Sludge solidification based on carbon dioxide foam cement slurry
-
摘要: 河湖疏浚会产生大量疏浚淤泥，其含水率、压缩性均较高。采用二氧化碳作为泡沫气体源制备二氧化碳泡沫水泥浆材料并以此作为固化材料开展淤泥改良，对疏浚淤泥的资源再利用及对实现碳中和目标具有重要的意义。基于传统空气泡沫水泥浆制备技术与普通水泥基固碳机理，采用二氧化碳替代空气制备二氧化碳泡沫水泥浆并以此进行淤泥固化，对泡沫浆液养护后形成结石体试块的力学性能以及疏浚淤泥固化后形成填料的力学性能和微观结构进行了试验研究。研究结果表明：发泡剂A2和稳泡剂C1的最佳组合为4，5 g/L；水泥水化水解产物中Ca(OH)2与CO2生成CaCO3的转化率约增加26.1；水泥浆中粉煤灰的最佳掺量为30%；固化后形成的固化料的无侧限抗压强度、内摩擦角及黏聚力与泡沫浆液的掺量呈近似线性递增关系，而渗透系数与泡沫浆液的掺量呈近似线性递减关系。研究成果为淤泥固化的工程应用和二氧化碳“变废为宝”的途径提供重要指导。Abstract: River and lake dredging will produce a large amount of dredged sludge with high water content and compressibility. Using the carbon dioxide as the foam gas source to prepare carbon dioxide foam cement slurry and use it as the solidification material to carry out sludge improvement is of great significance to the reuse of dredged sludge resources and to achieve the goal of carbon neutrality. Based on the traditional air foam cement slurry preparation technology and ordinary cement-based carbon fixation mechanism, the carbon dioxide foam cement slurry is prepared with carbon dioxide instead of air, which is used to solidify the sludge. The mechanical properties of stone test blocks formed after the curing of foam slurry and the mechanical properties and microstructure of filler formed after the solidification of dredged sludge are studied experimentally. The results show that the best combination of foaming agent and foam stabilizer is A2 4g/L, C1 5g/L. The conversion rate of Ca (OH)2 and CO2 to CaCO3 in the cement hydration hydrolysis product increases by about 26.1%. The optimal content of fly ash in cement slurry is 30%. The unconfined compressive strength, internal friction angle and cohesion of the solidified materials formed after curing approximately linearly increase with the content of foam slurry, while the permeability coefficient approximately linearly decreases with the content of foam slurry. The research results provide important guidance for the engineering application of sludge solidification and the way to "turn waste into treasure" of carbon dioxide.
-
Keywords:
- dredged silt /
- carbon dioxide /
- foam cement slurry /
- sludge solidification /
- mechanical property
-
0. 引言
疏浚淤泥是一种高含水率和高压缩性的废弃物，难以直接应用于工程。固化处理可通过添加的固化材料与淤泥颗粒和孔隙水的水化反应，形成具有一定强度的网状结构骨架，使其成为建筑工程、水利工程，市政工程、路桥工程、填方工程良好的填土材料。不仅能节约淤泥存放的土地，减轻环境污染，还能解决沿海地区土料缺乏的问题。
采用化学固化法可以改善淤泥的工程力学性质，使其满足工程需要，是工程界和学术界较为认可的方法。目前淤泥固化材料主要采用水泥、生石灰、石膏、粉煤灰和矿渣等工业生产或建筑残留废弃物。王东星等[1]往淤泥中大量掺入粉煤灰，通过一系列室内试验研究表明，固化淤泥含水率降低、无侧限抗压强度、抗拉强度都得到明显提高，因此改善了淤泥的强度与耐久性。丁建文等[2]采用水泥与磷石膏双掺的方法，结果表明此法可以有效提高固化淤泥的强度。章荣军等[3]在使用水泥处理疏浚淤泥时引入絮凝剂和缓凝剂，发现絮凝剂能“飞跃式”提升水泥对疏浚淤泥浆的固化效率。王协群等[4]以氯氧镁水泥为基础、充分利用粉煤灰、矿渣等工业副产物为辅料形成复合胶凝材料用于进一步改性已固化处理的淤泥, 使之达到了用作路基填料的各项指标要求。乔京生等[5]和吴俊等[6]研究了矿渣固化后的淤泥性能，并通过微观方法揭示固化机制。这些研究表明，生石灰、石膏、粉煤灰等作为固化剂可以降低填料的密度，但强度上稍显不足；矿渣和建筑废渣等与疏浚淤泥混合处理时对固化材料的颗粒均匀性要求较高；水泥处理疏浚淤泥时养结石率偏低、密度较大且养护时间较长。向水泥中添加外加剂又增加了工程成本。因此，如何研发一种轻质、高强、凝结时间短且成本低的固化材料，是实现淤泥资源化再利用过程中亟待解决的问题。
目前部分学者考虑对疏浚淤泥进行轻量化处理，轻量化处理指在疏浚淤泥中同时添加固化材料和轻质材料将其转化成为新型土工材料——轻质混合土的处理方法。按照所添加的轻质材料的不同有泡沫塑料颗粒轻质混合土和泡沫水泥轻质混合土两种类型的轻质混合土。邓琪丰等[7]采用双氧水及蛋白型发泡剂进行淤泥固化，结果表明双氧水和蛋白型发泡剂均适用于淤泥固化土发泡，发泡剂掺量增加会降低固化土的抗压强度和干密度、提高孔隙率。这些研究表明轻量化处理能够降低材料的密度，得到一种轻质、高强且自立性好的新型的轻质填土材料。
泡沫水泥浆是指向水泥浆中加压充气（以泡沫形态存在）而形成的一类轻质泥浆材料。Jones等[8]和Jitchaiyaphum等[9]通过去除一定体积的砂发现发泡混凝土的流动性和强度得到了重大改善。Kearsleya等[10]、Goual等[11]探究了泡沫试样内部孔隙的渗透性能，发现试样孔隙率提高，渗透性能得到了改善。胡焕校等[12]则研究了泡沫水泥基材料的孔隙形成机理、物理力学性能、影响因素、应用领域及配比优化方法等。对比普通水泥浆液，泡沫水泥浆具有密度小、强度可调节、良好自立性等优点，更适合用于填筑工程领域，但是其对结石体强度提升作用有限，因此，如何增加结石体的密实度和强度是泡沫水泥浆利用过程中亟待解决的问题。
部分研究者对二氧化碳的碳化机理和碳化作用进行了相关研究。蔡光华等[13]确定了碳化内部机理的变化原因、碳化模型和碳化计算过程，探讨了MgO水泥试样在二氧化碳环境下进行养护的碳化进程，发现在短时间内试样的无侧限抗压强度显著提升。Neves等[14]发现碳化养护前10 min反应剧烈，存在大量放热和水分蒸发现象，养护81 min后混凝土强度即可达70 MPa。Zha等[15]研究发现在二氧化碳条件下养护12 h即可提高混凝土早期强度，且通过该方法减少了36%的碳排放量。这些研究表明水泥水化过程中，二氧化碳可与水化产物发生碳化作用，增加结石体的密实度和强度。
同时，为解决由温室气体过度排放而导致的全球变暖、极端气候频发等自然问题，中国出台了相关碳排放政策。结合上述3个研究领域及相关国家政策可知，采用二氧化碳代替普通惰性气体作为泡沫气体源，形成具有轻质、可促碳化作用的二氧化碳泡沫水泥浆材料并以此作为固化材料进行淤泥改良是值得研究的。①一方面能使材料性能改善；②另一方面可以实现二氧化碳的“变废为宝”，符合国家战略需求。
本文以传统泡沫水泥浆技术为基础，基于宏观室内试验和微观机理分析等手段，构建二氧化碳水基泡沫制备装置，以无毒、无污染为前提，优选出最佳的发泡剂、稳泡剂的种类和浓度，形成新型泡沫轻质注浆材料，并探讨淤泥改良的最优掺量及其适用性。
1. 试验方法
1.1 试验材料
试验所用淤泥是从福建省琅岐岛地区取得的海底淤泥。海泥土初始含水率为63.26%，其相关物理性质基本参数如表 1。水泥是以水泥为基础制备固化泡沫的骨架材料。它是整个体系中水泥固化泡沫的主要强度来源。本文研究中所使用的水泥均为马鞍山海螺牌普通硅酸盐42.5水泥，其理化性质如表 2，3，其性能指标均满足《通用硅酸盐水泥》GB175—2023 [16]的要求。
表 1 淤泥基本物理性质参数Table 1. Basic physical property parameters of sludge含水率/% 湿密度/
(g·cm-3)干密度/
(g·cm-3)相对质量密度 63.26 1.69 1.03 2.70 表 2 普通硅酸盐水泥性能测试结果Table 2. Performance test results of ordinary portland cement比表面积/
(m2·kg-1)初凝/ min 终凝/ min 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 3 d 28 d 3 d 28 d 357 203 250 5.9 7.7 27.4 45.0 表 3 马鞍山海螺牌普通硅酸盐42.5水泥主要化学组分及含量Table 3. Main chemical components and content of Ma'anshan Hailuo ordinary portland 42.5 cement单位: % SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 CaO MgO 22.55 5.91 2.63 2.01 63.22 2.68 若需制备性能优良的泡沫水泥浆需要性能优良的发泡剂和稳泡剂。经过文献调研和预试验，本文选取生物降解速度快、对环境无危害的A1(SDBS)、A2(茶皂素）、A3(AES)3种发泡剂（浓度控制在2~6 g/L）和C1，C2，C3等3种稳泡剂（浓度控制在3~5 g/L）。这6种化学物质其生物降解速度快，对环境无危害。
粉煤灰是燃煤后产生的废弃热能残余物。本试验所用粉煤灰来自绿明源环保材料厂，其性能指标均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)[17]中的相关规定。
1.2 二氧化碳泡沫水泥浆制备方法
制备二氧化碳泡沫水泥浆需进行两个步骤。首先需要制备二氧化碳水基泡沫。本文主要采用压缩气体法制备泡沫，即以二氧化碳气瓶提供气体源，用机械的方法把二氧化碳气体引入到水基发泡溶液中从而产生大量水基泡沫。本试验通过定制的发泡机（图 1）来制备二氧化碳水基泡沫。
泡沫制备完成后，将其与水泥浆混合搅拌即可得二氧化碳泡沫水泥浆。
1.3 固化淤泥力学性能试验试样制备方法
制备无侧限抗压强度试验试样时，样品的直径控制为3.5~4.0 cm，样品的高度应该为8.0 cm。在样品的所有末端都涂上一层薄薄的凡士林。当天气干燥时，可以在样品的背面涂上一层薄薄的凡士林，以避免水分蒸发。
制备直剪试验试样时，切取制备土样和剪切盒内径横截面积一致，在剪切盒内试样上下面垫上透水石。
制备渗透试验试样时，保持上口直为175 mm，下口直径为85 mm，高为150 mm。
2. 发泡液发泡控制研究
2.1 泡沫性能评价指标
水基泡沫的起泡能力通过发泡倍数来进行衡量，即泡沫体积与发泡液体积之比，发泡倍数记作Au。分别测定发泡液体积与泡沫体积即得各组发泡倍数。水基泡沫的稳定性用泡沫的半消时间来衡量，即当泡沫体积耗散至为原体积的一半时，所消耗的时间。半消时间记作Tu。对不同浓度的发泡剂与稳泡剂组合通过水基泡沫发生装置进行发泡，然后将生成的泡沫取相同体积（4200 cm3）至大量杯中开始计时直至泡沫消散至2100 cm3，即得各组半衰期。
水基泡沫的起泡体积一般要求达到发泡液体积的5.5倍以上，水基泡沫的稳泡时间一般要求至少在30 min以上，可以在水基泡沫稳定的情况下与复合浆液进行掺合。本试验虽然气体源采用二氧化碳，但是仍需要水基泡沫具有足够的稳泡时间用于后续试验，因此水基泡沫的稳泡时间要求与常规水基泡沫一致。按照后续正交试验的分组进行预试验，根据预试验结果，9组不同配比下的发泡剂与稳泡剂其Au和Tu都能满足要求。
2.2 发泡剂和稳泡剂优选
通过正交试验确定发泡剂种类、发泡剂浓度、稳泡剂种类和稳泡剂浓度的最优组合。首先确定某一水灰比和粉煤灰掺量，引入强密系数综合衡量试块性能，计算方式为试块的强度比密度的值，强密系数越大，说明相同强度下密度越低，或相同密度下强度越高，表示试块强度和密度相对更优。
采用控制变量法进行试验，试验结果表明，当水灰比为1︰2.4时强密系数最大，粉煤灰掺量为30%时强密系数最大。因此本次正交试验所选水灰比为1︰2.4，粉煤灰掺量为30%。基于选择的发泡剂、稳泡剂的种类和浓度，开展L9（34）正交试验，水平及因素信息表见表 4。
表 4 L9（34）水平及因素信息表Table 4. Information of orthogonal tests序号 发泡剂(A) 发浓度(B) 稳泡剂(C) 稳浓度(D) 1 A1 2 g/L(B1) C1 3 g/L(D1) 2 A2 4 g/L(B2) C2 5 g/L(D2) 3 A3 6 g/L(B3) C3 7 g/L(D3) 通过泡沫水泥浆相对质量密度、析水率、结石率、结石体密度、抗折和抗压等试验，首先优选出进行极差分析的4个指标，再采用极差分析选择合适的发泡剂、稳泡剂的种类和浓度。正交试验结果见表 5。
表 5 L9（34）正交试验结果Table 5. Results of orthogonal tests组号 发泡剂种类 发泡剂浓度 稳泡剂种类 稳泡剂浓度 结石率/% 密度/(g·cm-3) 7 d抗压强度/MPa 稳泡时间/min ① 1(A1) 1(B1) 1(C1) 1(D1) 0.98 1.38 3.33 24.2 ② 1(A1) 2(B2) 2(C2) 2(D2) 0.97 1.41 4.50 52.4 ③ 1(A1) 3(B3) 3(C3) 3(D3) 0.99 1.44 4.62 33.8 ④ 2(A2) 1(B1) 2(C2) 3(D3) 0.96 1.31 5.62 41.1 ⑤ 2(A2) 2(B2) 3(C3) 1(D1) 0.96 1.52 4.28 55.6 ⑥ 2(A2) 3(B3) 1(C1) 2(D2) 0.93 1.41 4.51 37.2 ⑦ 3(A3) 1(B1) 3(C3) 2(D2) 0.96 1.49 4.69 38.4 ⑧ 3(A3) 2(B2) 1(C1) 3(D3) 0.99 1.54 4.42 42.9 ⑨ 3(A3) 3(B3) 2(C2) 1(D1) 0.99 1.32 4.46 29.6 泥浆相对质量密度是指浆液密实状态下的密度与标准状态下（101 kPa，39.16℉时）的纯水密度之比，由于二氧化碳泡沫水泥浆的相对质量密度与结石体的密度近似呈正相关，考虑到结石体密度在浆液性能中更常用，选择以结石体密度作为极差分析指标。相同龄期下，抗压强度要高于抗折强度且近似呈正相关，结合工程应用，选择7 d抗压强度作为极差分析的指标。结石体体积v与浆液体积V之比的百分数定义为结石率, 注浆材料一般都要求有较高的结石率，因此选择结石率作为极差分析的指标。稳泡时间是衡量水基泡沫性能的指标，直接影响了碳化反应的作用时间，因此也将其作为极差分析的指标。析水率也称泌水率，定义为浆液出的自由水体积与浆液总体积比值的百分比。其测量结果误差较大因此不作为极差分析的指标。对所选4个指标进行极差分析，计算结果见表 6。
表 6 各水平数据平均值与极差Table 6. Averages and ranges of data at all levels平均水平与极差 7 d强度/
MPa密度/
(g·cm-3)结石率 稳泡时间/
minA ¯K1 4.05 1.41 0.98 36.80 ¯K2 4.97 1.41 0.96 41.30 ¯K3 4.52 1.45 0.98 36.97 R 0.92 0.04 0.02 4.50 B ¯K1 4.55 1.39 0.97 34.57 ¯K2 4.40 1.49 0.97 50.30 ¯K3 4.53 1.39 0.97 33.53 R 0.15 0.10 0 16.77 C ¯K1 4.09 1.34 0.97 34.77 ¯K2 4.86 1.35 0.98 41.03 ¯K3 4.53 1.48 0.97 42.60 R 0.77 0.14 0.01 7.83 D ¯K1 4.02 1.44 0.97 36.46 ¯K2 4.57 1.44 0.95 42.67 ¯K3 4.89 1.43 0.98 39.27 R 0.87 0.01 0.03 6.21 从表 6分析可得：
（1）发泡剂种类对7 d强度影响的极差最大为0.92，且根据7 d抗压强度进行判定可知K2最大则选择A2（茶皂素）作为发泡剂强度最好。
（2）发泡剂浓度对稳泡时间影响的极差为16.77远大于其他3个，故根据稳泡时间进行判定可知K2最大，发泡剂浓度选择4 g/L。
（3）稳泡剂种类对试样密度影响的极差影响最大为0.14，且根据密度选择要求要小，可知K1最小则选择C1作为稳泡剂最好。
（4）稳泡剂浓度在试样结石率方面相对于其他3个极差较大为0.03，即K3最大且当稳泡剂浓度为5 g/L。
综上所述，后续相关试验中发泡剂选择A2、浓度选择4 g/L；稳泡剂选择C1、浓度选择5 g/L。
3. 浆液强度影响因素分析及配比优化
3.1 水灰比和浆泡比
在分析水灰比和泡浆比对强度的影响时，经过文献调研与预试验进行分组，分组情况具体见表 7。
表 7 泡浆比与水灰比全面试验组别示意图Table 7. Schematic diagram of comprehensive test groups泡浆比 水灰比 1︰2.2 1︰2.4 1︰2.6 1︰2.8 3︰1 1 4 7 10 5︰1 2 5 8 11 7︰1 3 6 9 12 在HG-DYE20D抗折抗压试验机和HG-YS600S电液式压力试验机上进行测试，试样的抗折和抗压强度的具体结果如图 2，3所示。
从图 2中可见：①水灰比不变，抗折强度随泡浆比的提高而降低。这是由于水基泡沫含量的增加，水泥浆和粉煤灰的复合粉体颗粒团聚体间不能形成很好的桥接或桥接强度降低，导致在受力后更容易发生断裂破坏。②泡浆比不变，增加水灰比并不能一直提高抗折强度。这是由于当水灰比较低时，水基泡沫含量的增加，水泥浆和粉煤灰的复合粉体颗粒团聚体间形成的桥接更多是发生延性破坏；随着水灰比的逐渐提升，试样从延性破坏逐渐向脆性破坏方向发展，当接近临界值时，抗折强度达到极限。
从图 3中可见：①不同水灰比下抗压强度随泡沫含量提升的变化规律不同。当水灰比较高时，提升水基泡沫含量会提改善试样的抗压强度；当水灰比稳定下降时，抗压强度随泡沫含量的提升会呈现先增加后降低的趋势；当接近某一临界量时，抗压强度先逐渐降低后稳步提升。②不同泡浆比下抗压强度随水灰比增加的变化规律不同。当泡浆比较大时，抗压强度随着水灰比的增大而降低，但随着泡浆比逐渐减小时，抗压强度随着水灰比的增大有波动性变化。
通过对抗压强度和密度的变化百分比曲线进行拟合来选择泡浆比与水灰比。如图 4，5所示。
![]()
图 4 水灰比与密度、抗压强度变化百分比的关系Figure 4. Relationship between water-cement ratio and change percentages of density and compressive strength![]()
图 5 浆泡比与密度、抗压强度变化百分比的关系Figure 5. Relationship between slurry-bubble ratio and change percentage of, density and compressive strength从图 4可见：两直线的交点为密度与强度变化百分比一致的情况，且交点的横坐标为0.417，即水灰比为1︰2.4。从图 5可见：两直线的交点为密度与强度变化百分比一致的情况，且交点的横坐标为4.8。当密度变化百分比和强度变化百分比相同时，其试样性能在满足强度条件下更加轻质。故后续试验中选择水灰比和浆泡比分别为1︰2.4，1︰4.8。
3.2 粉煤灰掺量
工程上常用用粉煤灰对普通硅酸盐水泥进行部分替换，在一定程度上对浆体的密实度和流动性有所改善。
为了研究粉煤灰掺量对泡沫水泥浆液抗压强度的影响，以水灰比为1︰2.4，水基泡沫添加量为复合浆液4.8倍为基准，改变复合浆液中粉煤灰掺量（10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%），得到14 d水泥基泡沫浆液的密度和抗压强度，如图 6，7所示。
![]()
图 6 泡沫浆液密度与粉煤灰掺量的关系Figure 6. Variation of density of foam slurry with content of fly ash![]()
图 7 泡沫浆液抗压强度与粉煤灰掺量的关系Figure 7. Variation of compressive strength of foam slurry with content of fly ash图 6表明，随着粉煤灰含量的增加，水泥基泡沫浆液的密度逐渐降低。当粉煤灰掺量在10%~40%时，密度下降14.7%。这主要由于泡沫体积的增加和泡沫溶液中基料含量的减少，这导致材料孔结构的重新分布和密度的降低。
图 7表明，随着粉煤灰掺量的增大，水泥基泡沫浆液的14 d抗压强度都呈现先增大后减小的趋势，当粉煤灰掺量为30%时，试样的14 d抗压强度达到最大7.48 MPa，且密度为1.38 g/cm3，此时试样的粉煤灰掺量为最佳掺量。后续试验的粉煤灰掺量均选择30%。
4. 淤泥固化后力学性能分析
4.1 试验配比
淤泥初始含水率为63.26%，由于淤泥的初始含水量较高，在考虑加入粉煤灰和泡沫水泥浆液的掺入量时，将粉煤灰和泡沫水泥浆掺入量设置较高，以降低淤泥含水量对泡沫水泥浆中水灰比的影响，而前文已经得出在二氧化碳泡沫水泥浆中粉煤灰的最佳掺量为30%，故在淤泥固化时确定粉煤灰掺量为30%不变，从而确定淤泥掺量（20%，25%，30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%，65%）及对应的泡沫水泥掺量（50%，45%，40%，35%，30%，25%，20%，15%，10%，5%）。制模完成后24 h放入养护室内养护28 d并在养护3，7，14，28 d后进行试验。
4.2 无侧限抗压强度
本次试验通过TYE-2000B型压力试验机分别测定固化后淤泥的3，7，14，28 d无测限抗压强度，其结果如图 8所示。
![]()
图 8 固化料无侧限抗压强度与浆液掺量的关系Figure 8. Curves of unconfined compressive strength and slurry content of solidified materials从图 8中可见：随着混合料中二氧化碳泡沫水泥浆液掺量的增加，固化料的无侧限抗压强度呈现逐渐增加的趋势。①当养护龄期分别为3，7，14，28 d时，泡沫水泥浆掺量从5%~50%淤泥固化料的无侧限抗压强度分别增加了2.45倍，4.06倍，2.63倍，2.2倍。②除3 d以外，7~28 d无侧限抗压强度增长速度最快主要集中在15%~25%。③浆液无侧限抗压强度在3 ~ 7 d，7~14 d时的增量远大于在14~28 d的增量，这说明无侧限抗压强度的形成和发展主要集中在3~14 d。
根据《公路路基设计规范》JTG D30—2004)[18]，在加入二氧化碳泡沫水泥浆进行固化后，淤泥其无侧限抗压强度均能满足要求。
4.3 抗剪强度
通过应变控制式直剪仪测定固化后淤泥的3，7，14，28 d抗剪强度参数——内摩擦角和土体黏聚力，其结果如图 9，10所示。
![]()
图 9 泡沫水泥浆液掺量与内摩擦角曲线Figure 9. Curves of foam cement slurry dosage and internal friction angle图 9表明，内摩擦角随着二氧化碳泡沫水泥浆液掺量增加逐渐增加，这是因为淤泥表面细腻而光滑，当加入泡沫水泥浆液固化后会出现棱角多且密实度大的团聚物，其内摩擦角会随着团聚物的增多而增大，即随着固化料中泡沫水泥浆液含量增加，内摩擦角自然增加。同时，随着养护龄期的增加，内摩擦角也基本呈现一定的增长趋势。
图 10表明，黏聚力随着泡沫水泥浆液掺量增加逐渐增加呈现逐渐增加的趋势，这同样是因为团聚物的增多。由于团聚物之间连接均为纤维状或网状的桥接，桥接的黏聚力是随着泡沫水泥浆液的掺量的增加而增加的，因此总体黏聚力也会增加。同时，随着养护龄期的增加，各种泡沫水泥浆液掺量的淤泥固化料的黏聚力逐渐增大，基本呈现线性增长趋势。
对于一般的填筑工程，填料的内摩擦角一般为18°~25°和黏聚力一般为5~10 kPa。在加入二氧化碳泡沫水泥浆进行固化后的淤泥其内摩擦角和黏聚力均能满足要求。
4.4 对比分析
基于已确定的配比及参数，以3，7，14，28 d养护时间为周期，对比普通水泥浆、空气泡沫水泥及二氧化碳泡沫水泥固化后淤泥力学性能，探究二氧化碳泡沫水泥对淤泥力学的性能提升作用。
普通水泥浆试验中水灰比确定为1︰2.4，配比选择淤泥掺量20%，粉煤灰掺量为30%，普通水泥浆掺量为50%。
制备空气泡沫时发泡液各配比参数与制备二氧化碳泡沫时相同，将发泡机高压气泵改为空压机，气体源使用空气，水灰比确定为1︰2.4，泡浆比为1.3︰1，淤泥掺量为20%，粉煤灰掺量为30%，泡沫水泥浆掺量为50%。
分别制模完成后24 h放入养护室内养护28 d并在养护3，7，14，28 d后进行试验，由于抗剪强度参数——黏聚力和内摩擦角变化趋势基本一致，因此对比试验中仅对黏聚力进行测定。分别普通水泥浆与空气泡沫水泥浆固化后试块的密度、无侧限抗压强度及黏聚力，其结果如图 11~13所示。
![]()
图 12 对比试验无侧限抗压强度分析Figure 12. Analysis of unconfined compressive strength in comparative tests这里由于密度变化不大，将密度值标注于图。图 11表明，随着养护时间的增加，3组试验密度均逐渐提高。这是因为养护过程中水泥中水化反应和碳化反应并没有停止，反应产物使得试块密度持续增加。从3~28 d，经泡沫水泥浆固化后的淤泥试块密度始终小于经普通水泥浆固化后的淤泥试块密度，而由空气泡沫水泥浆固化后的淤泥试块密度又小于由二氧化碳泡沫水泥浆固化后的淤泥试块密度。这是因为二氧化碳泡沫稳定性较差，破裂较快，因此在试块内部存留少，孔隙率低，因此密度更高。
图 12表明，随着养护时间的增加，3组试验无侧限抗压强度均逐渐提高。泡沫水泥浆固化后的淤泥其无侧限抗压强度均大于普通水泥浆固化后的淤泥。从3~28 d，经二氧化碳泡沫水泥浆固化后的淤泥其无侧限抗压强度始终比用空气泡沫水泥浆固化后的淤泥高。这说明二氧化碳的碳化作用对早期无侧限抗压强度的提升有明显的积极作用。
图 13表明，随着养护时间的增加，3组试验黏聚力均逐渐提高，这是因为由于水泥浆液的掺入产生了一系列物理化学反应。从3~28 d，经泡沫水泥浆固化后的淤泥试块黏聚力始终小于经普通水泥浆固化后的淤泥试块黏聚力，而由空气泡沫水泥浆固化后的淤泥试块黏聚力又小于由二氧化碳泡沫水泥浆固化后的淤泥试块黏聚力，这是因为泡沫水泥浆液形成的团聚物孔隙较多，密实度较小，而二氧化碳泡沫不稳定，更加容易破裂，因此二氧化碳泡沫水泥浆形成的团聚物孔隙比空气泡沫水泥浆形成的孔隙少，密实度相对较大，因此二氧化碳泡沫水泥浆固化后的淤泥试块黏聚力更高。由于黏聚力与内摩擦角变化趋势基本一致，因此内摩擦角的变化规律也符合上述描述。
综上所述，采用泡沫水泥浆代替普通水泥浆进行淤泥固化的效果显著，而二氧化碳泡沫水泥浆固化后其密度大于空气泡沫水泥浆固化后的淤泥，但是淤泥的无侧限抗压强度、黏聚力及内摩擦角均大于空气泡沫水泥浆固化后的淤泥，同时，使用二氧化碳固化可以帮助实现二氧化碳的“变废为宝”。因此，采用二氧化碳泡沫水泥浆固化淤泥相对空气泡沫水泥浆及普通水泥浆来说是更好的选择。
4.5 固化淤泥微观机理分析
为了更好地解释泡沫泥浆固化淤泥的机理，开展电子显微镜扫描分析（SEM）和X射线衍射图谱分析（XRD）。
图 14中左图为试样颗粒放大20K倍的状态，右边插图为试样颗粒上4处放大40K倍的状态。①处为水泥基泡沫浆液经过水解水化反应产生的棒状和须状钙钒石网状结构，在反应过程中游离的淤泥颗粒，粉煤灰颗粒及反应产物与网状结构结合，填充之前在水泥基泡沫浆液孔隙的周边的网状结构间隙。②处为试样表面的C-S-H凝胶，在反应后期，粉煤灰中含有的材料活性成分与早期水解水化反应产生的Ca(OH)2发生进一步的水解水化反应，生成C-S-H凝胶，从而降低总的孔隙率。③处为反应产物CaCO3颗粒簇，大多数CaCO3颗粒簇是由水化中间产物Ca(OH)2与泡沫中二氧化碳反应形成，CaCO3颗粒簇在试样表面黏附增强了试样的强度。④处为水泥在水化过程中因反应过程中消耗大量自由水，使得孔隙周边产生因失水收缩而产生的裂纹。
![]()
图 14 水泥基泡沫浆液固化淤泥微观结构光学成像图Figure 14. Optical image of microstructure of cement-based foam slurry-solidified sludge图 15表明，测试数据毛刺数量较少，说明样品的结晶度较好，其次是XRD数据的峰强度较高，有明显的衍射峰，样品结构较好。
![]()
图 15 水泥基泡沫浆液固化淤泥X射线衍射图谱Figure 15. X-ray diffraction patterns of cement-based foam slurry- solidified sludge通过Jade软件对经过平滑后的X射线衍射图谱进行物相检索，得出试样中各物质的主要组成和百分含量，如表 8所示，表 9为普通水泥浆固化淤泥试样中物质主要组成和百分含量。
表 8 水泥基泡沫浆液固化淤泥试样中物相检索物质主要组成和百分含量Table 8. Main compositions and percentage contents of phase retrieved substances in cement-based foam slurry cured silt sample单位: % 组分 CaSiO3 CaCO3 CaAl2O4 Ca(OH)2 百分含量 32.65 30.27 13.07 10.04 表 9 普通水泥浆固化淤泥试样中物相检索物质组成和百分含量Table 9. Compositions and percentage content of phase retrievable substances in common cement slurry cured silt sample单位：% 组分 CaSiO3 CaCO3 CaAl2O4 Ca(OH)2 百分含量 38.18 24.63 14.92 14.61 表 8，9表明，水泥水化水解产物中Ca(OH)2含量比CaCO3含量降低66.8%左右，与普通水泥浆相比，Ca(OH)2与CO2生成CaCO3的转化率约增加26.1%，这主要是二氧化碳泡沫浆液中CO2含量远胜于普通水泥浆液与空气和水中CO2含量，导致水泥水解水化反应后Ca(OH)2产物继续反应产生更坚固稳定的CaCO3。
4.6 成本分析
工程中主要关注水泥掺量的性价比，表 10，11分别给出了泡沫水泥浆液淤泥固化料和普通水泥浆液淤泥固化料的水泥掺量、其他添加剂掺量。
表 10 泡沫水泥浆液淤泥固化料各组分掺量Table 10. Dosages of each component of foam cement slurry sludge solidification materials成分 用量/% 价格/(元·m-3) 茶皂素 0.73 441 SDBS 0.95 896 42.5水泥 23.52 720 粉煤灰 30.00 107 淤泥 35.00 110 水 9.80 0 表 11 普通水泥浆液淤泥固化料各组分掺量Table 11. Dosages of each component of cement slurry sludge solidification materials成分 用量/% 价格/(元·m-3) 42.5水泥 48 720 淤泥 32 110 水 20 0 经过对泡沫水泥浆液固化淤泥成本进行计算统计可得能够刚满足填筑工程中在力学性能及渗透和水稳定性上的要求时1 m3泡沫水泥浆价格约为252元，市面上普通水泥浆价格约为380元/m3，因此水泥基泡沫浆液在满足填筑工程中在力学及渗透性能上的要求的情况下，成本降低约128元/m3。
5. 结论
本文提出以水泥基二氧化碳泡沫浆液固化淤泥的方法，通过从微观机理和宏观试验对水泥基二氧化碳泡沫浆液及利用水泥基二氧化碳泡沫浆液固化淤泥的力学特性进行了系统研究，得到3点结论。
（1）淤泥的无侧限抗压强度随二氧化碳泡沫水泥浆的掺量和养护龄期的增加而增加，其形成与发展主要集中在3~14 d；淤泥的黏聚力和内摩擦角随二氧化碳泡沫水泥浆的掺量和养护龄期的增加而增加。
（2）经过二氧化碳泡沫水泥浆固化后所得淤泥其无侧限抗压强度、黏聚力及内摩擦角均优于经过普通空气水泥浆固化后所得淤泥，但是其密度大于经过普通空气水泥浆固化后所得淤泥。
（3）固化试样微观成像图中可见许多疏松孔隙，淤泥颗粒填充在浆液孔隙的周边的网状结构间隙。水泥水化水解产物中Ca(OH)2含量比CaCO3含量降低66.8%左右，Ca(OH)2与CO2生成CaCO3的转化率约增加26.1%。
-
![]()
图 4 水灰比与密度、抗压强度变化百分比的关系
Figure 4. Relationship between water-cement ratio and change percentages of density and compressive strength
![]()
图 5 浆泡比与密度、抗压强度变化百分比的关系
Figure 5. Relationship between slurry-bubble ratio and change percentage of, density and compressive strength
![]()
图 6 泡沫浆液密度与粉煤灰掺量的关系
Figure 6. Variation of density of foam slurry with content of fly ash
![]()
图 7 泡沫浆液抗压强度与粉煤灰掺量的关系
Figure 7. Variation of compressive strength of foam slurry with content of fly ash
![]()
图 8 固化料无侧限抗压强度与浆液掺量的关系
Figure 8. Curves of unconfined compressive strength and slurry content of solidified materials
![]()
图 9 泡沫水泥浆液掺量与内摩擦角曲线
Figure 9. Curves of foam cement slurry dosage and internal friction angle
![]()
图 12 对比试验无侧限抗压强度分析
Figure 12. Analysis of unconfined compressive strength in comparative tests
![]()
图 14 水泥基泡沫浆液固化淤泥微观结构光学成像图
Figure 14. Optical image of microstructure of cement-based foam slurry-solidified sludge
![]()
图 15 水泥基泡沫浆液固化淤泥X射线衍射图谱
Figure 15. X-ray diffraction patterns of cement-based foam slurry- solidified sludge
表 1 淤泥基本物理性质参数
Table 1 Basic physical property parameters of sludge
含水率/% 湿密度/
(g·cm-3)干密度/
(g·cm-3)相对质量密度 63.26 1.69 1.03 2.70 
下载: 导出CSV
表 2 普通硅酸盐水泥性能测试结果
Table 2 Performance test results of ordinary portland cement
比表面积/
(m2·kg-1)初凝/ min 终凝/ min 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 3 d 28 d 3 d 28 d 357 203 250 5.9 7.7 27.4 45.0
下载: 导出CSV
表 3 马鞍山海螺牌普通硅酸盐42.5水泥主要化学组分及含量
Table 3 Main chemical components and content of Ma'anshan Hailuo ordinary portland 42.5 cement
单位: % SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 CaO MgO 22.55 5.91 2.63 2.01 63.22 2.68
下载: 导出CSV
表 4 L9（34）水平及因素信息表
Table 4 Information of orthogonal tests
序号 发泡剂(A) 发浓度(B) 稳泡剂(C) 稳浓度(D) 1 A1 2 g/L(B1) C1 3 g/L(D1) 2 A2 4 g/L(B2) C2 5 g/L(D2) 3 A3 6 g/L(B3) C3 7 g/L(D3)
下载: 导出CSV
表 5 L9（34）正交试验结果
Table 5 Results of orthogonal tests
组号 发泡剂种类 发泡剂浓度 稳泡剂种类 稳泡剂浓度 结石率/% 密度/(g·cm-3) 7 d抗压强度/MPa 稳泡时间/min ① 1(A1) 1(B1) 1(C1) 1(D1) 0.98 1.38 3.33 24.2 ② 1(A1) 2(B2) 2(C2) 2(D2) 0.97 1.41 4.50 52.4 ③ 1(A1) 3(B3) 3(C3) 3(D3) 0.99 1.44 4.62 33.8 ④ 2(A2) 1(B1) 2(C2) 3(D3) 0.96 1.31 5.62 41.1 ⑤ 2(A2) 2(B2) 3(C3) 1(D1) 0.96 1.52 4.28 55.6 ⑥ 2(A2) 3(B3) 1(C1) 2(D2) 0.93 1.41 4.51 37.2 ⑦ 3(A3) 1(B1) 3(C3) 2(D2) 0.96 1.49 4.69 38.4 ⑧ 3(A3) 2(B2) 1(C1) 3(D3) 0.99 1.54 4.42 42.9 ⑨ 3(A3) 3(B3) 2(C2) 1(D1) 0.99 1.32 4.46 29.6
下载: 导出CSV
表 6 各水平数据平均值与极差
Table 6 Averages and ranges of data at all levels
平均水平与极差 7 d强度/
MPa密度/
(g·cm-3)结石率 稳泡时间/
minA ¯K1 4.05 1.41 0.98 36.80 ¯K2 4.97 1.41 0.96 41.30 ¯K3 4.52 1.45 0.98 36.97 R 0.92 0.04 0.02 4.50 B ¯K1 4.55 1.39 0.97 34.57 ¯K2 4.40 1.49 0.97 50.30 ¯K3 4.53 1.39 0.97 33.53 R 0.15 0.10 0 16.77 C ¯K1 4.09 1.34 0.97 34.77 ¯K2 4.86 1.35 0.98 41.03 ¯K3 4.53 1.48 0.97 42.60 R 0.77 0.14 0.01 7.83 D ¯K1 4.02 1.44 0.97 36.46 ¯K2 4.57 1.44 0.95 42.67 ¯K3 4.89 1.43 0.98 39.27 R 0.87 0.01 0.03 6.21
下载: 导出CSV
表 7 泡浆比与水灰比全面试验组别示意图
Table 7 Schematic diagram of comprehensive test groups
泡浆比 水灰比 1︰2.2 1︰2.4 1︰2.6 1︰2.8 3︰1 1 4 7 10 5︰1 2 5 8 11 7︰1 3 6 9 12
下载: 导出CSV
表 8 水泥基泡沫浆液固化淤泥试样中物相检索物质主要组成和百分含量
Table 8 Main compositions and percentage contents of phase retrieved substances in cement-based foam slurry cured silt sample
单位: % 组分 CaSiO3 CaCO3 CaAl2O4 Ca(OH)2 百分含量 32.65 30.27 13.07 10.04
下载: 导出CSV
表 9 普通水泥浆固化淤泥试样中物相检索物质组成和百分含量
Table 9 Compositions and percentage content of phase retrievable substances in common cement slurry cured silt sample
单位：% 组分 CaSiO3 CaCO3 CaAl2O4 Ca(OH)2 百分含量 38.18 24.63 14.92 14.61
下载: 导出CSV
表 10 泡沫水泥浆液淤泥固化料各组分掺量
Table 10 Dosages of each component of foam cement slurry sludge solidification materials
成分 用量/% 价格/(元·m-3) 茶皂素 0.73 441 SDBS 0.95 896 42.5水泥 23.52 720 粉煤灰 30.00 107 淤泥 35.00 110 水 9.80 0
下载: 导出CSV
表 11 普通水泥浆液淤泥固化料各组分掺量
Table 11 Dosages of each component of cement slurry sludge solidification materials
成分 用量/% 价格/(元·m-3) 42.5水泥 48 720 淤泥 32 110 水 20 0
下载: 导出CSV
-
[1] 王东星, 徐卫亚. 固化淤泥长期强度和变形特性试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(1): 332-339. WANG Dongxing, XU Weiya. Experimental study on long-term strength and deformation properties of solidified sediments[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(1): 332-339. (in Chinese)
[2] 丁建文, 张帅, 洪振舜, 等. 水泥-磷石膏双掺固化处理高含水率疏浚淤泥试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(9): 2817-2822. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2010.09.021 DING Jianwen, ZHANG Shuai, HONG Zhenshun, et al. Experimental study of solidification of dredged clays with high water content by adding cement and phosphogypsum synchronously[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(9): 2817-2822. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2010.09.021
[3] 章荣军, 董超强, 郑俊杰, 等. 絮凝剂和缓凝剂对水泥固化疏浚淤泥浆效率的影响研究[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(10): 1928-1935. doi: 10.11779/CJGE201910018 ZHANG Rongjun, DONG Chaoqiang, ZHENG Junjie, et al. Influences of flocculant and retarder on solidification efficiency of cement in treatment of dredged mud slurry[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(10): 1928-1935. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE201910018
[4] 王协群, 刘宁, 李智奇, 等. 干湿循环作用下氯氧镁水泥基多相胶凝材料改性固化淤泥的水力-力学特性[J]. 岩土工程学报, 2023, 45(10): 2004-2013. doi: 10.11779/CJGE20220846 WANG Xiequn, LIU Ning, LI Zhiqi, et al. Hydro-mechanical properties of sludge stabilized with magnesium oxychloride cement-based multi-cementitious materials under influences of drying-wetting cycles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2023, 45(10): 2004-2013. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE20220846
[5] 乔京生, 王旭影, 王冠泓, 等. 粒化高炉矿渣微粉固化淤泥质土的动力特性及微观机理[J]. 硅酸盐通报, 2021, 40(7): 2306-2312. QIAO Jingsheng, WANG Xuying, WANG Guanhong, et al. Dynamic characteristics and microscopic mechanism of muddy clay solidified by ground granulated blast-furnace slag[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2021, 40(7): 2306-2312. (in Chinese)
[6] 吴俊, 征西遥, 杨爱武, 等. 矿渣-粉煤灰基地质聚合物固化淤泥质黏土的抗压强度试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 647-655. WU Jun, ZHENG Xiyao, YANG Aiwu, et al. Experimental study on the compressive strength of muddy clay solidified by the one-part slag-fly ash based geopolymer[J]. Rock and Soil Mechanics, 2021, 42(3): 647-655. (in Chinese)
[7] 邓琪丰, 刘卫东, 韩云婷. 发泡剂对淤泥固化性能的影响研究[J]. 新型建筑材料, 2022, 49(7): 138-143. DENG Qifeng, LIU Weidong, HAN Yunting. Study on the effect of foaming agent on the solidification performance of silt[J]. New Building Materials, 2022, 49(7): 138-143. (in Chinese)
[8] JONES M, MCCARTHY A. Utilising unprocessed low-lime coal fly ash in foamed concrete[J]. Fuel, 2005, 84(11): 1398-1409. doi: 10.1016/j.fuel.2004.09.030
[9] JITCHAIYAPHUM K, SINSIRI T, CHINDAPRASIRT P. Cellular lightweight concrete containing pozzolan materials[J]. Procedia Engineering, 2011, 14: 1157-1164. doi: 10.1016/j.proeng.2011.07.145
[10] KEARSLEY E P, WAINWRIGHT P J. Porosity and permeability of foamed concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(5): 805-812. doi: 10.1016/S0008-8846(01)00490-2
[11] GOUAL M S, BALI A, DE BARQUIN F, et al. Isothermal moisture properties of clayey cellular concretes elaborated from clayey waste, cement and aluminium powder[J]. Cement and Concrete Research, 2006, 36(9): 1768-1776. doi: 10.1016/j.cemconres.2005.12.017
[12] 胡焕校, 罗玮, 唐良智, 等. 轻质泡沫水泥注浆材料的应用研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2011, 31(2): 82-85. HU Huanxiao, LUO Wei, TANG Liangzhi, et al. The application research of lightweight foam cement in the grouting materials[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2011, 31(2): 82-85. (in Chinese)
[13] 蔡光华, 刘松玉, 张正甫, 等. 二氧化碳泡沫法碳化加固软弱土的初探研究[J]. 地下空间与工程学报, 2015, 11(增刊1): 34-38. CAI Guanghua, LIU Songyu, ZHANG Zhengfu, et al. Preliminary study on carbonation of soft soil by carbon dioxide foam method[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2015, 11(S1): 34-38. (in Chinese)
[14] NEVES A Jr, TOLEDO FILHO R D, DE MORAES REGO FAIRBAIRN E, et al. The effects of the early carbonation curing on the mechanical and porosity properties of high initial strength Portland cement pastes[J]. Construction and Building Materials, 2015, 77: 448-454. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.12.072
[15] ZHA X, WANG H, FENG G. The experimental research on the influence of silica fume on the property of cement-based materials[J]. Journal of Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering, 2012: 514-518.
[16] 通用硅酸盐水泥: GB 175—2023[S]. 北京: 中国标准出版社, 2023. Common Portland Cement: GB 175—2023[S]. Beijing: Standards Press of China, 2023. (in Chinese)
[17] 用于水泥和混凝土中的粉煤灰: GB/T 1596—2017[S]. 北京: 中国标准出版社, 2023. Fly Ash Used for Cement and Concrete: GB/T 1596—2017[S]. Beijing: Standards Press of China, 2017. (in Chinese)
[18] 公路路基设计规范: JTG D30—2004[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004. Specifications for Design of Highway Subgrades: JTG D30—2004[S]. Beijing: China Communications Press, 2004. (in Chinese)
-
其他相关附件
计量
- 文章访问数: 352
- HTML全文浏览量: 41
- PDF下载量: 115
