中明确规定了石灰、水泥等固化土室内干法击实试验方法。首先将高含水率淤泥试样风干粉碎,测定其实际含水率;将土样均分成5~7份,并加水至预定含水率之后分别掺加石灰、水泥和粉煤灰;机械搅拌后将试样放入塑料袋中按规范规定时间进行闷料,然后进行重型标准击实试验。各固化剂掺加量见表3,粉煤灰掺量较大,固定为混合料总干质量的20%。 根据击实试验确定的最大干密度和最优含水率,制备直径为50 mm、高度为100 mm的圆柱体试样,并放入特制密封塑料盒中。将试样标准养护(温度20℃uf0b11℃,相对湿度98%)28、90 d之后,进行无侧限抗压强度试验和劈裂法间接抗拉强度试验。强度试验采用INSTRON 5500R 4206-006型微机控制电子万能试验机,且对每个类型试样至少做3次平行试验。 为模拟潮湿和多雨环境下淤泥试样的水稳性,依据文献进行浸水软化试验。将标准养护28 d的试样置入去离子水中浸泡32 d,水外温度维持常温20℃,之后将试样取出沥水1 h,进行无侧限抗压强度试验。 依据文献,在实验室密闭系统内进行冻融循环试验,可以模拟在没有水分交换情况下淤泥试样抵抗冬夏季节温度骤变的能力。将标准养护28 d的试样浸入去离子水1 d以饱和试样,之后取出沥水1 h。用密封塑料薄膜包裹试样,放入密闭系统中进行20个冻融循环,之后进行无侧限抗压强度试验。单个冻融循环持续24 h,具体过程如下:在10℃维持4 h,之后4 h内匀速下降至-10℃,在-10℃维持14 h,最后2 h内匀速上升至10℃。 4 试验结果与分析 4.1 大量低钙粉煤灰掺加的影响 未固化淤泥和淤泥固化土的击实曲线,即干密度随实测含水率变化曲线,如图2所示。由此确定未固化淤泥和淤泥固化土的最大干密度和最优含水率见表4。对于未固化淤泥,其最大干密度为1.61 g/cm3,最优含水率为2