碱激发矿粉胶凝材料固化高含盐量浓缩液污泥试验研究

冯德銮; 王杰; 王羽心; 陈志城; 梁仕华

doi:10.11779/CJGE20230215

碱激发矿粉胶凝材料固化高含盐量浓缩液污泥试验研究 English Version

广东工业大学土木与交通工程学院, 广东广州 510006

详细信息

作者简介:
冯德銮(1985—)，男，讲师，主要从事岩土工程方面的教学和科研工作。E-mail：wolfluan@126.com

通讯作者:
梁仕华, E-mail: lingshihuagdut@126.com

中图分类号: TU43
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出版历程
- 收稿日期: 2023-03-12
- 网络出版日期: 2024-03-24
- 刊出日期: 2024-08-31

Experimental study on strength and water stability of concentrated solution sludge solidified with alkali-activated GGBS geopolymer

School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China

摘要

摘要: 采用浸没式燃烧工艺处理生活垃圾填埋场渗滤液产生的浓缩液污泥副产物具有高易溶盐含量的特征。分别采用硫铝酸盐水泥和碱激发矿粉胶凝材料固化浓缩液污泥，对固化试样进行一系列无侧限抗压强度（UCS）试验、水稳定性试验和微观观测试验，分析硫铝酸盐水泥和碱激发矿粉胶凝材料对浓缩液污泥的固化效果和固化机理。研究结果表明：40%水泥掺量的固化试样的28 d无侧限抗压强度为1.95 MPa，浸水28 d后降低至零。30%矿粉掺量的固化试样的28 d无侧限抗压强度为14.8 MPa，浸水28 d后，仍达3.6 MPa，远大于垃圾填埋场的填埋强度要求。碱激发矿粉反应生成的三维网状胶凝材料和钙矾石晶体可对浓缩液污泥颗粒实现有效的包裹和胶结，是碱激发矿粉胶凝材料固化浓缩液污泥的微观固化机制。
- 浓缩液污泥 /
- 硫铝酸盐水泥 /
- 碱激发矿粉 /
- 水稳定性 /
- 固化机理
Abstract: The concentrated solution sludge (CSS) produced by submerged combustion process on leachate has the characteristic of high soluble salt content. The sulfoaluminate cement (SAC) and alkali-activated GGBS geopolymer are used to solidify the CSS, respectively. A series of unconfined compressive strength (UCS) tests, water stability tests and microscopic observation tests are carried out on the solidified samples to investigate the curing effects and curing mechanisms of the SAC and alkali-activated GGBS geopolymer on the CSS. The results show that the UCS of the solidified sample with the SAC of 40% is 1.95 MPa at 28 d-curing age, and decreases to zero after 28 d-water immersion. The UCS of the solidified sample with the GGBS of 30% is 14.8 MPa at 28 d-curing age, and remains 3.6 MPa after 28 d-water immersion, which is much higher than the strength requirement of landfills. The three-dimensional geopolymeric gels and ettringite crystals produced by the GGBS geopolymerization are capable of effectively encapsulating and cementing the CSS particles, which is the curing mechanism of the alkali-activated GGBS-solidified CSS.
- concentrated solution sludge /
- sulfoaluminate cement /
- alkali-activated GGBS /
- water stability /
- curing mechanism

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0. 引言

土石坝变形的预测和控制是设计和运行的一个关键问题，其变形预测常采用数值计算手段，计算时的模型参数常采用三轴试验确定。随着高土石坝工程的不断涌现，筑坝堆石料直径逐渐加大，堆石坝最大粒径一般可达800~1200 mm，而常规三轴压缩试验试样直径为300 mm，其试验粒径更是被缩尺后限制到60 mm以内^[1]，这就带来了试验材料趋同性及由试验参数向原型筑坝材料参数回溯推求等问题^[2-4]。为解决尺寸效应问题，有学者采用超大型三轴仪或是现场硐室压缩试验以减小缩尺的影响^[5-7]，但试验可重复性差且推广性不足。

通过系列比例的缩尺试验，研究力学参数随缩尺比例的变化规律，提出从缩尺堆石料推求原型堆石料力学参数的外推方程，是解决尺寸效应问题的另一种研究途径^[8]，本研究推导建立了三维应力条件下球体材料变形特性参数尺寸效应理论模型，并开展了堆石料和砂砾石料在120~1000 mm试样尺度下的系列压缩实验，研究压缩模量的尺寸效应变化规律，通过破碎前后堆石料筛分试验，揭示破碎率的影响规律，并验证尺寸效应理论模型。

1. 土石料尺寸效应理论模型

1.1 尺寸效应统一模型

土石料的堆积结构单元为堆石(或砂卵石)颗粒，为从理论层面建立尺寸效应模型，将堆石颗粒简化为球体开展三维应力条件下推导，篇幅所限此处仅给出结过，推导过程见笔者发表的文献[9, 10]。

基于堆石料压缩模量随尺度参数的变化关系和压缩模量随颗粒破碎率的变化关系，建立考虑破碎修正的堆石料尺寸效应模型：

。

$E_{\mathrm{i}}=f\left(B_{\mathrm{r}}\right) \cdot F\left(R_{\mathrm{d}}, e_0, E, \mu\right) \text { 。 }$

(1)

式中： $F({R_{\text{d}}}, {e_0}, E, \mu )$ 为尺寸效应方程，公式为

$F({R}_{\text{d}}, {e}_{0}, E, \mu )=\frac{1}{(1+2{k}_{0})\text{π}}\left[a\cdot \text{exp}\left(-\frac{{R}_{\text{d}}}{b}\right)\right]{\left(\frac{{\rho }_{\text{d}}}{{G}_{\text{s}}{\rho }_{\text{w}}}\right)}^{\xi }\frac{E}{1-{\mu }^{2}}\text{，}$

(2)

式中： ${E_i}$ 为堆石料压缩模量； $E$ 和 $\mu$ 分别为堆石料弹性模量与泊松比； ${G_{\text{s}}}$ 为堆石料相对质量密度；a和b为模型参数； ${k_0}$ 为侧压力系数 $\left( {{k_0} = \frac{\mu }{{1 - \mu }}} \right)$ 。

$f({B_{\text{r}}})$ 为破碎修正方程，公式为

$f({B_{\text{r}}}) = {{\text{e}}^{ - \frac{\lambda }{{{R_{\text{d}}}^\beta }}}} 。$

(3)

式中： $f({B_{\text{r}}})$ 为破碎修正函数；R_d为径径比； $\lambda$ ，β为方程参数。

1.2 破碎修正参量

土石料在压力所用下整体变形除了一部分为形变，还有一部分是由破碎引起的，由于颗粒破碎对压缩模量具有重要的影响，对颗粒破碎对尺寸效应影响进行专门分析，采用破碎修正方程式（3），分别讨论可破碎和不可破碎的土石料的尺寸效应变化规律。

参数 $\lambda$ 是描述颗粒破碎程度的参数， $\lambda = 0$ 表示破碎率为0，无颗粒破碎情况，而且， $\lambda$ 越大则颗粒破碎程度越大。将破碎系数 $\lambda$ =0，0.5，1.0，2.0，3.0代入尺寸效应统一模型式（1），得到考虑破碎修正的归一化压缩模量与径径比关系曲线，如图 1所示。

图 1 可破碎与不可破碎材料的尺寸效应曲线

Figure 1. Size effect curves of crushable and non crushable materials

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从可以看出，当没有颗粒破碎（ $\lambda$ =0）时，压缩模量随径径比增加而减小；当破碎程度较低时（ $\lambda$ =0.5），小径径比区段（约为 ${R_{\text{d}}}$ ≤6）的压缩模量显著降低，出现了曲线反向、压缩模量随径径比增大而增大的现象，大径径比区段（约为 ${R_{\text{d}}}$ > 6）曲线变化趋势保持不变；随着破碎程度增加，尺寸效应曲线基本完全变为压缩模量随径径比增加而增加的变化曲线。

2. 压缩模量尺寸效应试验研究

2.1 试验设计

针对土石料尺寸效应问题，采用可反映破碎效应的堆石料和不发生破碎的砂砾石料进行侧限压缩试验，并在试验后进行筛分试验以研究压缩模量随颗粒破碎率的变化规律。试验设计时，为体现尺寸效应规律，突破常规300 mm直径试样筒的条件，对堆石料和砂砾石料同时开展试样直径为120~1000 mm、装样最大粒径5~200 mm、径径比从5~25的的系列试验，试验方案如表 1所示，设计级配如图 2所示。

表 1 尺寸效应试验方案

Table 1. The size effect test plan

径径比R_d	装样最大粒径/mm	试件直径D/mm
5	200	1000
12.5	80
25	40
5	100	500
12.5	40
25	20
6	20	120
12	10
24	5

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图 2 试样颗粒分析曲线

Figure 2. Sample particle analysis curve

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试验参照《土工试验方法标准：GB/T 50123—2019》进行，各组试验密度控制在1.88 g/cm³，加载速率为0.01 H/min，当轴向应变15%或轴向应力达到6 MPa时停止加载，以保证土石料处于弹性应变状态。

2.2 试验结果及分析

对各组试样进行侧限压缩试验，典型应力应变曲线如图 3所示，对其进行线性拟合，相关系数均达到0.95以上，斜率作为试验压缩模量。

图 3 典型试验应力应变曲线

Figure 3. Typical experimental stress-strain curve

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试验中既有不同的试件尺寸，也有不同的最大粒径，为将两者统一引入径径比的参量进行对比分析，各组试验所得压缩模量与径径比的关系如图 4所示。

图 4 压缩模量与径径比关系曲线

Figure 4. Compression modulus and diameter to diameter ratio relationship curve

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可以看出，有破碎效应的堆石料压缩模量随径径比增加而增加，但增加的幅值随径径比的增大逐渐减小；无破碎效应的砂砾石料压缩模量随径径比增加而减小。综合来看，尽管各组试验中的试样尺寸和最大粒径不同，但只要试样径径比相同，所测得的压缩模量非常接近，说明在其他条件相同情况下，径径比是影响压缩模量的主要因素。

2.3 颗粒破碎影响分析

土石料作为一个整体结构在外力作用发生压缩变形，在微观层面当某个或某些颗粒的边缘棱角发生破碎，这种现象在整个结构中累积将在宏观层面表现出形变，进行体现出压缩模量显著降低，为此，有必要研究压缩模量与颗粒破碎率的相关关系。

根据《土工试验方法标准：GB/T 50123—2019》对各组试验在压缩前后进行颗粒筛分试验，绘出堆石料和砂砾石料压缩前后典型颗粒分析曲线如图 5所示。

图 5 压缩前后颗分曲线变化

Figure 5. Changes in particle size curve before and after compression

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从图中可以看出，砂砾石料压缩前后基本无变化，而堆石料压缩后颗分曲线位于压缩前曲线上方，表明在试验中颗粒发生了破碎。

以Hardin提出的相对破碎率指标 ${B_{\text{r}}}$ 为评价破碎的程度，可得砂砾石试验后的破碎率为0.34%，可忽略其影响，按不可破碎材料分析；堆石料试验后的破碎率为2.7%~5.3%，建立压缩模量E_i与破碎率 ${B_{\text{r}}}$ 的关系曲线，如所示。由图可得，破碎率越大则压缩模量越小，说明颗粒破碎将降低堆石结构变形模量，进一步建立径径比与相对破碎率关系如所示，相对破碎率随径径比增加而减小，呈幂函数关系，将此关系采用式（3）表示，堆石料破碎修正因子为 $f({B_{\text{r}}}) = {\text{exp}}\left( { - \frac{{1.25}}{{{R_{\text{d}}}^{{\text{0}}{\text{.383}}}}}} \right)$ 。

图 6 堆石料相对破碎率与压缩模量关系

Figure 6. Relationship between relative crushing rate and compressive modulus of rockfill materials

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图 7 堆石料相对破碎率与径径比关系

Figure 7. Relationship between relative crushing rate and diameter to diameter ratio of rockfill materials

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2.4 尺寸效应模型应用

基于砂砾石料不破碎的特性，对于式（1）的尺寸效应模型应用中无破碎修正项，根据压缩试验结果和材料参数E=7751.3 MPa，μ=0.197， ${\rho _{\text{d}}}$ =1.88 g/cm³代入式（2）建立联立方程组，求解得到模型参数如所示。将 ${R_{\text{d}}}$ =1.0作为压缩模量归一化的基准 ${E_0}$ ，绘出归一化压缩模量 ${E_{\text{i}}}/{E_0}$ 与径径比 ${R_{\text{d}}}$ 关系曲线，如图 8（a）所示，可以看出，试验数据点落在模型计算曲线附近，相关系数R²为0.91。

图 8 尺寸效应模型应用

Figure 8. Application of size effect model

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堆石料在试验过程中发生了破碎，在尺寸效应模型应用时应考虑破碎修正项 $f({B_{\text{r}}})$ 的因素，根据压缩试验结果、破碎修正因子方程和材料参数E=4320 MPa，μ=0.37， ${\rho _{\text{d}}}$ =1.88 g/cm³，求解得到模型参数如所示。采用 ${R_{\text{d}}} = 30$ 的压缩模量计算值作为压缩模量归一化基准 ${E_0}$ ，绘出归一化压缩模量 ${E_{\text{i}}}/{E_0}$ 与径径比 ${R_{\text{d}}}$ 关系曲线，如图 8（b）所示，从图可以看出，试验数据点落在模型计算曲线附近，相关系数R²为0.93，综上可见模型具有良好的计算效果。

表 2 尺寸效应模型参数

Table 2. Model parameters of size effects

名称	${a_{\text{2}}}$	b	ξ	${G_{\text{s}}}$	$\lambda$	$\beta$
砂砾石料	2.20	36	6	2.67	—	—
堆石料	1.35	64	3	2.67	1.15	0.38

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3. 结论

针对堆石筑坝料的尺寸效应问题，将球体变形尺寸效应统一模型推广应用于筑坝料，通过砂砾石料和堆石料侧限压缩试验，研究了压缩模量的尺寸效应变化规律，揭示了破碎率的影响规律，并验证了尺寸效应理论模型，主要得到以下3点结论。

（1）压缩试验中砂砾石的破碎率为0.34%，可按不可破碎材料分析，堆石料的破碎率为2.7%~5.3%，颗粒破碎率越大，堆石料压缩模量越小。

（2）堆石料压缩模量随径径比增加而增加，砂砾石料压缩模量随径径比增加而减小，引起两者规律相反的原因是颗粒破碎的影响。

（3）采用破碎指标 $\lambda$ 反映筑坝料的破碎程度，实现了不同类别土石料尺寸效应的统一描述，并能够准确的计算砂砾石料压缩模量随径径比增加而减小、堆石料压缩模量随径径比增加而增加的尺寸效应，且能够计算不同破碎率条件下的尺寸效应，实现了粗粒料尺寸效应模型化预测。

图 1 浓缩液污泥形成过程及浸没式燃烧工艺程序图

Figure 1. Formation of CSS

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图 2 CSS的表面形态、微观结构和级配曲线

Figure 2. Surface morphology, microstructure and gradation curve of CSS

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图 3 浓缩液污泥的矿物成分

Figure 3. Mineral compositions of CSS

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图 4 C-CSS固化试样无侧限抗压强度与水泥掺量的关系

Figure 4. Relationship between unconfined compressive strength and cement content of C-CSS-solidified samples

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图 5 水泥固化试样7 d龄期的SEM照片

Figure 5. SEM image of cement-solidified CSS at 7 d-curing age

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图 6 固化试样无侧限抗压强度与矿粉掺量的关系

Figure 6. Relationship between unconfined compressive strength and mineral powder content of solidified samples

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图 7 C-CSS^WI试样的水稳定性试验结果

Figure 7. Water stability test results of C-CSS^WI samples

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图 8 水泥固化浓缩液污泥的浸泡强度劣化机理示意图

Figure 8. Schematic diagram of strength deterioration mechanism of cement-solidified CSS immersed in water

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图 9 A-CSS^WI试样的水稳定性试验结果

Figure 9. Water stability test results of A-CSS^WI samples

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图 10 碱激发矿粉固化浓缩液污泥的浸泡强度劣化机理示意图

Figure 10. Schematic diagram of strength deterioration mechanism of alkali-activation GGBS-solidified CSS immersed in water

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图 11 典型固化试样的XRD图谱

Figure 11. XRD patterns of typical cured samples

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图 12 典型固化试样的FTIR光谱

Figure 12. FTIR spectra of typical solidified samples

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图 13 典型试样的扫描电镜照片

Figure 13. SEM images of typical samples

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表 1 浓缩液污泥基本物理性质

Table 1 Basic physical properties of CSS

土工含水率/%	颗粒相对密度	pH值	天然密度/(g·cm⁻³)	塑限/%	液限/%	有机质含量/%
26.76	2.31	9.31	1.88	9.62	19.18	5.87

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表 2 浓缩液污泥的元素组成

Table 2 Elemental compositions of CSS (单位: %)

成分	Na₂O	Cl	K₂O	SO₃	MgO	CaO	SiO₂	Fe₂O₃	P₂O₅	Al₂O₃
含量	35.08	28.14	17.05	14.14	2.44	2.07	0.40	0.13	0.07	0.48

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表 3 浓缩液污泥的重金属含量

Table 3 Heavy metal content of CSS (单位: mg/kg)

重金属	Ag	Ba	Be	Cd	Cr	Cu	Ni	Pb	Zn
含量	—	18	—	—	4	—	18	—	—

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表 4 水泥和矿粉的元素组成

Table 4 Elemental compositions of cement and GGBS (单位: %)

种类	CaO	SiO₂	SO₃	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	P₂O₅	Na₂O	K₂O	Cl	其他
矿粉	37.55	36.49	2.38	18.00	0.28	9.74	－	0.54	0.42	－	1.23
硫铝酸盐水泥	47.07	10.07	11.54	24.37	2.70	1.13	0.09	0.49	0.99	0.25	1.30

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表 5 试验方案

Table 5 Test protocols

试验类型	试验组别	水泥掺量/%	矿粉掺量/%	龄期/d	浸泡时间/d	试样数量
无侧限抗压强度试验	C-CSS	10，20，30，40	0	7，14，28	—	36
无侧限抗压强度试验	A-CSS	0	10，20，30，40	3，7，14，28	—	48
水稳定性试验	C-CSS^WI	10，20，30，40	0	28	3，7，14，28	48
水稳定性试验	A-CSS^WI	0	10，20，30，40	28	3，7，14，28	48

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表 6 碱激发矿粉与硫铝酸盐水泥的水化产物特性

Table 6 Characteristics of hydration products of alkali-activated GGBS and sulfoaluminate cement

固化剂	水化产物类型	水化产物结构形态	水化产物生成时间
硫铝酸盐水泥	C—S—H、钙矾石	二维链状	较慢，稳定
碱激发矿粉	矿粉基地聚物、钙矾石	三维网状	快速，强烈

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施引文献(3)

期刊类型引用(2)

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0. 引言
1. 土石料尺寸效应理论模型
1.1 尺寸效应统一模型
1.2 破碎修正参量
2. 压缩模量尺寸效应试验研究
2.1 试验设计
2.2 试验结果及分析
2.3 颗粒破碎影响分析
2.4 尺寸效应模型应用
3. 结论

碱激发矿粉胶凝材料固化高含盐量浓缩液污泥试验研究 English Version

作者简介: 冯德銮(1985—)，男，讲师，主要从事岩土工程方面的教学和科研工作。E-mail：wolfluan@126.com

通讯作者: 梁仕华, E-mail: lingshihuagdut@126.com

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