高含水率疏浚淤泥生石灰材料化土悶料期內(nèi)強(qiáng)度變化規(guī)律

桂 躍,高玉峰,宋文智,蔡 超

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

湖泊、港口及航道的疏浚清淤過程中會(huì)產(chǎn)生大量的疏浚淤泥[1-2].疏浚淤泥含水率、黏粒含量均較高,排水性差,強(qiáng)度極低,很多淤泥還富含有機(jī)質(zhì),是工程上難以直接利用的一種特殊土.對(duì)于內(nèi)陸產(chǎn)生的疏浚淤泥通常要設(shè)置堆場放置.由于疏浚淤泥體積巨大,滲透系數(shù)小,在自身重力作用下排水固結(jié)需要較長的時(shí)間,如果不加以妥善處理,就會(huì)長時(shí)間占用大量的土地,且存在環(huán)境污染隱患,因此近年來對(duì)疏浚淤泥的處理研究成為熱點(diǎn).采用添加一定比例生石灰的方法,將高含水率的疏浚淤泥處理成松散、可擊實(shí)、有一定強(qiáng)度的工程填土材料,則該填土材料稱之為生石灰淤泥材料化土.生石灰淤泥材料化土壓實(shí)之后,與傳統(tǒng)的石灰土一樣,隨著齡期增長,其抗壓強(qiáng)度增大、變形減小.生石灰淤泥材料化土可以作為淤泥堆場的圍堰、工程便道用土及堤防擋墻背后的填土材料等,也可作為海洋吹填等工程的堆載用土,可以加快吹填土的固結(jié),并在吹填土表面形成硬殼層[3].生石灰淤泥材料化處理不僅可以解決疏浚淤泥廢棄對(duì)環(huán)境的危害問題,還可以生成新的工程填土資源,對(duì)于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

悶料期是從摻灰拌和到碾壓等待的時(shí)間,是水泥土、石灰土等改良土研究中的重要問題.王寶田等[4]采用室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)研究了悶料期6,8,10d對(duì)石灰改良膨脹土壓實(shí)效果的影響,發(fā)現(xiàn)隨著第一次摻灰到土體擊實(shí)之間時(shí)間間隔的延長,石灰改良膨脹土最大干密度逐漸降低,而最優(yōu)含水率則基本不變,因此為了使石灰改良膨脹土壓實(shí)時(shí)達(dá)到更好的壓實(shí)效果,應(yīng)盡可能縮短從摻灰至碾壓期間的時(shí)間間隔.沙愛民等[5]研究了摻有硫酸鈉石灰穩(wěn)定土的強(qiáng)度與體積變化,發(fā)現(xiàn)悶料時(shí)間的延長可以顯著降低乃至完全消除石灰穩(wěn)定土的體積膨脹量.

生石灰摻入高含水率淤泥中拌和后,會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),其中生石灰的消化反應(yīng)數(shù)小時(shí)內(nèi)完成[6],而火山灰反應(yīng)會(huì)持續(xù)數(shù)年以上[7-8].隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,生石灰淤泥材料化土的土性逐步改善.現(xiàn)場施工中常常會(huì)遇到生石灰淤泥材料化土經(jīng)不同悶料期后的施工情況.悶料期的不同實(shí)際上是土中化學(xué)反應(yīng)的時(shí)長不同,導(dǎo)致土的改良效果不同,因此研究悶料期對(duì)生石灰淤泥材料化土的土性影響具有實(shí)際意義.本文從應(yīng)用性出發(fā),系統(tǒng)地研究了高含水率疏浚淤泥在添加不同比例生石灰后,悶料期內(nèi)在單軸作用下生石灰淤泥材料化土的強(qiáng)度及變形特性,明確了不同配比生石灰淤泥材料化土土性與悶料期的關(guān)系,有助于在工程實(shí)際中選擇合適的壓實(shí)施工時(shí)機(jī).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

疏浚淤泥取至江蘇淮安市白馬湖疏浚淤泥吹填堆場,為高液限黏土,其基本物理性質(zhì)指標(biāo)為含水率72.2%,密度為1.38t/m3,相對(duì)密度2.65,液限(落錐深度 17mm)6.7%,塑限29.3/%,各粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為砂粒4.5%,粉粒65.3%,黏粒30.2%,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(重鉻酸鉀容量法)為4.2%.試驗(yàn)用的生石灰是南京市麒麟鎮(zhèn)麒麟石灰廠生產(chǎn)的磨細(xì)生石灰粉,其中有效CaO+MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87.0%,篩余量7%,屬于一等鈣質(zhì)石灰.

加水?dāng)嚢枧渲貌煌跏己视倌?本文疏浚淤泥初始含水率 ω0分別為72.8%,80.2%,92.6%,摻灰比((石灰質(zhì)量/濕土質(zhì)量)×100%)分別為3%,6%,9%,12%,15%,18%,21%,24%,相應(yīng)悶料期為1d,3d,7d,14d,28d.

1.2 試驗(yàn)方法

土樣制備過程如下:稱取一定質(zhì)量的淤泥,按設(shè)計(jì)好的摻灰比加入生石灰,倒入攪拌機(jī)攪拌10min,攪拌均勻后裝入聚乙烯塑料袋中.為模擬現(xiàn)場情況,未將塑料袋封口,裝樣的塑料袋置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度(20±2)℃、濕度＞90%)中悶料,悶料1,3,7,14,28d時(shí)分別測試生石灰淤泥材料化土的物理力學(xué)性質(zhì).

當(dāng)生石灰淤泥材料化土悶料至相應(yīng)的時(shí)長,采用輕型擊實(shí)儀擊實(shí).以生石灰淤泥材料化土的擊實(shí)干密度為控制指標(biāo)稱取一定質(zhì)量的土樣,取內(nèi)徑5cm、高度13cm的試模筒及2個(gè)直徑5cm、高1.5cm的墊片.1個(gè)墊片放入試模筒底部,將土樣分層倒入試模筒中;另一塊墊片放置頂端.采用靜壓法將土壓實(shí),脫模后即成為Φ 5×10cm的圓柱體試樣.試樣制好后不養(yǎng)生,立即進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),采用南京寧曦土壤儀器廠生產(chǎn)的YSH-2型石灰土無側(cè)限壓力儀,對(duì)不同試樣組別分別測定3個(gè)平行試樣,結(jié)果取其平均值.

2 悶料期內(nèi)生石灰淤泥材料化土強(qiáng)度變化規(guī)律

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是評(píng)價(jià)改良土改良效果常用方法,試驗(yàn)操作簡單方便.本文的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在完成壓實(shí)制樣脫模后數(shù)分鐘內(nèi)進(jìn)行.無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是擊實(shí)生石灰淤泥材料化土黏聚力和內(nèi)摩擦角的綜合反應(yīng),體現(xiàn)了生石灰淤泥材料化土土性改良效果.

不同摻灰比的生石灰淤泥材料化土分別進(jìn)行了悶料期為1,3,7,14,28d的強(qiáng)度測試,結(jié)果如圖1,2所示.

圖1 摻灰比與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Relationship between unconfined compression strength and lime content

圖2 悶料期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.2 Relationship between unconfined compression strength and delay time

由圖1,2分析可知,擊實(shí)生石灰淤泥材料化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻灰比有關(guān).同一初始含水率生石灰淤泥材料化土,摻灰比越大,其擊實(shí)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大,說明生石灰淤泥材料化土改良效果越顯著;生石灰淤泥材料化土悶料期越長,其擊實(shí)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大.

悶料期過長無疑會(huì)增加周轉(zhuǎn)時(shí)間,增大工程成本,所以實(shí)際工程中生石灰淤泥材料化土悶料期通常不會(huì)過長.現(xiàn)分析悶料期7d內(nèi)生石灰淤泥材料化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律.不同摻灰比的生石灰淤泥材料化土,延長悶料期其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長率不同.當(dāng)摻灰比小于一定比例時(shí),悶料期延長,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎不增加;當(dāng)摻灰比大于該比例時(shí),悶料期越長,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大,則稱該摻灰比為臨界摻灰比a0.如 ω0=92.6%時(shí),臨界摻灰比a0可視為15%;ω0=80.2%時(shí),臨界摻灰比a0可視為12%;ω0=72.8%時(shí),臨界摻灰比a0可視為9%.臨界摻灰比a0與淤泥初始含水率有較好的線性相關(guān)性,如圖3所示.悶料期為7d時(shí),臨界摻灰比a0的擊實(shí)生石灰淤泥材料化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為45kPa.

由以上分析可知,延長悶料期對(duì)摻灰比較大的生石灰淤泥材料化土的土性改善有顯著的效果.悶料期越長,土性改良效果越好.當(dāng)場地條件不允許悶料期過長時(shí),為了獲得較好土性的生石灰淤泥材料化土,可以增大摻灰比;如果場地條件及工期允許,悶料期越長,則材料化土土性改良效果越顯著,從而減小摻灰比,節(jié)省工程造價(jià),如 ω0=72.8%,摻灰比ac=12%的生石灰淤泥材料化土,悶料期7d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為148kPa,而摻灰比ac=21%的生石灰淤泥材料化土,悶料期1d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為140kPa.

圖3 臨界摻灰比與淤泥初始含水率關(guān)系Fig.3 Relationship between initial water content and critical lime content

3 悶料期內(nèi)生石灰淤泥材料化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

3.1 摻灰比對(duì)生石灰淤泥材料化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響分析

取悶料期7d時(shí)的生石灰淤泥材料化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,比較同一悶料期下不同摻灰比生石灰淤泥材料化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,如圖4所示.

圖4 擊實(shí)材料化土的應(yīng)力-應(yīng)變與摻灰比的關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain curves of dredged sludge soil treated with different lime contents

對(duì)圖4中的σ～ε曲線的特征進(jìn)行分析可知,不同初始含水率、不同摻灰比的生石灰淤泥材料化土表現(xiàn)出2種壓縮變形:理想彈塑性變形和脆性破壞變形.不同脆性破壞變形形式和摻灰比有關(guān),摻灰比越小,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越小,破壞變形越大;摻灰比越大,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大,破壞變形越小.2種應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系形式的擊實(shí)生石灰淤泥材料化土大致以摻灰比a0為分界.

3.2 悶料期對(duì)生石灰淤泥材料化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響分析

取不同初始含水率臨界摻灰比為a0的生石灰淤泥材料化土,研究其無側(cè)限抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系隨悶料期的變化,如圖5所示.

圖5 不同悶料期時(shí)生石灰淤泥材料化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain curves of dredged sludge soil treated with lime under different delay time

由圖5分析可知,隨著悶料期增長,生石灰淤泥材料化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也由強(qiáng)度低、變形大的塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度高、變形小的脆性狀態(tài),說明悶料期延長使生石灰淤泥材料化土的土性有所改善.摻灰比小于臨界摻灰比的生石灰淤泥材料化土,其土性改善緩慢,要取得較理想的土性改良效果需要較長的悶料期,因此對(duì)于實(shí)際工程來說意義不大;對(duì)于大于臨界摻灰比的生石灰淤泥材料化土,悶料期內(nèi)土性改良效果顯著.

4 淤泥材料化土抗壓強(qiáng)度悶料期內(nèi)增長機(jī)理

高含水率疏浚淤泥和生石灰攪拌完之后,發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),首先是生石灰的水化反應(yīng),反應(yīng)本身及反應(yīng)放熱消耗部分自由水,反應(yīng)生成的Ca2+和淤泥黏土礦物上結(jié)合的Na+,K+離子進(jìn)行交換吸附,使顆粒間吸附膜變薄,引起土顆粒的絮凝,這個(gè)反應(yīng)在很短時(shí)間內(nèi)基本完成[9-11],一定程度上會(huì)使淤泥土顆粒團(tuán)聚化成為土團(tuán)聚體.這些土團(tuán)聚體的形狀是不規(guī)則的.擊實(shí)石生灰淤泥材料化土的抗壓強(qiáng)度主要來源于土團(tuán)間的膠結(jié)、摩擦和咬合,其抗壓強(qiáng)度及剪切破壞模式與土團(tuán)聚體的土性有關(guān).

當(dāng)摻灰比較小時(shí),生石灰淤泥材料化土的含水率較高,土團(tuán)聚體粒徑較大.土團(tuán)聚體屬于軟塑狀態(tài),壓實(shí)情況下發(fā)生變形,容易失去土團(tuán)聚體的輪廓,除少量氣體殘余外土團(tuán)聚體間的大孔隙基本排除,土骨架強(qiáng)度比較小,而且沒有形成整體的結(jié)構(gòu)性,宏觀上表現(xiàn)出強(qiáng)度低、變形大的塑性特點(diǎn),應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是理想彈塑性的.當(dāng)摻灰比較大時(shí),生石灰淤泥材料化土的含水率相對(duì)較低,土團(tuán)聚體脆硬性特征明顯,粒徑相對(duì)較小,外力壓實(shí)會(huì)對(duì)土團(tuán)聚體間的大孔隙和土團(tuán)聚體中的微孔隙產(chǎn)生壓縮作用,擊實(shí)生石灰淤泥材料化土團(tuán)聚體間成為土骨架,宏觀上表現(xiàn)出強(qiáng)度高、變形小的脆性特性,土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是脆性破壞變形.生石灰淤泥材料化土的擊實(shí)及剪切破壞示意模型如圖6所示.

圖6 生石灰淤泥材料化土擊實(shí)及剪切破壞示意圖Fig.6 Compaction and shear failure of dredged sludge soil treated with lime

由試驗(yàn)結(jié)果可知,摻灰比的增大及悶料期的延長,均會(huì)影響擊實(shí)生石灰淤泥材料化土的強(qiáng)度.當(dāng)摻灰比較大時(shí),生石灰的消化反應(yīng)除去淤泥中大量水分,使土團(tuán)聚體很快獲得一定的脆硬性,因此擊實(shí)生石灰淤泥材料化土不需要很長的悶料期即可獲得較高的強(qiáng)度.隨著悶料期延長,生石灰淤泥材料化土中消石灰發(fā)生碳化、結(jié)晶反應(yīng),和土中活性物質(zhì)發(fā)生火山灰反應(yīng)[12-13],將土團(tuán)聚體中的自由水轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)水、結(jié)合水.這些反應(yīng)的速度、程度與溫度、濕度有關(guān)[14-15],生石灰淤泥材料化土團(tuán)聚體土性的塑性減弱、脆性增強(qiáng),導(dǎo)致土團(tuán)聚體間摩擦和咬合作用的增強(qiáng),宏觀上無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大.單位體積土內(nèi)石灰含量越大,生石灰淤泥材料化土的性質(zhì)改良越顯著.當(dāng)生石灰淤泥材料化土摻灰比較小時(shí),由于土團(tuán)聚體中含水率高,雖經(jīng)過一定的悶料期,生成的水化物質(zhì)及膠凝物不足以使土顆粒結(jié)合至較牢固,宏觀上土性得不到有效的改善,所以在悶料期內(nèi)強(qiáng)度變化不大,因此單純延長悶料期產(chǎn)生的效果不明顯,現(xiàn)場還需要采取攤鋪晾曬等輔助手段使水分減少.

5 結(jié) 論

a.對(duì)應(yīng)不同初始含水率的疏浚淤泥摻灰比存在臨界點(diǎn),是生石灰淤泥材料化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由塑性向脆性轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn).小于該摻灰比的生石灰淤泥材料化土在單軸壓縮下是理想彈塑性變形;大于該摻灰比的擊實(shí)生石灰淤泥材料化土是脆性破壞變形.

b.隨著悶料期的延長,對(duì)于小于臨界摻灰比的生石灰淤泥材料化土,雖然擊實(shí)土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有由塑性向脆性轉(zhuǎn)化的趨勢(shì),但單純采用增加悶料期的方法效果不明顯;對(duì)于大于臨界摻灰比的生石灰淤泥材料化土,其擊實(shí)土的強(qiáng)度有顯著提高.實(shí)際工程中如果場地條件及工期允許,可以通過延長悶料期,從而減小摻灰比以節(jié)省工程造價(jià).

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