水泥固化海水湿排粉煤灰的试验研究

    水泥固化海水湿排粉煤灰的试验研究
    张昆1t，杨俊杰，孙涛2，苗佳丽
    (1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛2“100;2.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266032)
    摘要:为研究水泥对海水湿排粉谋灰的固化效果及机理，分别使用海水和自来水拌和粉谋灰和水泥，在不同水泥种类及掺量、不同龄期条件下对固化粉煤灰进行无侧限杭压强度试验和相应的扫描电镜图像分析.结果表明:无论在海水还是自来水条件下，固化粉谋灰的强度均随水泥掺量、龄期逐渐增长;但是与自来水条件下相比，水泥固化粉煤灰后期强度受海水中可溶盐离子的影响，其增长幅度明显减小;矿渣水泥可以减弱海水对固化粉谋灰后期强度的影响，与普通硅酸盐水泥相比更适用于高含盐量环境下的地基处理.
    关键词:水泥;固化;海水;粉煤灰;无侧限杭压强度;扫描电镜
    中图分类号:TU411，6文献标识码:A
    粉煤灰是我国第二大工业固体废物，其产生量仅次于尾矿·幻.我国粉煤灰的综合利用率逐年增加，到2004年为69.41%[1.2]，已达到国际平均水平以上4〕.但是，粉煤灰综合利用率具有地域性和季节性.有些地区旺季时供不应求，而淡季时则不得不将剩余粉煤灰露天堆放.据统计至2000年底，我国粉煤灰的堆存量已高达12.5亿吨，占用了大量土地].
    累计堆放不仅占用大量土地资源造成土壤和水体污染，而且其中大部分粉煤灰没有得到很好地处置、处理而直接排人环境中，这无疑会造成较为严重的环境问题以及灾难性事故[.7〕.
    露天堆放的粉煤灰往往采用的是湿排工艺，与按等级排放回收利用的干排粉煤灰不同，湿排粉煤灰的物理力学性质不仅与干灰物理性质有关，也与湿排用水及堆放时间有关.青岛、大连等沿海城市多用海水湿排粉煤灰.青岛80%湿排粉煤灰量使用的是海水8].通过陈化、水洗处理，可以降低海水湿排粉煤灰中的盐分，但陈化需要大面积场地和较长时间，水洗又要消耗大量淡水资源.在目前条件下，海排粉煤灰暂不宜用在建材及墙体材料生产，但可用于填海、筑路等方面ta].
    另一方面，露天堆放形成大面积的粉煤灰地基. 青岛发电厂多年来用粉煤灰填海造地，为该厂扩大了近1000亩场区。1.青岛黄岛发电厂，·，]近年来利用水力吹填的方法将电厂贮灰池中的粉煤灰长距离输送到黄岛黄辛路以北已废弃的盐场和海滩上，经过几年的吹填、静置存放，形成面积约4.2平方公里的粉煤灰地基.将这部分粉煤灰地基作为建筑场地有效地利用同样是急需解决的问题.
    粉煤灰是一种散粒状物质，衣平等。]认为其属于砂类粉土，其动力特性更接近于砂类土.被湿排堆放的粉煤灰，虽然经自重固结及自硬作用，但仍处于饱和松散状态，其性质不稳定，在静力和振动作用下抗剪强度低，极易液化。1.因此，以粉煤灰作为建筑物地基，应进行必要的加固处理. 高压喷射注浆法与深层搅拌法的原理是软土地基处理常用的方法，其原理是使水泥等固化剂与软土中的物质成分发生一系列的物理化学反应，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的柱状加固体，可提高软土地基的抗压强度”];
    粉煤灰具有一定的粘聚力，即粉煤灰具有活性. 这种活性表现为:粉煤灰一旦和水接融，其70%一 80%的酸性氧化物siq，A12q等与便微量的CaO 发生化学反应，形成水化硅酸凝胶(C一S一H)，以及钙矾石等水化物.即，在有水存在条件下，粉煤灰可以和Cao发生化学反应(火山灰反应)，生成不溶性的坚硬物质，这种现象同水泥的硬化在本质上是相同的，为水泥处理粉煤灰地基提供了先决条件〕.水泥因其价格便宜，容易购买，所以是软土地基处理工程中常用的固化剂.
    目前，采用搅拌法加固处理粉煤灰地基已经有成功应用的实例.衣平等。]采用深层搅拌法对青岛发电厂的粉煤灰地基进行了加固处理，使用425号普通硅酸盐水泥，水泥掺量在10%一巧%，水灰比为0.5，通过对桩体材料及复合地基进行的质量检测，证明处理后的粉煤灰地基的承载力能够满足设计要求，可作为建筑地基.
    秦乃兵等使用掺量巧%的425号普通硅酸盐水泥对唐山发电厂排放的粉煤灰回填地基进行了深层拌处理，现场检测效果良好，使用两年后未发现地有异常.孙茂前等采用粉喷桩对山东华能威海电厂海域灰场进行处理.考虑到现场粉煤灰的特性地下海水的侵蚀作用，并通过室内试验结果分析，定采用425号矿渣硅酸盐水泥作为粉体固化剂，泥掺人比为20%.粉喷桩平均桩长8.5m，经质量测能够满足建筑物对地基的要求.姚传勤等”〕采粉喷桩加固田家庵发电厂的灰场，固化剂为325 普通硅酸盐水泥，桩长3.5一8.Om，取得了理想的加固效果.沈正等9]对固化粉煤灰进行了室内试研究，采用镇江市三新建设科技公司生产的粉煤固化剂，研究了不同配比、龄期、养护温度以及掺水泥对固化粉煤灰强度的影响，及固化粉煤灰的冻性能.试验结果表明，固化粉煤灰具有良好的久性.
    本文通过室内实验，研究水泥固化海水湿排粉灰的固化效果与机理. 试验概况
    1试验材料
    对于高含盐量的软土地基，在工程实践中一般用矿渣水泥作为固化剂.考虑到本试验模拟的是水湿排粉煤灰，因此大部分试验使用矿渣水泥，部试验作为对比使用普通硅酸盐水泥.试验使用的渣水泥为青岛鲁碧水泥厂生产的325”，其中水泥粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比计为40%.普硅酸盐水泥为淄博淄川区宝山水泥厂生产的 25#.
    为模拟海水湿排粉煤灰，试验时首先用海水将粉煤灰进行搅拌，同时使用自来水作为对比，由于泡时间对海水湿排粉煤灰性质的影响比较复杂，试验没有考虑浸泡时间对粉煤灰的影响. 试验所用海水是由青岛海大通用海水素厂生产海水素与自来水配制而成.配制的海水的主要可盐离子如表1所示，其组分及主要指标与天然海基本相同.
     粉煤灰采用青岛黄岛发电厂生产的n级(干) 灰.其主要化学成分如表2所示，试验所用粉煤灰与其它电厂生产的一般粉煤灰的化学成分基本相同. 粉煤灰的物理性质指标如表3所示. 用搓条法测不出粉煤灰的塑限，所以应为非塑性(NP).但是，用液塑限联合测定法可测出液限和塑限(表3)，且粘粒含量为23.5，说明了粉煤灰有微弱的粘性.粉煤灰中粒径>0.075mm的颗粒含量为5.3%，且塑性指数为7.9，根据((建筑地基基础设计规范》(GB50007一2002)分类方法，粉煤灰属于粉土.

量的一半，即，湿粉煤灰的含水率为50%，水泥掺量为水泥与干粉煤灰的质量比.

制样时，首先将水与干粉煤灰进行拌和，再加人一定量的水泥，搅拌均匀之后，分3层装人高80 mm，底面内直径39.1~的圆柱状试模.每层用玻璃棒捣实，并轻微振荡，以排除试样中的气泡，最后刮平表面，并盖上塑料薄膜.将装有试样的试模放置在恒温恒湿箱内，在湿度为90%一100%、温度为20 土2℃的养护条件下养护48h后拆去试模，然后将试样放人恒温恒湿箱内继续养护，直到设计龄期.试样的容重为16.6士0.2kNI耐.无侧限抗压强度试验为应变控制，加载速度为o.25m时min，每组3个平行试样.为研究水泥固化粉煤灰机理，利用试样的扫描电镜图像，分析试样的内部结构和反应产物.
    2实验结果及分析
    2.1龄期对强度的影响
    图2为自来水和海水条件下无侧限抗压强度与龄期的关系.相同条件下的试验结果有一定的离散性，但是离散性不大，在此，取各点的平均值将其连线.如图所示，无论是在自来水还是海水条件下，固化粉煤灰试样的无侧限抗压强度都随龄期的增长而增加，早期强度增长幅度较大，后期增幅逐渐减小. 水泥、粉煤灰及水混合后，会发生一系列的物理化学反应.
    水泥与水接触，其表面的矿物会很快地发生水解和水化反应生成氢氧化钙(Ca(OH):)、水化硅酸钙(C一S一H)、水化铝酸钙(C一A一H)等化合物.所生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶解于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和.当溶液达到饱和后，水分子虽继续深人颗粒内部，但新生成物已不再溶解，只能以分散状态的胶体析出悬浮于溶液中，形成胶体.随着水泥水化作用的进行，水泥水化物不断填充孔隙，有的继续硬化，形成水泥石骨架[zl·2，].

    骨架.水泥的水化反应速度较快，且大部分已在早期完成，所以在早期强度增加幅度较大.此后粉煤灰在水泥水化物的激发下也发生火山灰反应，使得后期强度随龄期仍在不断增加，但是增加幅度比早期要刁、. 图4是由图2中的平均值得到的.早期海水条件下的试样强度高于自来水条件下的强度，但是大约28d以后海水条件下的强度增长幅度小于自来水条件下的情况，60d之后，海水条件下的强度开始低于自来水条件下的强度，水泥掺量越高这种趋势越明显.

化氯铝酸钙:
Ca(OH):+ZNaCI<=>CaC犯+ZNa十+ ZOH一，
qA+CaC聪”qA·Caq·n玫0.
水化氯铝酸钙强度较低，大量包裹在粉煤灰颗粒表面，阻止粉煤灰颗粒与Ca(OH)2的进一步反应，影响粉煤灰颗粒的水化反应进程，从而影响水泥固化粉煤灰后期强度的增长.
    杨晓明231研究显示，吨，+对水泥土早期强度影响不大，而对中后期强度有一定的负面作用.在水泥水化阶段，M才十并没有参与反应.但由于Mg (OH)2的溶解度比Ca(OH)2低，M扩十会优先与 OH一结合，生成Mg(OH):.它会代替Ca(OH):与溶出的活性Siq反应:
Mg(OH):+5102~M一S一H.
如果有过多洲一存在，MgSO;可以侵蚀已经存在的C一S一H生成石膏，破坏作用更明显:
MgSO;+C-S一H咔Casq+Mg(OH):+
Siq， Mg(OH):+5102M一S-H.
    2.2水泥掺一对强度的影响
    图6为自来水和海水条件下无侧限抗压强度与水泥掺量的关系.与图2一样，折线表示同一龄期强度的平均值.水泥固化粉煤灰试样的无侧限抗压强度都随着水泥掺量的增加而增长.在早期(龄期ld 和7d)，无论是海水还是自来水条件下，强度与水泥掺量的关系基本呈线性关系.而后期(龄期巧d以后)，随水泥掺量的增加强度增长幅度逐渐增大.
    水泥掺量越大，水泥和粉煤灰发生化学反应生成的胶凝物质(水化硅酸钙、水化铝酸钙等)越多，在粉煤灰颗粒界面处生成的水化物网状结构越密集，水化物与粉煤灰颗粒之间的联结强度就越高，表现在固化粉煤灰试样的无侧限抗压强度得到增加.图 7是龄期28d时水泥掺量分别为5%和巧%的试样的扫描电镜图.水泥掺量为巧%的微观结构(图7 (c)和图7(d))明显比5%(图7(a)和7(b))的更加密实，孔隙之间充满了水化结构物，大部分粉煤灰颗粒被紧密包裹在网状水化结构物中，水泥掺量为 5%的试样中还能看到较多没有参与水化反应的完整的球状玻璃体.
    另一方面，水泥掺量越大，需要的水化反应时间越长.与早期相比，水泥水化反应在后期进行的更充分，掺量对试样强度的影响更明显，表现在后期水泥

    2.3矿渣水泥对强度的影响
    图8为自来水和海水条件下水泥掺量为15% 时无侧限抗压强度与水泥种类的关系.如图8(a)所示，自来水条件下固化粉煤灰试样采用普硅水泥的加固效果略高一些.而海水条件下，矿渣水泥的加固

矿渣水泥是由硅酸盐水泥和高炉矿渣混合配制而成.矿渣的主要成分中包括具有潜在活性的Siq 和A1203，受水泥水化生成的Ca(OH):激发后， siq和A1203即与Ca(OH):反应生成水华硅酸钙 (C一S一H)和水化铝酸钙(C一A，H)[23].由于矿渣水泥中矿渣的成分占总重量的40%，使得水泥熟料中最容易受可溶盐侵蚀的铝酸三钙(C3A)相对含量降低.
    在同样的水泥掺量下，矿渣水泥不能提供给海水中的 Cl一和50:一足够的反应物，因此限制了这两种离子的侵蚀作用.同时矿渣水泥水化物具有很强的防止离子渗透的能力，使得大部分盐离子无法与水泥水化产物进行广泛的离子交换，而是堆积在粉煤灰颗粒的表面，从而降低了可溶盐离子对水泥固化粉煤灰强度的影响. 而自来水拌和的固化粉煤灰试样中，少了可溶盐离子的影响因素.与普硅水泥相比，矿渣水泥限制可溶盐离子侵蚀作用的优势不存在，反而矿渣水泥中占到40%的矿渣仍需水泥水化物Ca(OH):等的激发，因此自来水条件下，普硅水泥的加固效果要高于矿渣水泥.
    3结语
    利用无侧限抗压强度试验及扫描电镜观察，研究了海水、龄期、水泥掺量及种类对水泥固化粉煤灰强度的影响及机理，主要得到以下结论:
    1)无论是在自来水还是海水条件下，固化粉煤灰试样的无侧限抗压强度均随龄期的增长而增加，早期强度增长幅度较大，后期增幅逐渐减小.这是因为水泥固化粉煤灰试样的强度主要来源于水泥石骨架.水泥的水化反应速度较快，且主要在早期完成，粉煤灰在水泥水化物的激发下的火山灰反应发生在后期，使得后期强度随龄期仍在不断增加，但是增加幅度比早期要小.
    2)早期海水条件下的试样强度高于自来水条件下的强度，但是大约28d以后海水条件下的强度增长幅度小于自来水条件下的情况，60d之后，海水条件下的强度开始低于自来水条件下的强度.海水中的洲一，Cl一，M犷十等可溶盐离子，对水泥加固粉煤灰的强度增长有着不同程度的影响.5以一在水泥水化过程中生成的钙矾石，能增强早期固化粉煤灰的强度，而Cl一，M扩十对早期强度的作用不明显，对中后期的强度有一定的负面影响.
    3)水泥固化粉煤灰试样的强度随着水泥掺量的增加而增长.水泥掺量越大，水泥和粉煤灰水化反应的产物越多，形成的水化物网状结构越密集，水化物与粉煤灰颗粒之间的联结强度就越高.
    4)自来水条件下，固化粉煤灰试样采用矿渣水泥的加固效果略低于普通硅酸盐水泥.主要是因为矿渣水泥中的矿渣部分需要在oH一的激发下才能发生化学反应.而海水条件下，矿渣水泥的加固效果略高于普通硅酸盐水泥.这是因为矿渣水泥能够降低可溶盐离子对固化粉煤灰的负面作用，这为工程实践中处理高含盐量地基时使用矿渣水泥提供了试验和理论依据.
    参考文献：略