【文章內(nèi)容簡介】 硅酸鹽水泥中的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鋁酸四鈣等與水發(fā)生水解和水化反應，在淤泥中形成水泥石骨架； 水泥的水解反應： 2()+6H2O 一 3CaO2Si023H2O+3Ca(OH)2。 2()+4H2O 一 3CaO2Si023H2O+Ca(OH)2。 3CaOA12O3+6H2O 一 3CaOA12O36H20。 水泥的水化反應： 4CaOA12O3Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O 一 6H2O +3CaOFe2O3+6H2O； 3CaSO4+3CaOA12O3+32H20 一 32H20。 水泥的水化反應主要產(chǎn)物是氫氧化鈉、水化硅酸鈣，水化鋁酸鈣，水化鐵酸鈣等其他化合物。所以生成的氫氧化鈉、水化硅酸鈣能迅速溶解與水中，便于接下來的一系列反應的繼續(xù)進行。 水泥水化反應的生成物主要為氫氧化鈣，水化硅 酸鈣，水化鋁酸鈣，水化鐵酸鈣和鈣礬石 (CaOA12O3CaSO432H20)等化合物。所生成的氫氧化鈣，水化硅酸鈣能迅速溶于水中，使水泥顆粒表面重新暴露出來，再與水發(fā)生反應，這樣周圍的水溶液就逐漸達到飽和。當溶液達到飽和后，水分子雖繼續(xù)滲入顆粒內(nèi)部，但新生成物不能再繼續(xù)溶解，只能以膠體析出，懸浮在溶液中。 （ 2）淤泥顆粒與水泥水化物的作用 當水泥的各種水化物生成后，有的自身繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架，有的則與周圍具有一定活性的粘土顆粒發(fā)生反應。 1）離子交換和團?；饔? 淤泥和水結(jié)合時就表現(xiàn)一定 的膠體特性，如土中二氧化碳遇水后，形成膠體微粒，其表面帶有鈉離子或鉀離子，它們能和水泥水化生成的氫氧化鈣中鈣離子c 擴十進行當量吸附交換，使較小的土顆粒形成較大的土團粒，從而使土體的強 度提高。水泥水化生成的凝膠粒子的比表面積約比原水泥顆粒大 1000 倍，因而產(chǎn)生很大的表面能，有強烈的吸附活性，能使較大的土團粒進一步結(jié)合，形成固化土的團粒結(jié)構(gòu)，并封閉各團粒的孔隙形成堅固的聯(lián)結(jié)。 2）硬凝反應 隨著水泥水化反應的深入，溶液中析出大量的鈣離子，當其數(shù)量超過離子交換需要量后，在堿性環(huán)境中，能使組成粘土礦物的二氧化硅及三 氧化二鋁的一部分或大部分與鈣離子進行化學反應，逐漸生成不溶于水的結(jié)晶化合物，增大固化土強度。反應式為 : SiO2+Ca(OH)2+nH2O 一 3CaOSiO2(nH)H2O A12O3+Ca(OH)2+nH2O 一 CaOA12O3(n+1)H2O 3）碳酸化作用 水泥水化物中游離的氫氧化鈣能吸收水中和空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸鈣，這種反應也能使固化土增加強度，但增長強度較慢，幅度較小。 粉煤灰固化機理 粉煤灰是一種具有潛在活性的火山灰質(zhì)粉末 ,其化學成分以 SiO Al2O3及其它金屬氧化物為主。研究表明 ,粉煤灰的活性不僅低于成分相近的火山灰質(zhì)粉末材料 (如矸石等 ),而且更低于礦渣的水化活性。 {8} (1)粉煤灰的活性來源 粉煤灰的活性一般包括物理活性和化學活性。粉煤灰的物理活性產(chǎn)生的效應包括減水效應、微集料效應和密實效應。減水效應也稱顆粒形態(tài)效應 ,主要是指粉煤灰中球形玻璃體起滾珠軸承作用 ,從而使摻粉煤灰體系的流動性提高 ,起減水作用 。微集料效應是指粉煤灰顆粒充當微小集料 ,均勻分布在體系之中 ,填充孔隙和毛細孔 ,改善體系的孔結(jié)構(gòu)和增大密實度 。密實效應是微集料效應和火山灰 效應的共同作用的表生晶相 ,填補水膜層和水泥骨架空隙 ,提高密實度。物理活性主要在摻粉煤灰體系的早期發(fā)揮作用 [9]。 粉煤灰的化學活性指粉煤灰的火山灰性質(zhì) , 它來源于煤粉在高溫燃燒后收縮成球狀液珠后迅速冷卻而形成的玻璃體中可溶性的 SiO2, Al2O3,活性 SiO2, Al2O3 與石灰和水混合后能生成水化硅酸鈣 (CSH)和水化鋁酸鈣 (C A H)[10]。 （ 2）激發(fā)方式 1）物理激發(fā) 物理激發(fā)即機械粉磨。根據(jù)粉煤灰的物理產(chǎn)生的來源可以機械球磨。煤灰經(jīng)機械粉磨 ,含玻璃珠 的粗顆粒即微珠粘聯(lián)體被分散成單個微珠 , 較大的玻璃體和炭粒變成細屑 ,雖然顆粒表面積增大 ,表面吸附的水量增加 ,但是球形顆粒增多 ,發(fā)揮“滾珠”作用 ,使體系的流動性增加 ,和易性改善 ,從而減少了需水量 [17]。 雖然機械粉磨激發(fā)粉煤灰活性工藝簡單、成本較低 ,但是由于機械粉磨的激發(fā)效果隨粉煤灰粒徑的減小而呈指數(shù)下降 ,而且細磨粉煤灰對體系的強度貢獻主要來自顆粒優(yōu)化產(chǎn)生的形態(tài)效應 , 而對玻璃體表面破壞帶來的活性效應還在其次 , 因此機械粉磨較適用于粗灰 ,對細灰的作用不是很明顯 ,難以較大幅度地提高粉煤灰的活性 [11]。 2） 化學激發(fā) 常用的粉煤灰的化學激發(fā)方法有酸激發(fā)、堿激發(fā)、硫酸鹽激發(fā)、氯鹽激發(fā)和晶種激發(fā)等。 Ca2+是形成膠凝性水化物的必要條件 ,而由于粉煤灰與水泥相比 ,粉煤灰中含的 CaO 量非常低 , 所以在所有的激發(fā)方法中 ,首先必須提供充足的Ca2+ 。下面簡要介紹幾種激發(fā)機理。 硫酸鹽對粉煤灰活性的激發(fā)主要是 SO42在 Ca2+的作用下 ,與溶解于液相的活性 Al2O3 反應生成水化硫鋁酸鈣 AFt,即鈣礬石，部分水化鋁酸鈣也可與石膏反應生成 Aft。同時 ,也有學者認為 , SO42生成的 CaSO4 和 AFt 均有一定的膨脹作用 ,可以填補 水化空間的空隙 ,使?jié){體的密實度提高 ,起到補償收縮的作用[12]。 常見的堿性激發(fā)劑有 NaOH,KOH,Na2SiO3 和 Ca(OH)2 等。粉煤灰的化學成分呈弱堿性，在堿環(huán)境中其活性最容易被激發(fā) ,粉煤灰活性激發(fā)的關(guān)鍵是使SiO 和 A1O 鍵斷裂。有研究表明 ,在 OH的作用下 ,粉煤灰顆粒表面的 SiO 和AlO 鍵斷裂 , SiOA1 網(wǎng)絡聚合體的聚合度降低 ,而且 OH濃度越大 ,對 SiO 和AlO 鍵的破壞作用越強 [13]。 常用氯鹽激發(fā)劑主要有 CaCl2 和 NaCl。氯鹽中的 Ca2+和 Cl擴散能力較強 ,能夠穿過粉 煤灰顆粒表面的水化層 ,與內(nèi)部的活性 Al2O3 反應生成水化氯鋁酸鈣使水化物包裹層內(nèi)外滲透壓增大 ,并可能導致包裹層破裂 ,從而促進了水化 [14]。 Ca2++ Al2O3+ Cl+ OH——— 3CaOAl2O3CaCl210H2O 粉煤灰中雖然含有大量的鋁硅酸鹽玻璃體 , 但是其中 SiO44聚合度高 ,結(jié)構(gòu)致密 ,化學性質(zhì)穩(wěn)定 ,其火山灰活性大部分是潛在的 ,活性發(fā)揮的速度非常緩慢。 鋁硅酸鹽玻璃體在堿性環(huán)境中 ,才能表現(xiàn)出活性。根據(jù)這樣的原則 ,一般選用熟石灰 Ca(OH)2(堿激發(fā) )和芒硝 (Na2SO410H2O)(硫酸鹽激發(fā) )對粉煤灰的活性進行復合激發(fā) [15]。 石灰的固化機理 在上述的固化機理中，均提到了堿環(huán)境。并且在堿環(huán)境中，水泥的固化以及粉煤灰的固化作用均能夠達到良好的效果，對淤泥的固化試驗有著良好的促進作用 [16]。在下一階段的試驗中，添加入石灰做激發(fā)劑。 2． 3 本章小結(jié) （ 1）本章簡述了淤泥固化試驗中所需要的試驗設(shè)備及試驗儀器； （ 2）本章分別對水泥、粉煤灰和石灰的固化機理做了簡述，并在不同的激發(fā)環(huán)境下進行敘述，這樣對試驗的理論部分有所了解，為下一步的試驗操作打下了理論基礎(chǔ)。 第 3 章 水泥、粉煤灰和石灰改性淤泥物理特性的研究 若要對改性淤泥的利用進行推廣，就要充分的了解淤泥改性前與改性后的物理力學性質(zhì)的對比，并從中找出固化劑配比的合理配方。本章節(jié)從淤泥的物理特性著重研究，并做分析。 試驗材料 試驗淤泥來源 試驗所用淤泥來自月亮灣太湖疏浚淤泥堆場；淤泥試樣裝入塑料袋后置于塑料桶中，分六桶分裝，并標號序號。在淤泥試樣中挑出雜物，靜置 2 天后析出水分，測含水率。 固化劑來源 本試驗所用主要固化劑：普通硅酸鹽水泥、粉 煤灰來源于望亭熱電廠，屬一級灰、建筑用石灰。 淤泥物理性質(zhì)試驗分析 淤泥含水率的測定 （ 1）試驗所需準備的器材： 1） 1012A 型電熱鼓風干燥箱（由于淤泥中含有有機質(zhì)，設(shè)定溫度不超過 80176。）； 2）稱量 200g、最小分度值 的天平； 3）恒質(zhì)量的鋁制稱量盒； 4）裝有干燥劑的玻璃干燥缸； （ 2）含水率測定方法 1)取干凈的稱量盒 2 個，在天平上稱出空盒質(zhì)量，精確至 ，并在記錄本上記錄稱量盒號碼； 2） 從淤泥試樣中選取試樣 15~30g 淤泥，放入稱量盒內(nèi)，立即蓋上盒蓋稱 盒加濕淤泥質(zhì)量，準確至 ； 3）打開盒蓋，將試樣和盒一起放入烘箱內(nèi)，在溫度 80C0下烘至恒量。試樣烘至恒量的時間，設(shè)定為 68h，恒溫后稱重量。 4） 將烘干后的試樣和盒從烘箱中取出，蓋上盒蓋，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫。將試樣和盒從干燥器呢取出，稱盒加干土質(zhì)量，準確至 。利用公式 計算既得淤泥含水率 ： %10002 21 ???? mm mm? （式 1） 式中：???含水率（ %），精確至 %； ??1m稱量盒加濕土質(zhì)量（ g） 。 ?2稱量盒加干土質(zhì)量（ g） 。 ?????0稱量盒質(zhì)量（ g） 。 注意：注意：烘干法試驗應對兩個試樣進行平行測定，并取兩個含水率測值的算術(shù)平均值。當含水率小于 40%時，允許的平行測定差值為 1%；當含水率等于、大于 40%時，允許的平行測定差值為 2%。 （ 3）含水率試驗結(jié)果 從試驗結(jié)果（表 ）可以看出，未經(jīng)固化的淤泥含水率很高，難以將淤泥進行處理。 表 試驗編號 含水率 ? （ %） 1 2 平均值 淤泥密度的測定 （ 1） 試驗所需準備的器材： 1） 橫質(zhì)量的環(huán)刀若干（高度 20mm，底面積 30 cm178。，壁厚 ）； 2） 稱量 500g，最小分度值為 的天平； 3） 切土刀，鋼絲鋸，凡士林； （ 2） 密度測定方法： 1） 按工程需要取原狀土或制備所需狀態(tài)的擾動土樣，整平其兩端，將環(huán)刀內(nèi)壁涂一薄層凡士林，刃口向下放在土樣上。 2） 用切土刀（或鋼絲鋸）將土樣削成略大于環(huán)刀直徑的土柱。然后將環(huán)刀垂直下壓，邊壓邊削，至土樣伸出環(huán)刀為止。將兩端其余土削平修去，取剩余的代表性土樣測定含水率 。 3）擦凈環(huán)刀外壁稱量。在天平放砝碼一端放一等量環(huán)刀，可直接稱出濕土質(zhì)量。精確至 。 4）按式（ ）、式（ ）計算密度和干密度。 21mmmVV? ??? （式 ） 1 ?? ?? ? （式 ） 式中：?????濕密度（ g/c3） ,精確至 3m； ?d干密度（ g/cm） ,精確至 ； 濕土質(zhì)量（ g）； V 為環(huán)刀體積，（ 60 3cm ）； 2m 為環(huán)刀加濕土質(zhì)量， g； 1m 為環(huán)刀質(zhì)量， g； 本實驗需進行 2 次平行試驗，其平行差值不大于 3gcm 。取其算術(shù)平均值。 5）密度試驗結(jié)果。 (見下表 密度試驗記錄表 ) 表 度試驗記錄表 試樣編號 濕密度 ? （ g/cm3） 干密度 d? （ g/cm3） 1 2 平均值 從上表可以看出，未經(jīng)固化的淤泥干密度與濕密度差別較大，淤泥顆粒間空隙較大，導致淤泥難于具有較好的力學性質(zhì)。 淤泥液塑限的測定 (1) 試驗所需準備的器材： 1） 液塑限聯(lián)合測定儀，包括帶標尺的圓錐儀、電磁鐵、顯示屏 、控制開關(guān)和試樣杯。圓錐質(zhì)量為 76g，錐角為 30C0；讀書顯示為光電式；試樣杯內(nèi)徑為 4050mm,高度為 3040mm。 2）稱量 200g、最小分度值 的水平。 3）烘箱、干燥器。 4）鋁制稱量盒、調(diào)土刀、孔徑為 的篩、凡士林等。 （ 2）液塑限測定方法： 1） 試驗采用風干土樣，并用 篩試樣 200g，分成 3 份，分別裝入 3個盛土皿中，加入不同數(shù)量的純水，使分別達到不同稠度的試樣，分別接近液限、塑限和二者的中間值。 2）將制備好的土膏用調(diào)土刀充分攪拌均勻，密實地填入試樣杯中，應使空氣逸出。高出試樣杯的剩余土用刮土刀刮平，隨即將試樣杯放在儀器底座上。 3）將試樣杯放在聯(lián)合測定儀的升降座上，調(diào)節(jié)零點，使圓錐尖接觸試樣表面，指示燈亮時圓錐在自重下沉入試樣內(nèi)，經(jīng)過 5s 后立即測讀圓錐下沉深度。然后取