多源固废基固化剂对不同含水率淤泥固化效果研究.pdf
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1、晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂0引言为改善水质、保证水系和航道畅通,我国每年都要开展大规模的河湖疏浚工程,不可避免地产生大量疏浚淤泥1-3。当前,河流湖泊疏浚淤泥通常采用拋填方式进行处置,不仅形成软弱地基,难以利用,而且占用大量土地,造成二次污染。如何高效处置数量日益增长的废弃疏浚淤泥是全球关注的一个问题。目前,国内外最常采用的固化处理方法在有效处置淤泥的同时,还将固化淤泥作为工程建设材料,即通过向淤泥中添加水泥、石灰等固化剂,使淤泥中的水、黏土矿物与固化剂发生一系列物理化学反应,以改善淤泥的工程性质,从而达到资源化利用的目的。目前处理
2、疏浚淤泥的 2 种固化工艺,一种是常用的固化处理方法4,即一般需要先进行降低含水率的预处理,先进的多源固废基固化剂对不同含水率淤泥固化效果研究黄虎1,王安辉2,张艳芳2,倪娇娇2,荣辉1,3(1.天津城建大学 材料科学与工程学院,天津300384;2.中建安装集团有限公司,江苏 南京210023;3.天津城建大学建筑绿色功能材料重点实验室,天津300384)摘要:为解决传统固化剂硅酸盐水泥(P)能耗高、CO2排放高等问题,研究了以普通硅酸盐水泥(OPC)-矿渣微粉(GBFS)-钢渣微粉(SS)-脱硫石膏(DG)体系制备的土体固化剂(固化剂 G)对不同含水率淤泥无侧限抗压强度的影响,并分析其固化
3、机理。结果表明,在淤泥含水率 17%时,G 固化体强度略高于 P 固化体,而淤泥含水率 45%和 70%时,G 固化体 7 d 强度略高于 P 固化体,28 d 强度则低于 P 固化体。原因是固化剂 G 在淤泥土中能快速生成大量针棒状的钙矾石(AFt),将淤泥土颗粒连接在一起,形成三维空间网络,并且后期水化硅酸钙凝胶持续增多,逐步填充孔隙,形成致密的整体,强度提高。关键词:土体固化剂;淤泥固化;无侧限抗压强度;固化机理中图分类号:TU447文献标识码:A文章编号:1001-702X(2023)10-0111-06Study on the effect of multi-source solid
4、 waste-based curing agent on curing sludgewith different water contentHUANG Hu1,WANG Anhui2,ZHANG Yanfang2,NI Jiaojiao2,RONG Hui1,3(1.School of Materials Science and Engineering,TianJin ChengJian University,Tianjin 300384,China;2.China Construction Industrial&Energy Engineering Group Co.Ltd.,Nanjing
5、 210023,China;3.Tianjin Key Laboratory of Building Green Functional Materials,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China)Abstract:In order to solve the problems of high energy consumption and high CO2emission of traditional curing agent(P)forPortland cement,this paper investigates the effect
6、of soil curing agent prepared by ordinary Portland cement(OPC)-slag micronizedpowder(GBFS)-steel slag micronized powder(SS)-desulfurization gypsum(DG)system(G)on the unconfined compressive strength ofsilt with different moisture contents and its curing mechanism.The study showed that at 17%silt wate
7、r content,the strength of Gcured body was slightly higher than that of P cured body,while at 45%and 70%silt water content,the 7 d strength of G curedbody was slightly higher than that of P cured body,and the 28 d strength was lower than that of P cured body.The curing effectof curing agent G ability
8、 to rapidly generate a large number of needle-like calcium alumina(AFt)in the silt soil,which connectsthe silt particles together to form a three-dimensional spatial network,and the continuous increase of hydrated calcium silicate gel(C-S-H)in the later stage,which gradually fills the pores and form
9、s a dense whole and the strength develops continuously.Key words:soil curing agent,solidification of silt,unconfined compressive strength,curing mechanism基金项目:住房和城乡建设部科学技术计划项目(2021-K-114);江苏省建设系统科技项目(2021ZD53)收稿日期:2022-12-27;修订日期:2023-07-07作者简介:黄虎,男,1998 年生,硕士研究生,E-mail:。通讯作者:王安辉,博士,高级工程师,E-mail:。中国
10、科技核心期刊111新型建筑材料圆园23援10淤泥脱水技术能够高效脱水,但脱水程度、难易程度以及经济性不同,进而会导致施工成本变高、效率大大降低。另一种固化方法5,则省去了降低含水率的预处理,并充分利用其流动性、自硬性等特点,无需碾压成型,便于大规模高效施工。但淤泥流动固化法生产的固化淤泥拌合物的流动度受初始含水率及固化材料掺量的影响较大5。为解决水泥、石灰等上述淤泥传统固化材料生产过程存在的资源与能源消耗大、CO2排放量大、环境污染严重和强度增长缓慢的难题,同时解决固化工艺成本高、效率低、效果难以控制的现状,本文创新性提出采用多源工业固废制备的OPC-GBFS-SS-DG 体系土体固化剂(固化
11、剂 G),针对含水率不同的淤泥采用不同成型方式进行固化处置的思路,即低含水率采用静压成型、高含水率采用浇筑成型处置固化的方式,以期为当前传统淤泥固化材料寻找到可替代的绿色环保材料,同时解决固化工艺成本高、固化效果难以控制的技术难题。1实验1.1实验材料淤泥土:来自天津城建大学中心湖,埋深 30 cm,其基本物理性能见表 1;水泥(OPC):唐山市某水泥公司,P O42.5 水泥;钢渣微粉(SS):山东德州某钢铁厂,由钢渣经球磨处理而成,黑色粉末状;矿渣微粉(GBFS):山东德州某钢铁厂,由高炉矿渣经水淬成粒粉磨而成,灰白色粉末状,XRD 图谱呈宽缓的峰包(见图 1),主要呈现玻璃态,主要物相为
12、 C2AS 和C2S;脱硫石膏(DG):天津某厂,浅黄色粉状,主要成分为二水硫酸钙(CaSO4 2H2O);辅助固化材料聚丙烯酸钠:天津某公司,白色粉末状,化学式为 C3H3O2Nan,凝聚 pH 值为 4,溶解pH 值为 2.5;水:自来水。原材料各组分粒径臆0.075 mm,含水率约0.1%。OPC、GBFS、SS、DG 及淤泥土的主要化学成分见表2,SS、GBFS 及 DG 的 XRD 图谱见图 1。表 1淤泥土的基本物理性能1.2实验方案与方法1.2.1实验方案固化剂 G 中各原料的质量配合比为钢渣 33.3%、矿渣33.3%、水泥 28.5%、脱硫石膏 4.9%。为探究固化剂 G 对
13、不同含水率淤泥固化体的无侧限抗压强度及固化机理的影响,本文研究了 2 种固化剂水泥(P)、固化剂 G在不同掺量(15%、20%)下对不同含水率(17%、45%、70%)淤泥的固化效果(无侧限抗压强度、矿物组成、微观结构),具体方案见表 3,其中固化剂掺量按占烘干淤泥质量计。编号中 W 代表含水率,如W17G15 代表含水率17%且固化剂 G 掺量为15%,W17P15 代表含水率为 17%且固化剂 P掺量为 15%。天然含水率/%湿密度/(g/cm3)塑限/%液限(17 mm)/%塑性指数最大干密度/(g/cm3)最佳含水率/%180 mm流动度含水率/%701.42249272.161745
14、项目CaOFe2O3SiO2MgONa2OP2O5Al2O3TiO2SO3Cl-f-CaO水泥(OPC)64.314.1217.581.620.16-6.78-矿渣微粉(GBFS)38.620.3333.817.520.111.3315.320.742.11-钢渣微粉(SS)46.9820.7618.523.990.091.653.820.740.380.021.86脱硫石膏(DG)30.131.448.110.46-0.554.56-34.440.05-淤泥土3.226.4162.622.130.910.5119.540.831.212.72-表 2OPC、GBFS、SS、DG 及淤泥土的主
15、要化学成分%图 1SS、GBFS 及DG的 XRD 图谱黄虎,等:多源固废基固化剂对不同含水率淤泥固化效果研究112晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂表 3实验方案1.2.2不同含水率淤泥固化体试样制备制备前先将天然淤泥烘干后敲碎并过 2 mm 筛,得到干淤泥。然后对干淤泥以及加固化剂的干淤泥进行击实和流动度实验(实验在 1 h 内完成6),具体数据见表 4,压实度取97%,最优流动度取 180 mm,吸水增稠材料为聚丙烯酸钠。表 4击实与流动度实验结果注:淤控制流动度为 180 mm 时对应的含水率。试样成型方法:(1)W0W17 固化体
16、成型方法:淤泥中加入 c 掺量固化剂,然后加水 q1使其达到加固化剂的干淤泥最优含水率 棕2,搅拌均匀后称取单个静压试样质量的混合料分 3 次装入尺寸为 渍50 mm伊50 mm 的空心圆柱状钢模具,以 1 mm/s 的速度加压直到上下压柱都压入试模,静压 2 min 后用脱模器将固化淤泥试样取出袋养。(2)W17W45 固化体成型方法:淤泥中加入 c 掺量固化剂,然后加水 q2使其达到加固化剂的干淤泥 180 mm 流动度对应含水率 棕4,搅拌均匀后倒入尺寸为 渍50 mm伊50 mm 的空心圆柱状模具,振捣 180 s,48 h 后拆模袋养。(3)W45 以上固化体成型方法:淤泥中加入 c
17、 掺量固化剂,然后加 m3质量(见表 4)的吸水增稠材料使其便于达到180 mm 流动度,搅拌均匀后倒入尺寸为 渍50 mm伊50 mm 的空心圆柱状模具,振捣 180 s,48 h 后拆模袋养。q1=(1+c)棕2+c2棕1-棕伊m1(1)m2=k伊籽2伊v(2)q2=(1+c)棕4+c2棕3-棕伊m1(3)式中:q1、q2加水量,g;c固化剂掺量,%;棕淤泥含水率,%;棕1淤泥最优含水率,%;棕2加固化剂的淤泥最优含水率,%;棕3淤泥最优流动度对应含水率,%;棕4加固化剂的淤泥最优流动度对应含水率,%;m1淤泥中土粒质量,g;m2单个静压试样的质量,g;v静压试样的体积,cm3;k相应压实
18、度,%;籽2加固化剂的淤泥最大干密度,g/cm3。1.2.3固化体无侧限抗压强度对养护到特定龄期的固化体,采用岛津仪器测试其无侧限抗压强度。为降低实验误差,每组测 3 个试样取平均值,加载速率为 1 mm/min。1.2.4固化体微观分析将养护 3、7、28 d 的固化体碎块(测完强度后破损的固化体碎块)置于无水乙醇中以终止水化7。采用 Rigaku ultima-Vl X 射线衍射仪和 JSM-7800F 扫描电子显微镜,测试淤泥以及固化体碎块养护不同龄期下的矿物组成、孔隙结构及形貌特征,并结合物相和微观形貌实验结果,分析 G 固化体的固化机理。2结果与分析2.1固化体的无侧限抗压强度不同固
19、化剂掺量下 G 固化体与 P 固化体养护 3、7、28 d龄期的无侧限抗压强度如表 5 所示。表 5不同固化剂种类和掺量下固化体的无侧限抗压强度由表 5 可知,含水量相同时,固化剂掺量越多固化体无侧限抗压强度越高。这是由于固化体中固化剂掺量越多,生成水化产物越多,胶结、骨架和填充作用更明显导致。当固化剂种类不同时,7 d 前,G 固化体强度略高于 P 固化体;28 d 时,W17G 固化体强度仍略高于 W17P 固化体,而W45G 和 W70G 固化体强度则低于 W45P 和 W70P 固化体。以上规律,是因为相比固化剂 P,固化剂 G 的早期(07 d)碱度高,体系中溶出的钙离子与淤泥土颗粒
20、扩散层中的钾离子编号淤泥含水率区间淤泥含水率区间固化体名称成型控制因素成型方式W170 至最优含水率最优含水率(17%)固化体最大干密度 静压W45最优含水率至最优流动度含水率最优流动度含水率(45%)固化体最优流动度 浇筑W70最优流动度含水率以上天然含水率(70%)固化体最优流动度 浇筑最优含水率 棕2/%最大干密度籽2/(g/cm3)含水率棕4/%淤聚丙烯酸钠用量 m3/g15固化剂 G17.72.1546.41.5120固化剂 G17.92.1546.51.5015固化剂 P16.62.1844.61.4920固化剂 P16.12.1944.31.48固化剂掺量/%种类编 号抗压强度/
21、MPa编 号抗压强度/MPa3 d7 d28 d3 d7 d28 dW17G153.213.535.17W17P153.193.405.08W45G150.781.412.94W45P150.781.163.37W70G150.220.340.63W70P150.210.331.20W17G203.844.317.33W17P203.584.127.31W45G201.452.113.94W45P201.451.994.21W70G200.460.771.31W70P200.460.761.73黄虎,等:多源固废基固化剂对不同含水率淤泥固化效果研究113新型建筑材料圆园23援10图 2不同含水
22、率淤泥固化体的矿物组成和钠离子发生离子交换和团粒化作用8-9,以及淤泥和固化剂G 中溶出的活性 CaO、Al2O3和SiO2等成分与脱硫石膏中的硫酸根生成钙凡石(AFt)晶体。较多具有膨胀性的针棒状 AFt 使得 W17G 固化体内部更加密实,W45G 和 W70G 固化体内部支撑和填充效应更好,从而表现为早期(07 d)G 固化体强度稍高于 P 固化体。而在后期(728 d),由于 W17 固化体内部密实,而 W45 和 W70 固化体内空隙大,且 P 固化体后期水化产物生成速率高于 G 固化体,所以 W45P 和 W70P 固化体强度高于 W45G 和 W70G 固化体。其中,W70G15
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