摘要:脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,EICP)是一種新型環(huán)保生物加固土體技術(shù),磷石膏是一種可用于土壤加固的工業(yè)固體廢棄物,而單加磷石膏土壤的加固效果有限,可以利用 EICP 技術(shù)對摻磷石膏土壤進(jìn)行處理。設(shè)置 7 種磷石膏摻量(磷石膏占土壤的質(zhì)量百分比為 0、2%、4%、8%、16%、32% 和 64%)和 5 種尿素濃度(0mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L 和 2.0mol/L),通過分析試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線、破壞形態(tài)等來明確 EICP 反應(yīng)對摻磷石膏土壤的加固性能的影響,并利用掃描電鏡揭示其微觀強(qiáng)化機(jī)制。研究結(jié)果表明:單加磷石膏時各試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 48.8~86.58kPa,而經(jīng) EICP 反應(yīng)后,尿素濃度為 0.5、1.0、1.5 和 2.0mol/L 時試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為 77.94~94.86kPa、86.39~123.86kPa、114.58~134.34kPa 和 91.11~117.11kPa,抗壓強(qiáng)度提升了 21.83%~110.00%。此外,試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長量與碳酸鈣生成量呈顯著的指數(shù)關(guān)系(P<0.05),表明碳酸鈣膠結(jié)作用是試樣抗壓強(qiáng)度增大的主要因素。微觀分析表明,EICP 反應(yīng)過程中可利用磷石膏中的 Ca²⁺,在試樣中生成顆粒狀及球狀 CaCO₃,包裹填充膠結(jié)土壤顆粒,從而提高土體強(qiáng)度。以期該研究結(jié)果為磷石膏資源化綜合利用提供理論依據(jù),并對磷化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及保護(hù)土地資源具有現(xiàn)實意義。
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引言
磷石膏是濕法制取磷酸過程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物,具有產(chǎn)量大、組分復(fù)雜等特征。我國作為磷石膏產(chǎn)出大國,堆存量高達(dá) 8×10⁸t,新增磷石膏產(chǎn)量高達(dá) 7800×10⁴t/a,但綜合利用率低于 50%。當(dāng)前大部分磷石膏堆場處理不當(dāng),主要采用露天堆置方式,這不僅浪費大量土地資源,還會形成大量酸性滲濾液,直排水體易造成河流的 pH 值下降、總磷超標(biāo)、水體富營養(yǎng)化等問題,嚴(yán)重破壞區(qū)域大氣、水土和土壤生態(tài)系統(tǒng)。因此,國家和地方政府相繼出臺政策,促進(jìn)磷石膏綜合利用。目前,磷石膏主要用于生產(chǎn)水泥緩凝劑、石膏板、土壤調(diào)理劑、筑路充填材料和硫酸等,而建筑領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品附加值低,加工、運輸成本高,限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。此外,現(xiàn)有研究表明磷石膏還可用于土壤加固,改善土壤的工程性能。然而,摻磷石膏對土壤加固效果受多種因素影響,且單獨磷石膏加固土體效果有限。因此,進(jìn)一步提高土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性需結(jié)合其他加固措施進(jìn)行。
近年來,脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(EICP)作為一項綠色環(huán)保的巖土領(lǐng)域加固技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究,該技術(shù)利用脲酶催化尿素水解為 NH₄⁺和 CO₃²⁻,借助 Ca²⁺誘導(dǎo)生成碳酸鈣。當(dāng)碳酸鈣晶體填充于巖土基質(zhì)孔隙中可改變孔隙結(jié)構(gòu)特征,增大土體強(qiáng)度,目前被廣泛應(yīng)用于文物修復(fù)、巖土體加固、邊坡防護(hù)、巖體防滲和金屬污染土治理等領(lǐng)域。磷石膏的主要成分為二水硫酸鈣(CaSO₄・2H₂O),微溶于水且可釋放一定的 Ca²⁺,另外其溶解度低于 CaCl₂的溶解度,不會快速生成大量的 Ca²⁺,一方面可以延長土體硬化時間增加可攪拌性,另一方面能夠弱化對脲酶活性不利的高鹽環(huán)境,便于一次性投入更多的磷石膏,提高單次攪拌固土的強(qiáng)度。因此,可將其作為鈣源利用,發(fā)生 EICP 反應(yīng),具備進(jìn)一步提高土體強(qiáng)度的能力。然而,目前關(guān)于基于 EICP 原理強(qiáng)化摻磷石膏土壤加固性能的影響效果與機(jī)理尚不清楚。
為充分發(fā)揮磷石膏資源的利用價值,探究基于 EICP 原理強(qiáng)化摻磷石膏土壤的加固效果及可行性,設(shè)置不同的磷石膏摻量、尿素濃度,通過開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、碳酸鈣含量測定,明確磷石膏摻量、尿素濃度、碳酸鈣生成量與土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系,并結(jié)合掃描電鏡分析試樣中生成物質(zhì)的微觀形態(tài)及分布情況,揭示其微觀強(qiáng)化機(jī)制,為磷石膏作為土壤固化劑資源化綜合利用提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
湖北省宜昌市是中國磷石膏存量和產(chǎn)量最大的地區(qū)之一,其大量堆存嚴(yán)重影響長江附近流域的生態(tài)環(huán)境安全。此外,黃壤、黃棕壤和石灰?guī)r土的面積較大,共占宜昌市土壤面積的 61.34%。因此,選擇宜昌市的磷石膏和黃棕壤為試驗材料。試驗所用的磷石膏取自宜昌市興發(fā)集團(tuán)堆放場,其主要成分為 CaSO₄・2H₂O,含量高達(dá),含有豐富的鈣基資源,外觀為灰白色或灰黑色的粉狀固體顆粒,pH 值為 3.42,呈酸性,取回后經(jīng) 40℃烘干至恒重,過 100 目篩后密封備用。試驗用土黃棕壤取自宜昌市秭歸縣,經(jīng)風(fēng)干處理后過 2mm 篩去除雜質(zhì)備用。經(jīng)測定,所用土含有 21.12% 砂粒(2~0.05mm)、53.87% 粉粒(0.05~0.002mm)、25.01% 黏粒(<0.002mm),最大干密度為 1.66g/cm³,風(fēng)干含水率為 4.80%,有機(jī)質(zhì)含量為 5.79g/kg,pH 值為 7.91,液限、塑限和塑性指數(shù)分別為 35.20%、22.23% 和 12.97(>10)。根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50145—2007),所用土壤屬于黏性土。試驗所用尿素(CO (NH₂)₂)分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,外觀為白色細(xì)小顆粒狀結(jié)晶,無味,易溶于水。以上指標(biāo)測試方法均參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)。
試驗所用大豆脲酶提取參考董瑾等的方法。將大豆烘干磨碎后過 60 目篩,制成質(zhì)量濃度為 60g/L 的豆粉溶液,然后攪拌 30min 后放入 4℃冰箱冷藏靜置 24h;之后裝入離心管,使用離心機(jī)以 4500r/min 離心 15min,過濾去除豆渣得到上清液,即為大豆脲酶粗提取液,將脲酶溶液置于低溫儲存室,在 4℃下進(jìn)行保存。在 25℃室溫環(huán)境下使用電導(dǎo)率法(電導(dǎo)率儀為 DDS-11A 型,湖北銀廷儀器有限公司)測的脲酶活性為 6~7mmol/min。
1.2 試驗設(shè)計與樣品形成過程
設(shè)置不同的磷石膏摻量和不同的尿素濃度以探究基于 EICP 原理強(qiáng)化摻磷石膏土壤的加固效果及可行性。磷石膏摻量分別設(shè)置為 0、2%、4%、8%、16%、32% 和 64%(磷石膏占土壤的質(zhì)量百分比),以探究磷石膏摻量的影響。根據(jù)前人研究,膠結(jié)液濃度為 1.5mol/L 時,脲酶作用未受到明顯抑制,為了進(jìn)一步探究膠結(jié)液濃度對碳酸鈣生成量等的影響,可將膠結(jié)液濃度設(shè)置到 2.0mol/L。此外,脲酶溶液與尿素溶液體積比為 1∶1 時效果最佳,因此,將脲酶溶液和尿素溶液按照體積比為 1∶1,將尿素溶液設(shè)置為 0mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L 和 2.0mol/L。將磷石膏摻量和尿素濃度正交處理,為便于理解,將尿素和磷石膏分別用 U 和 P 表示,比如:尿素濃度為 1.5mol/L、磷石膏摻量為 4%,記為 U1.5P4,以此類推,U0P0 為 CK 對照組。目前,室內(nèi)試驗中土樣的處理方法主要有浸泡法、預(yù)先拌合法、單相注漿法和分步注漿法。其中,浸泡法和注漿法工藝較繁瑣、處理不均勻,且反應(yīng)液用量大,而預(yù)先拌和法更便捷、處理更均勻,因此選擇預(yù)先拌合法。
試驗過程采用重塑土統(tǒng)一設(shè)置土樣的容重和含水率分別為 1.35g/cm³ 和,以消除制樣過程中土壤容重和含水率的影響,確保不同試驗參數(shù)時試樣的可比性。在制樣環(huán)節(jié),先按照設(shè)計比例均勻拌合磷石膏和土壤,再噴灑尿素溶液并均勻攪拌,最后噴灑脲酶溶液(將脲酶溶液溫度降低到 4℃,延長 EICP 反應(yīng)時間)并均勻攪拌。將處理好的混合土按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)及時裝填于制樣器中,在制作過程中分 3 層擊實,并在每層的接觸面做拋毛處理。試樣直徑和高度分別為 39.1mm 和 80mm,然后用保鮮膜包裹嚴(yán)實,以減少水分流失,并在溫度為 25±2℃的恒溫培養(yǎng)箱中養(yǎng)護(hù) 7d 后開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。每次試驗前進(jìn)行脲酶活性測定,保證試驗的準(zhǔn)確性。
1.3 試驗過程與方法
試樣經(jīng)養(yǎng)護(hù)后取出,參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019),利用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(DGL-1KNW 型,廈門森倍科技有限公司)開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。以 1mm/min 的加載速率對試樣施加軸向壓力,直至試樣破壞,記錄無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。每組測試取 3 個試樣,結(jié)果取其平均值。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)束后,碳酸鈣含量測量方法參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019),選擇氣量法測定碳酸鈣含量。
此外,根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和碳酸鈣含量試驗的結(jié)果,使用環(huán)境掃描電子顯微鏡(PrismaE 型,美國賽默飛世爾科技公司)對原狀土、純磷石膏以及 U0P4、U0P64、U1.5P4、U1.5P64 共 6 組試樣進(jìn)行掃描得到 SEM 圖像,以用于微觀分析,從而揭示其微觀強(qiáng)化機(jī)制。
2 試驗結(jié)果
2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度
CK 組的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 63.97kPa,試樣強(qiáng)度隨磷石膏摻量和尿素濃度的增加呈現(xiàn)波動上升的變化規(guī)律且差異性顯著(P<0.05)。單加磷石膏時各試樣強(qiáng)度為 48.8~86.58kPa,較 CK 組強(qiáng)度最大增加 35.34%。經(jīng) EICP 處理后,同一尿素濃度下,在磷石膏摻量小于 4% 時,試樣強(qiáng)度快速增加,隨后摻量為 8% 或 16% 時略有減小,之后又緩慢增加,在摻量為 64% 時達(dá)到最大值。磷石膏摻量為 2%、4%、8%、16%、32% 和 64% 下對應(yīng)的強(qiáng)度相較無磷石膏摻入時的強(qiáng)度分別增加 24.39%~88.16%、36.70%~99.87%、30.89%~94.43%、35.63%~96.11%、45.35%~98.82% 和 51.40%~120.61%,表明經(jīng) EICP 作用后試樣強(qiáng)度顯著增大(P<0.05)。同一磷石膏摻量下隨著尿素濃度增加試樣強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢,在尿素濃度為 1.5mol/L 時達(dá)到最大值。尿素濃度為 0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L 和 2.0mol/L 下對應(yīng)的強(qiáng)度相較無尿素溶液加入時的強(qiáng)度分別增加 9.57%~75.52%、43.06%~138.30%、55.17%~149.41%、35.27%~97.54%。試樣 U1.5P64 組強(qiáng)度最大,較 CK 組增幅為 110.00%,遠(yuǎn)大于單加磷石膏時的強(qiáng)度,表明經(jīng) EICP 作用后比單加磷石膏試樣的加固效果有大幅度提升。
2.2 應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線
試樣應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線大致呈現(xiàn) “應(yīng)變硬化型” 和 “應(yīng)變軟化型” 兩種類型。為便于分析,選取尿素濃度為 0mol/L 和磷石膏摻量為 64% 兩組試樣以研究單加磷石膏和經(jīng) EICP 處理后對試樣應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線的影響。單加磷石膏時(摻量為 64% 除外),試樣應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的 “應(yīng)變硬化型”,試樣應(yīng)力隨應(yīng)變增大先迅速增大、后趨于穩(wěn)定。而磷石膏摻量為 64% 時,不同尿素濃度下,試樣應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線均呈現(xiàn) “應(yīng)變軟化型”,試樣應(yīng)力隨應(yīng)變先增加至峰值、后快速減小。隨著尿素濃度增加,試樣峰值強(qiáng)度對應(yīng)的軸向應(yīng)變先增大后減小,在 1.5mol/L 時達(dá)到最大,表明摻磷石膏土壤經(jīng) EICP 作用后可使土體強(qiáng)度提升。值得注意的是,試樣強(qiáng)度越大其脆性特征越顯著。
2.3 破壞形式
試樣破壞形式為試樣在發(fā)生破壞時所呈現(xiàn)出的實際狀態(tài),選取 CK、U0P4、U0P64、U1.5P4 和 U1.5P64 共 5 組試樣進(jìn)行分析。CK 組試樣破壞時出現(xiàn)多條斜裂縫,但未貫通整體,呈現(xiàn)為塑性破壞。單加磷石膏時,低摻量下破壞形式表現(xiàn)為鼓脹破壞,隨磷石膏摻量增加縱向裂縫減少并逐步發(fā)展,呈現(xiàn)為脆性破壞。而對比于單加磷石膏試樣,基于 EICP 原理加固的摻磷石膏土壤的破壞范圍減小,且破壞面趨于規(guī)則,斜裂縫逐步貫通成剪切破壞面,呈現(xiàn)為明顯的脆性破壞。
2.4 碳酸鈣含量
CK 組的碳酸鈣含量為 0.89%,試樣的碳酸鈣含量隨磷石膏摻量和尿素濃度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律且均顯著大于 CK 組(P<0.05)。單加磷石膏時各試樣的碳酸鈣含量為 0.82%~1.78%,較 CK 組最大增幅為 99.10%。經(jīng) EICP 作用后,同一尿素濃度下,隨著磷石膏摻量增加,試樣碳酸鈣含量呈現(xiàn)先增加、后減小的變化趨勢,在摻量為 4% 時達(dá)到最大值。在 2%、4%、8%、16%、32% 和 64% 的磷石膏摻量下對應(yīng)的碳酸鈣含量相較無磷石膏摻入時分別增加 118.38%~164.60%、177.45%~225.19%、135.42%~175.88%、136.33%~152.77%、110.90%~136.69% 和 84.61%~110.22%,這表明經(jīng) EICP 作用后試樣的碳酸鈣含量顯著增大(P<0.05)。同一磷石膏摻量下隨著尿素濃度增加試樣碳酸鈣含量也呈現(xiàn)先增加、后減小的變化趨勢,在尿素濃度為 1.5mol/L 時達(dá)到最大值。相較于無尿素溶液加入,0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L 和 2.0mol/L 尿素濃度下對應(yīng)的碳酸鈣含量分別增加 14.37%~130.14%、48.26%~135.02%、58.34%~174.20% 和 45.79%~165.28%。試樣 U1.5P4 組碳酸鈣含量最多,較 CK 組增幅為 287.44%,表明相較于單加磷石膏經(jīng) EICP 作用后試樣碳酸鈣含量有所提升。
2.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加量和碳酸鈣生成量的關(guān)系
以 EICP 處理摻磷石膏土壤與單加磷石膏生成的碳酸鈣含量的差值(即 EICP 作用實際生成的碳酸鈣含量)作為橫坐標(biāo),以二者無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差值作為縱坐標(biāo),進(jìn)行函數(shù)擬合。試樣抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣含量呈顯著的指數(shù)關(guān)系(P<0.05),決定系數(shù)(R²)為,表明碳酸鈣含量可解釋 84.19% 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加量的變化。碳酸鈣生成量越高,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長量越大,從趨勢上發(fā)現(xiàn)碳酸鈣含量對強(qiáng)度的增長作用存在一個下限,當(dāng)碳酸鈣生成量低于約 0.8% 時,強(qiáng)度增長緩慢。
2.6 微觀結(jié)構(gòu)
原狀土存在明顯的大孔隙,顆粒之間連接不緊密,土體結(jié)構(gòu)整體性差。磷石膏顆粒為菱柱狀、薄片狀的晶體。單加磷石膏時在低摻量下土顆粒周圍和孔隙內(nèi)生成少量顆粒狀 CaCO₃晶體,但土顆粒間仍存在部分大孔隙,隨著摻量增加,土體發(fā)生板結(jié)硬化。此外,基于 EICP 原理加固的摻磷石膏土壤中生成更多顆粒狀及球狀 CaCO₃,且晶體參差不齊相互交錯。土顆粒在這些膠凝物質(zhì)的包裹、黏結(jié)和填充下,增強(qiáng)了土體內(nèi)部的穩(wěn)定性,使得土體具備更為良好的力學(xué)性質(zhì)。
3 討論
試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以從宏觀上看出各試樣的加固效果,經(jīng) EICP 作用后試樣較單加磷石膏時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增加。單加磷石膏時,低摻量下會生成少量分散的顆粒狀 CaCO₃,這是因為磷石膏中溶解的 Ca²⁺與土壤中的 CO₃²⁻反應(yīng)生成 CaCO₃沉淀,但試樣強(qiáng)度仍減小,這可能是由于少量分散的 CaCO₃覆蓋在土顆粒表面僅增大了土顆粒的表面積,并未與其他土顆粒建立有效膠結(jié);其次,少量磷石膏會促進(jìn)細(xì)小土顆粒凝聚成團(tuán),增大土壤孔隙度,減小土顆粒間的接觸面積,從而造成試樣強(qiáng)度減小。隨著磷石膏摻量持續(xù)增加會生成磷石膏酸液進(jìn)而與土壤溶液中的無機(jī)鹽電離的陽離子結(jié)合生成 Ca₃PO₄、CaHPO₄等沉淀物并在土壤孔隙中析出,最終發(fā)生板結(jié)硬化,從而造成試樣強(qiáng)度增大。
經(jīng) EICP 處理后,試樣強(qiáng)度明顯增加,這是由于隨著尿素濃度和磷石膏摻量的增加,生成的顆粒狀 CaCO₃開始聚集并逐漸轉(zhuǎn)化為球狀方解石,同時 CaCO₃在土顆粒間的作用逐漸由填充轉(zhuǎn)變?yōu)槟z結(jié),提高了顆粒間的咬合力,CaCO₃沉積在土顆粒間形成膠結(jié)點是強(qiáng)度提高的關(guān)鍵(有效膠結(jié)),因此土體強(qiáng)度增大。隨著磷石膏摻量增加,試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為先增加、后減少、再增加,這是由于磷石膏為反應(yīng)提供 Ca²⁺,會生成較多 CaCO₃膠結(jié)土顆粒,因此試樣強(qiáng)度明顯增加。過高的磷石膏(超過 4%)摻入時,由于磷石膏中砷、鉛、汞和鎘等重金屬含量的增多會抑制脲酶活性,造成反應(yīng)減弱,CaCO₃生成量減少,從而試樣強(qiáng)度略有減小,隨著摻量進(jìn)一步增加磷石膏發(fā)生板結(jié)硬化,所生成的 CaCO₃也會膠結(jié)土顆粒,從而土體強(qiáng)度再次緩慢增加。隨著尿素濃度增加,試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加、后減少,這是由于脲酶催化水解尿素速率升高生成了大量的 CO₃²⁻,同時尿素水解造成堿性升高促進(jìn)磷石膏溶解生成 Ca²⁺,更多的 Ca²⁺與 CO₃²⁻結(jié)合生成較多的 CaCO₃,在較高的值下迅速達(dá)到飽和并在土顆粒周圍析出沉淀;尿素濃度適當(dāng)?shù)脑黾訒p微抑制溶液的離子濃度,降低初始電導(dǎo)率,促進(jìn) EICP 反應(yīng),提高碳酸鈣的生成量,從而提高試樣強(qiáng)度。然而,尿素濃度過高時(2mol/L)會抑制脲酶的活性,減緩脲酶水解尿素的速率,對 EICP 反應(yīng)造成負(fù)面影響,導(dǎo)致試樣強(qiáng)度減小。從破壞形式來看,經(jīng) EICP 作用后,加固效果逐漸增強(qiáng),破壞機(jī)制由顆粒間的滑動錯位變?yōu)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)破壞,破壞形式從局部鼓脹破壞逐漸變?yōu)檎w的脆性破壞。需要指出的是,脆性破壞會在一定程度上制約 EICP 處理摻磷石膏土壤的實際應(yīng)用。有研究表明,纖維加筋技術(shù)既可以提高土體強(qiáng)度,也可以提高土體韌性,進(jìn)而改善土體的脆性破壞特征,后續(xù)可進(jìn)一步開展相關(guān)研究,解決試樣脆性破壞問題。
總體上,基于 EICP 原理加固的摻磷石膏土壤較單加磷石膏的土體力學(xué)性能有所提升,這為磷石膏作為土壤改良劑資源化利用提供理論依據(jù),也對磷化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及保護(hù)土地資源具有現(xiàn)實意義。與使用常規(guī)鈣源進(jìn)行的 EICP 試驗相比,使用磷石膏的沉淀效率較低,這是由于磷石膏溶解釋放的 Ca²⁺濃度有限,為了增大磷石膏中 Ca²⁺的析出量,有研究表明可以通過增大水體的 pH 值或者通過不斷攪拌磷石膏浸出液等方法,去增加 Ca²⁺與溶液中其他離子的接觸和反應(yīng)機(jī)會進(jìn)而促進(jìn) CaCO₃沉淀,目前這些改進(jìn)方法對磷石膏結(jié)合 EICP 技術(shù)在加固土體中的應(yīng)用及改善效果仍需進(jìn)一步研究,從而為更好地促進(jìn) “大宗固廢” 材料結(jié)合 EICP 技術(shù)應(yīng)用于實際工程提供科學(xué)依據(jù)。
4 結(jié)論
基于 EICP 原理對摻磷石膏土壤進(jìn)行強(qiáng)化,通過開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、碳酸鈣含量檢測試驗及微觀試驗,分析了試樣的力學(xué)性能、破壞形態(tài)和碳酸鈣含量,并結(jié)合微觀分析揭示其強(qiáng)化機(jī)制,得出主要結(jié)論如下:
(1)加固后試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體上隨尿素濃度和磷石膏摻量增加呈現(xiàn)波動上升的趨勢,應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線由應(yīng)變硬化逐漸變?yōu)閼?yīng)變軟化。膠結(jié)水平越高,試樣的脆性越顯著,而破壞形式由局部張裂或鼓脹逐漸變?yōu)榧羟衅茐?
(2)相較于單加磷石膏,基于 EICP 原理加固的摻磷石膏土壤的固化效果更強(qiáng),其原因是二者結(jié)合生成的顆粒狀及球狀 CaCO₃增多并填充于土體孔隙中形成有效膠結(jié),形成高強(qiáng)度的骨架,進(jìn)而提升土體強(qiáng)度;
(3)基于 EICP 原理對摻磷石膏土壤進(jìn)行加固,不僅達(dá)到了 “變廢為寶” 的目的,還實現(xiàn)了土體的高性能固化,在以后的研究中可對如何提高磷石膏中 Ca²⁺的溶解性進(jìn)行研究,為固體廢棄物的高效利用提供途徑,并為磷石膏與 EICP 技術(shù)聯(lián)合加固土體發(fā)揮更好的作用提供理論依據(jù)。
肖 海;徐萌苒;夏振堯;朱志恩;向 瑞;高 峰;張 倫,三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室;三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院;三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,202405