建筑科学稻壳灰-电石渣固化疏浚淤泥的力学性能及微观机理

兰明玉 ,  谢宇翔 ,  陈岩 ,  李振亚

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8) :3427-3438

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8) :3427-3438 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502423
建筑科学

建筑科学稻壳灰-电石渣固化疏浚淤泥的力学性能及微观机理

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Mechanical Characteristics and Microscopic Mechanism of Rice Husk Ash-carbide Slag Solidified Sludge Soil

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摘要

中国每年会产生大量疏浚淤泥,固化处理是其资源化利用的重要途径之一,但往常采用的水泥这一传统固化材料存在能耗高、碳排放量大等不足。为此,基于“以废治废”的思路,提出稻壳灰(rice husk ash, RHA)-电石渣固化处理疏浚淤泥技术。通过开展无侧限抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)试验和扫描电镜(scanning electron micyoscopy, SEM)微观分析,研究该复合固化体系的力学性能及微观作用机理。结果表明:稻壳灰的加入显著提高了淤泥土的强度,其中15%稻壳灰与7%电石渣的配比效果最佳;复合固化体系不仅提升了强度,还显著改善了土体的韧性,使极限应变达到3.1%~4.5%,优于传统水泥固化土;水化反应生成的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶通过填充孔隙和胶结土颗粒,是强度提升的主要原因。基于试验数据,建立了考虑材料配比和养护龄期的固化土强度预测模型及微观演变机制模型。

Abstract

In China, a substantial amount of dredged silt is generated annually, with solidification treatment being recognized as a crucial pathway for its resource utilization. Traditional cement-based solidification materials, while widely employed historically, have been associated with high energy consumption and substantial carbon emissions. To address these limitations, a novel approach based on the “using waste to treat waste” concept was proposed, whereby a technique for solidifying dredged silt using rice husk ash (RHA) and carbide slag was introduced. The mechanical properties and microstructural mechanisms of this composite solidification system were investigated through unconfined compressive strength (UCS) tests and scanning electron microscopy (SEM) analysis. The results show that significant strength enhancement of the silt is observed upon RHA incorporation, with an optimal mix ratio determined to be 15% rice husk ash and 7% carbide slag. Beyond strength improvement, the composite system is found to markedly increase soil toughness, achieving an ultimate strain of 3.1%~4.5%—a range exceeding that of traditional cement-stabilized soil. Hydration-generated calcium silicate hydrate (C-S-H) gel is identified as the primary strength-enhancing component, functioning through pore-filling and soil particle-binding mechanisms. Based on experimental data, two models were established: a predictive model for solidified soil strength incorporating material ratios and curing ages, and a complementary model elucidating microstructural evolution.

Graphical abstract

关键词

稻壳灰(RHA) / 电石渣 / 疏浚淤泥 / 固化 / 无侧限抗压强度(UCS) / 微观机理

Key words

rice husk ash(RHA) / carbide slag / dredged silt / solidify / unconfined compressive strength (UCS) / microscopic mechanism

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兰明玉, 谢宇翔, 陈岩, 李振亚. 建筑科学稻壳灰-电石渣固化疏浚淤泥的力学性能及微观机理[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(8): 3427-3438 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502423
LAN Ming-yu, XIE Yu-xiang, CHEN Yan, LI Zhen-ya. Mechanical Characteristics and Microscopic Mechanism of Rice Husk Ash-carbide Slag Solidified Sludge Soil[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(8): 3427-3438 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502423

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近年来河湖疏浚等工程中产生了大量废弃淤泥[1],其强度低、含水量高,工程上无法直接使用。若将其自然堆放处置,既占据大量土地,又容易造成环境污染和安全隐患。因此,开展废弃淤泥的资源化利用成为当下亟待解决的问题。土壤固化技术为以上问题提供了一个有效的解决方法。目前,中外应用较多的固化剂是水泥[2-3],其具有技术成熟、处理方便、应用范围广等优点,但水泥的生产能耗高、碳排放量大,已不符合低碳环保的新发展理念。故而越来越多的学者开始研究采用钢渣、废石膏、矿渣、电石渣等固废基材料进行土体固化,主要思路包括:固废基材料与水泥协同及采用全固废材料两类。在固废基材料协同水泥方面,Oormila等[4]通过试验发现,在软土中掺入20%的粒化高炉矿渣能够将固化土强度提升73.79%。Zhang等[5]研究发现,矿渣对固化淤泥土强度提升的贡献在于其能促进水化凝胶的生成。仲雄华[6]开展了工业废渣协同水泥固化淤泥的压缩试验,结果表明,随着工业废渣掺量的增大,固化土压缩量逐渐减小。周震等[7]采用再生骨料和矿渣粉协同水泥固化淤泥,发现水泥和矿渣对淤泥土强度提升的贡献显著,而再生骨料的作用较小。在全固废处理思路方面,王锌鑫等[8]采用矿粉为主要原料,以硅酸钠为激发剂,开展疏浚淤泥固化处理,发现固化土无侧限抗压强度较水泥固化土显著提升。徐日庆等[9]以高炉矿渣、粉煤灰和电石渣为固化原料处理台州淤泥质土,并评价了固化土的路用性能。王旭影等[10]采用电石渣激发钢渣和矿渣,对淤泥质土进行处理,并给出了电石渣最佳掺量。何俊等[11-12]采用矿渣、电石渣、碱渣进行淤泥固化,讨论了固化土强度与含水率的关系,并发现固化淤泥土的耐久性随着矿渣掺量的增加而提升。余静等[13]采用高炉矿渣、钢渣、磷石膏3种工业固废为固化剂,复配聚羧酸减水剂开展淤泥固化,发现固化土强度与固化剂掺量有关,且该固化剂固化效果良好。这些新型固化材料既能节约水泥用量,又能使固化土的性能得到不同程度的提升,进而满足各种复杂的工程应用环境。
作为全球粮食生产大国,中国水稻产量占全球1/3。水稻脱壳产生的稻壳可用作生物质发电的原料,焚烧之后产生大量稻壳灰。如果不加以有效利用,不仅会造成资源浪费,而且会对环境保护造成不小的影响[14]。稻壳灰具有高比表面积、优异的火山灰活性等特点[15],加之其来源广泛、易于获取,逐渐引起了学者们的重视,在土体固化领域逐渐得到应用。但目前相关研究多聚焦于处理膨胀土[16-17]、黄土[18-19]、污染土[20-21]等,在疏浚淤泥处理方面的研究很少,且采用与水泥协同使用的方式[22],尚未有基于全固废思路的稻壳灰固化淤泥研究。
鉴于此,基于“以废治废”的原则,提出采用稻壳灰-电石渣固化疏浚淤泥的全固废处理思路,开展无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,研究稻壳灰-电石渣对固化淤泥土强度的提升效果以及微观机制,旨在为稻壳灰-电石渣在疏浚淤泥固化实践中的应用提供理论依据与技术参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用淤泥取自驻马店宿鸭湖,基本物理指标如表1所示。属于低液限黏土,其塑性图如图1所示。研究采用稻壳灰、电石渣作为淤泥固化材料。稻壳灰购自成都某公司,在600 ℃下烧制而成,其中SiO2含量高达90%。电石渣主要成分为CaO,占总质量67.87%。稻壳灰和电石渣的化学成分如表2所示。

1.2 试验方案

为探究稻壳灰-电石渣在淤泥固化中的可行性,系统分析固化土的力学性能与微观结构特征。试验方案设计如下:以最优含水率制备的淤泥土作为对照样本,设置5组电石渣单掺试验组,掺量梯度为3%、5%、7%、9%、11%(以干土质量为基准,下同);在此基础上,每组电石渣掺量下分别配置5种稻壳灰复配比例(0、5%、10%、15%、20%)。试验测试指标包括7、14、28 d龄期的无侧限抗压强度,并通过扫描电子显微镜观察微观结构形貌。

1.3 试验方法

1.3.1 试件制作及养护

根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)的要求进行试样制备。具体制备流程如下:首先将原始淤泥样品经烘干处理后进行破碎,过2 mm标准筛备用;随后,根据既定试验方案称取预处理后的干土、电石渣和稻壳灰等原料,充分混合后加入适量蒸馏水调节至最优含水率,并搅拌均匀,采用击实法按最大干密度制备试样,其中,最优含水率与最大干密度参数通过标准击实试验预先确定;试样成型采用50 mm×100 mm圆柱形试模,试样经击实成型后,静置24 h进行初步固化,随后脱模,试模内壁预先均匀涂抹薄层凡士林以利于脱模;试样脱模后用保鲜膜密封包裹,防止水分迁移,并置于恒温恒湿养护箱中,在温度(20±2) ℃、相对湿度>90%的标准条件下进行养护。

1.3.2 无侧限抗压强度试验

试验采用应变式无侧限压力仪,在2 mm/min的轴向应变速率下加载至试样破坏。各养护龄期下每组配合比3个试样,取其平均值,以此得出无侧限抗压强度值。

1.3.3 电镜扫描试验

试验采用德国ZEISS Sigma 360场发射扫描电子显微镜。无侧限抗压强度试验结束后,从试样中部截取新鲜断面,选取体积约0.5 cm2的规则碎块作为观测样本。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

2.1.1 电石渣土无侧限抗压强度

图2为电石渣土强度与电石渣掺量、养护龄期之间的关系图,可以看出,电石渣土强度随养护龄期的增长而呈现上升趋势。当电石渣掺量<7%时,养护龄期为14 d的电石渣土强度相较于同掺量下养护7 d的强度增长30%~35%,而养护龄期达到28 d时,其强度又比14 d时增长20%~24%,说明当电石渣掺量较小时,电石渣土强度前期增长速率相比于后期较大,水化反应较为迅速;当电石渣掺量为7%、9%,在14~28 d的养护过程中,电石渣土强度实现了82%~95%的增长,显示出水化反应在这一阶段更为充分,强度提升较大;当电石渣掺量11%时,土体强度在养护前期和后期的增长速率均呈现下降趋势,这一现象表明,虽然高掺量电石渣能够加速水化反应进程,但并未带来相应的强度增长优势。另外,固化土强度随电石渣掺量的变化呈现先升高后降低的趋势,对于所采用的特定淤泥土样,电石渣的最佳掺量为7%。

2.1.2 稻壳灰掺量的影响

稻壳灰-电石渣固化淤泥土的无侧限抗压强度随稻壳灰掺量和养护龄期的变化规律如图3所示。由图3可知,稻壳灰的加入显著改善了淤泥土的力学性能,在7 d养护龄期时,未处理淤泥土的强度仅为108 kPa,经7%电石渣单独固化后强度提升至225 kPa,而引入稻壳灰后,所有复合固化试样的强度均超过360 kPa,显示出显著的增强效果。其中,当稻壳灰掺量为15%时,试样达到强度峰值,其强度值分别约为原始击实淤泥土的4.7倍和单电石渣固化土的2.3倍。这一结果充分证实了稻壳灰在提升淤泥土强度方面的显著作用,同时也表明复合固化体系中各组分间可能存在协同效应。从图3中还可以看出,与对照组相比,7 d养护龄期时,复合固化试样的强度提升幅度达到153%~370%;相较于单一电石渣固化土,其强度增幅范围为63%~250%。在固定电石渣掺量条件下,稻壳灰掺量与固化土强度呈现非线性关系:当稻壳灰掺量低于15%时,强度随掺量增加而显著提升;超过15%后,强度反而随掺量增加而降低。值得注意的是,这一最佳掺量值(15%)具有养护龄期独立性,表明稻壳灰在固化体系中的作用机制相对稳定。研究结果表明,从抗压强度优化角度考虑,固化材料并非掺量越多越好。针对本研究采用的特定淤泥土样,稻壳灰和电石渣的最佳掺量分别为15%和7%,这一配比可确保固化土体获得最优的力学性能。

进一步地,以7%电石渣掺量为例,建立不同龄期固化土无侧限抗压强度与稻壳灰掺量的关系曲线,如图4所示。两者关系呈现良好的二次抛物线特征,可用以下数学模型描述,即

${q}_{u}=a{x}^{2}+bx+c$

式(1)中:qu为无侧限抗压强度;x为稻壳灰掺量;a、b、c为回归系数,如表3所示,可以看出,拟合效果较好。

2.1.3 养护龄期的影响

养护龄期对固化土强度发展规律的影响如图5所示。固化土无侧限抗压强度随养护时间延长呈现持续增长趋势。以电石渣掺量7%、稻壳灰掺量15%的优化配比为例,当养护龄期从7 d延长至28 d时,试样强度从508 kPa显著提升至849.6 kPa,增幅达67.2%,充分证实了养护过程对强度发展的重要贡献。进一步统计分析发现,14 d养护龄期试样的强度值为7 d试样的1.41倍,而28 d试样强度则为14 d试样的1.19倍。这一强度增长规律表明:在28 d养护期内,固化土强度始终保持上升趋势,且早期(7~14 d)强度增长速率快于后期(14~28 d)。

2.1.4 稻壳灰-电石渣土的极限应变

对不同配比试样在7 d和28 d养护龄期下的极限应变进行统计分析,结果如图6所示。由图6可知,稻壳灰-电石渣复合固化土在7 d养护龄期时的极限应变普遍大于28 d龄期试样;在相同养护龄期下,复合固化土的极限应变显著高于单一电石渣固化土。值得注意的是,极限应变与稻壳灰掺量、养护龄期及无侧限抗压强度之间并未表现出明显的相关性。统计数据显示,单一电石渣固化土的极限应变范围为1.1%~2.4%,而稻壳灰-电石渣复合固化土的极限应变显著提升至3.1%~4.5%。与汤怡新等[23]报道的水泥固化土典型极限应变范围(1%~2.5%)相比,复合固化土表现出更强的韧性,这对于改善土体的工程性能具有重要意义。

2.2 破坏形态分析

选取典型试样,在无侧限抗压强度试验时拍照记录试样表面的破坏形态,结果如图7所示。淤泥土试样首先经历短暂的压缩阶段,随后表面迅速产生微裂隙,试样外层逐渐剥落,最终发生整体性破坏。电石渣固化土及稻壳灰-电石渣复合固化土主要呈现脆性剪切破坏和脆性张裂破坏两种模式,这与李丽华等[22]关于稻壳灰-水泥土破坏模式的研究结果具有一致性。具体而言,当固化土强度较低时,试样表面形成与轴向呈一定夹角的明显主裂缝,表现出典型的脆性剪切破坏特征(图7中编号2、5、6试样);而在强度较高的情况下,试样表面产生多向裂缝,其中主裂缝沿轴向延伸,呈现脆性张裂破坏模式(图7中编号3试样)。

2.3 强度回归预测模型

表4为7%电石渣掺量下稻壳灰-电石渣固化淤泥土的无侧限抗压强度试验数据,据此构建稻壳灰掺量、养护龄期与无侧限抗压强度的三维关系图,如图8所示。根据实测数据分布特征,采用完全二次函数建立预测模型,其理论表达式为

$y={\beta }_{0}+{\beta }_{1}{x}_{1}+\dots +{\beta }_{m}{x}_{m}+{\sum }_{1\le j,k\le m}^{}{\beta }_{jk}{x}_{j}{x}_{k}$

式(2)中:x1、xm、xj、xk为自变量;y为因变量;β0、β1、βm、βjk为回归系数。

对本文模型,二元完全二次多项式可写为

$y={z}_{0}+ex+fy+g{x}^{2}+h{y}^{2}+ixy$

式(3)中:x为养护龄期, d;y为稻壳灰掺量, %;e、f、g、h、i、z0为回归系数。

回归分析拟合系数如表5所示。根据表5可知,稻壳灰-电石渣土回归模型为

$\begin{array}{l}y=-72.8+38.73T+46.69{a}_{0}-0.69{T}^{2}-\\ 1.66{a}_{0}^{2}+0.08T{a}_{0}\end{array}$

式(4)中:T为养护龄期, d;a0为稻壳灰掺量, %。

相关系数0.967,F值为52.13且P<0.05,表明模型整体具有显著性。在养护龄期T不超过28 d的条件下,可借助式(4),近似估算出任意稻壳灰掺量和养护龄期下稻壳灰-电石渣固化淤泥土的无侧限抗压强度。这一特性在实际工程应用中具有一定价值。无侧限抗压强度的具体模型展示如图9所示。

2.4 微观特征及机理

2.4.1 稻壳灰掺量对固化土微观结构的影响

养护28 d时稻壳灰掺量对固化土微观结构影响扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)分析结果如图10所示,其中掺20%稻壳灰和7%电石渣的固化土称为稻壳灰-电石渣固化土1,掺15%稻壳灰和7%电石渣的固化土称为稻壳灰-电石渣固化土2。

当放大2 000倍时,7%电石渣单掺固化土内部生成的针状矿物含量较少而难以辨别,呈现出颗粒排列松散、孔隙发达且孔径较大的特征;相比之下,稻壳灰-电石渣复合固化土则更为致密,虽然也存在一些较大孔隙,但较单一电石渣固化土有显著改善。

当放大5 000倍时,固化土的微观结构特征及其连接方式得以清晰呈现。电石渣单掺固化土中可观察到分散分布的细针状矿物,这些矿物在局部区域形成有限搭接。相比之下,稻壳灰-电石渣复合固化土展现出更为复杂的水化产物体系:除针状矿物外,还生成大量柱状、片状及絮凝状矿物。其中,针状和柱状矿物形态粗大,呈团簇状聚集,形成捆状结构紧密填充孔隙,并与其他晶体建立良好的空间连接网络;片状和絮凝状产物则主要分布于土壤颗粒表面和矿物间隙,显著提高了孔隙填充密实度。在稻壳灰-电石渣固化土2的微观结构中观察到大量凝胶物质填充孔隙,外露的针状和柱状矿物相对减少,局部区域出现针状矿物与片状矿物的团聚现象,这些矿物主要分布在孔隙和土壤颗粒表面。总的来说,稻壳灰的加入确实能够优化固化土的微观结构,但过量掺入(超过最佳掺量)会导致孔隙率增加,对固化效果产生不利影响。

2.4.2 稻壳灰-电石渣固化土微观结构随龄期的变化规律

为探究稻壳灰-电石渣固化土微观结构的时效演变规律,选取稻壳灰-电石渣固化土2(配比为15%稻壳灰+7%电石渣)作为研究对象,对其在不同养护龄期(7 d、14 d、28 d)下的微观结构进行系统观测,结果如图11所示(其中28 d龄期的微观结构特征已在图10中展示)。

在2 000倍放大倍数下,观察到固化土的孔隙结构随养护龄期呈现明显的优化趋势:7 d龄期时,试样中孔隙数量多且尺寸较大,主要由片状和絮凝状矿物填充,针状矿物较少;14 d龄期时,孔隙数量减少,开始出现针状矿物的相互连接;至28 d龄期,大孔隙显著减少,孔隙表面被大量絮凝状矿物覆盖,针状和柱状矿物被包裹其中,形成致密的整体结构。

当放大至5 000倍时,可以更清晰地观察到水化产物的形态演变:7 d龄期时,针状和柱状矿物数量较少且形态细短,同时还能观测到一些片状和絮凝状的水化产物;14 d龄期时,水化产物数量显著增加,针状和柱状矿物生长明显,局部出现捆状团聚现象,有效填充孔隙;28 d龄期时,絮凝状产物成为主要表面特征,裸露的柱状矿物形态粗大且多呈捆状团聚,与其他矿物形成良好的空间连接网络,片状和絮凝状产物则主要分布在土壤颗粒表面。

这些微观结构特征的变化充分说明了稻壳灰-电石渣固化体系中水化反应的持续进行及其对材料性能的改善作用,为理解固化土的强度发展机制提供了微观层面的证据。

2.4.3 稻壳灰-电石渣固化土的反应机理

稻壳灰不仅含有大量活性SiO2,还存在相当的纳米尺度孔隙[24],这些特性使其在淤泥固化过程中发挥多重作用,具体如下。

(1)填充效应。土体孔隙是土体重要组成部分,当其中大的有害孔以及毛细孔含量减少,土体密实,强度提高。稻壳灰中含有大量纳米级的SiO2颗粒,能够有效填充固化淤泥土内部孔隙,这种物理填充作用显著改善土体的密实度,降低孔隙率,从而提高固化土的整体性能。

(2)水化反应。电石渣主要成分与水泥相似[25-26],其水化反应产物主要为氢氧化钙、水化硅酸钙和水化铝酸钙[27]。添加稻壳灰后,其丰富的活性SiO2与电石渣水化产生的Ca(OH)2发生二次反应,生成大量水化硅酸钙,从而显著提升具有胶结作用的C-S-H凝胶含量,该反应是固化土强度发展的主要来源,其化学反应方程式为

SiO2+Ca(OH)2+nH2O→CaO·SiO2·(n+1)H2O

(3)储水供水。稻壳灰独特的纳米级多孔结构赋予了其优异的储水性能,在水化反应后期,孔隙中储存的水分逐渐释放,持续参与水化反应。这种独特的储水-供水机制有效保障了固化体系后期水化反应的进行,从而确保了固化土后期强度的稳定增长。

根据上述分析,提出了稻壳灰-电石渣固化淤泥土微观演变机制模型,如图12所示。

3 结论

(1)相较于未固化及单一电石渣固化淤泥土,稻壳灰-电石渣固化淤泥土的无侧限抗压强度得到显著提升,对于采用的特定淤泥土样,最佳材料配比为稻壳灰15%、电石渣7%。

(2)在最优稻壳灰-电石渣掺量下,固化土在养护14 d时的qu达到7 d时的1.41倍,在28 d时达到14 d时的1.19倍,这一强度增长规律表明,稻壳灰-电石渣-淤泥体系中的反应不仅启动迅速,而且能够持续较长时间。

(3)稻壳灰的加入能够提高淤泥固化土的韧性,单电石渣固化土极限应变在1.1%~2.4%,而稻壳灰-电石渣土的极限应变则显著提升,在3.1%~4.5%。

(4)稻壳灰-电石渣土的反应机理主要是填充效应、水化反应及储水供水三方面,水化反应产生的C-S-H凝胶是固化淤泥的主要强度来源。

(5)根据试验结果建立了稻壳灰-电石渣固化淤泥土的强度预测模型以及微观演变机制模型,能够为稻壳灰-电石渣在淤泥固化实践中的应用提供理论依据和技术参考。

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基金资助

国家自然科学基金(51808190)

中央引导地方科技发展资金项目(XZ202301YD0019C)

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