有機(jī)膨潤土對水泥固化淤泥填筑路基性能影響

王朝輝，孫曉龍，王新岐，王曉華

（1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051）

為了保證河道正常的泄洪能力和航道、港口的暢通，包括我國在內(nèi)的世界各國都在開展大規(guī)模的疏浚和清淤工程，將會產(chǎn)生大量的淤泥[1-3].疏浚工程中產(chǎn)生的淤泥通常采用堆放或拋棄，不僅占用大量的土地，造成大量土地資源的浪費(fèi)，且將其拋到外海，會嚴(yán)重影響海洋資源的有效利用，對海洋環(huán)境將會造成不可彌補(bǔ)的破壞.因此，淤泥的固化與資源化處理具有重要的意義.

利用水泥來固化淤泥的研究開展較多，但單純的添加水泥不僅造價(jià)過高，而且加固效果也不理想.近年的研究熱點(diǎn)集中在使用新型固化材料，尤其是將一些工業(yè)廢料例如粉煤灰、石灰、石膏等作為輔助固化材料作為淤泥改性劑的研究方面[4-6]，但多數(shù)淤泥固化劑的固化效果依賴于淤泥顆粒度、含水量和有機(jī)質(zhì)含量[7]，當(dāng)遇到含水量高和有機(jī)質(zhì)含量高的淤泥時(shí)，往往導(dǎo)致淤泥固化后的強(qiáng)度偏低[8-11].

本文提出將有機(jī)膨潤土（DK）作為外摻劑加入到傳統(tǒng)水泥固化劑制備的固化淤泥中，希望借助有機(jī)膨潤土的高吸附性減少土體中的吸附水，提高淤泥的最佳含水量，增大淤泥強(qiáng)度，減小其收縮性.為研究有機(jī)膨潤土對水泥固化淤泥性能的影響，本文選擇了多種不同種類的淤泥作為研究對象，通過測試摻入有機(jī)膨潤土的水泥固化淤泥的抗壓回彈模量試驗(yàn)和正常條件、浸水條件及凍融循環(huán)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，綜合研究了有機(jī)膨潤土摻量對水泥固化淤泥的力學(xué)性能、耐水性能和抗凍融性能的影響.

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 原材料

淤泥為天津?yàn)I海地區(qū)具有代表性的臨港、輕紡區(qū)及中新生態(tài)城三地淤泥試樣，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）的要求及步驟對淤泥進(jìn)行了有關(guān)試驗(yàn)測定了淤泥試樣的基本物理指標(biāo)[9].同時(shí)通過質(zhì)量法測試了淤泥中易溶鹽總量.其基本物理性質(zhì)指標(biāo)和含鹽量分別見表1及表2.

有機(jī)膨潤土（DK）是一種以蒙脫石為主要成分，蒙脫石晶體層間陽離子與晶體格架之間形成電偶極子，晶層間的氧層和氧層的聯(lián)系力很小，同時(shí)又具有較大的比表面，這使得其具有很高的吸附性[9].有機(jī)膨潤土在全國均有銷售，均價(jià)約在8 000元/t，其主要性能指標(biāo)如表3所示.水泥，32.5普通硅酸鹽水泥，市售.

表1 3種淤泥基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical index of three kinds of silts

表2 3種淤泥的含鹽量 mmol/kgTab.2 The salt content of the three kinds of silts

表3 DK粉的物理性質(zhì)Tab.3 Physical index of DK

1.2 試件制備與表征手段

新型固化劑CDK固化淤泥CBR試驗(yàn)按照公路土工試驗(yàn)規(guī)程（JTJ051-93s）T0134-93進(jìn)行CBR試驗(yàn)，以評價(jià)固化淤泥用作路基填筑時(shí)固化劑的固化效果；固化淤泥抗壓回彈模量試驗(yàn)按照公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E51-2009）T 0807-1994置于無側(cè)限壓力儀上測定其抗壓回彈模量；固化淤泥耐水性能試驗(yàn)按照公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E51-2009）T 0805-1994對試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究；固化淤泥抗凍融性能試驗(yàn)按照公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程（JTGE51-2009）T0858-2009測試試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并與正常養(yǎng)生的試件強(qiáng)度進(jìn)行對比，以BDR指標(biāo)（凍融循環(huán)后與常規(guī)養(yǎng)生試件強(qiáng)度比）評價(jià)固化淤泥的抗凍融性能.

2 結(jié)果與討論

水泥在淤泥固化過程中主要作為主固化劑提高強(qiáng)度的作用，參考國內(nèi)關(guān)于水泥穩(wěn)定土的相關(guān)文獻(xiàn)，水泥摻量為6%時(shí)，水泥穩(wěn)定軟土填筑道路各項(xiàng)路用性能良好.故將水泥摻量定為6%，研究有機(jī)膨潤土對水泥固化淤泥路用性能的影響.

2.1 固化淤泥CBR試驗(yàn)結(jié)果與分析

固化淤泥CBR試驗(yàn)結(jié)果如圖1.

在進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)之前，對虛擬水戰(zhàn)略帶來的環(huán)境影響因子識別是關(guān)鍵的一步。在眾多的影響中，通過篩選主要影響因子，才能正確評價(jià)虛擬水戰(zhàn)略的環(huán)境影響。根據(jù)新疆種植業(yè)“十三五”規(guī)劃中關(guān)于農(nóng)作物單產(chǎn)、種植面積、節(jié)水灌溉面積等的發(fā)展總目標(biāo)和總原則，戰(zhàn)略行為主要從增加進(jìn)口、提高單產(chǎn)、提高灌溉技術(shù)、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)四個(gè)方面進(jìn)行，其帶來的環(huán)境影響主要分為生態(tài)環(huán)境影響、水資源消費(fèi)影響及社會環(huán)境影響。具體如表1。

由固化淤泥CBR值變化規(guī)律圖分析可知：在摻量較低時(shí)，有機(jī)膨潤土摻量的增加對CBR值影響明顯，在摻量超過3%后，CBR的增長趨于平緩，并且要達(dá)到相同的CBR值所需的DK較少，同時(shí)滿足固化淤泥CBR值大于公路填料的最小CBR值（8%）的要求.

2.2 固化淤泥抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果與分析

固化淤泥抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

由固化淤泥抗壓回彈模量變化規(guī)律圖分析可知：有機(jī)膨潤土（DK粉）摻量較低的情況下，隨有機(jī)膨潤土的增加抗壓回彈模量增加明顯，之后逐漸平緩.3個(gè)地區(qū)的固化淤泥抗壓回彈模量變化曲線變化趨勢基本一致，以輕紡區(qū)淤泥為例，有機(jī)膨潤土摻量由1%增加到3%時(shí)，抗壓回彈模量增加50.2%，而有機(jī)膨潤土摻量由3%增加到4%時(shí)，抗壓回彈模量只增加了4.2%，增幅降低明顯，表明有機(jī)膨潤土摻量超過3%后，其對固化淤泥抗壓回彈模量的影響減小.CDK固化劑固化淤泥抗壓回彈模量曲線總體呈上升趨勢，表明隨有機(jī)膨潤土的增加抗壓回彈模量逐漸增加，即固化淤泥力學(xué)性能逐漸增強(qiáng).

3種淤泥中有機(jī)質(zhì)含量不同，其對應(yīng)的淤泥抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果也不同.輕紡區(qū)淤泥中有機(jī)質(zhì)含量最低，抗壓回彈模量最大；相反臨港淤泥的有機(jī)質(zhì)含量最高，抗壓回彈模量最小.表明有機(jī)質(zhì)含量增加會降低淤泥的力學(xué)性能.

2.3 固化淤泥耐水性試驗(yàn)結(jié)果與分析

固化淤泥耐水性試驗(yàn)結(jié)果見表4及圖3.

表4 固化淤泥正常條件及浸水條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Tab.4 The unconfined compressive strength of solidified silt under the conditions of normal and flooding cycles

圖1 固化淤泥CBR值變化規(guī)律圖Fig.1 The variation diagram of CBR value of curing mud

圖2 固化淤泥抗壓回彈模量變化規(guī)律圖Fig.2 The variation diagram of compression modulus of curing mud

圖3 固化淤泥強(qiáng)度損失率變化規(guī)律圖Fig.3 The variation diagram of strength loss rate of curing mud

由固化淤泥強(qiáng)度損失率變化規(guī)律圖分析可知：從有機(jī)膨潤土（DK粉）初始摻量1%開始，隨有機(jī)膨潤土摻量的增加，強(qiáng)度損失率明顯降低，之后逐漸平緩.以輕紡區(qū)淤泥為例，有機(jī)膨潤土摻量從1%增加到4%，強(qiáng)度損失率減小了16%，降低幅度明顯，表明強(qiáng)度損失百分比明顯減小，浸水后試件強(qiáng)度增加.

3種淤泥中有機(jī)質(zhì)含量不同，其對淤泥耐水性試驗(yàn)后的強(qiáng)度損失率也有不同影響.輕紡區(qū)淤泥中有機(jī)質(zhì)含量最低，強(qiáng)度損失最??；相反臨港淤泥的有機(jī)質(zhì)含量最高，質(zhì)量損失最大.這表明有機(jī)質(zhì)含量的增加會降低淤泥的抗沖刷性能.

2.4 固化淤泥抗凍融性試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4 固化淤泥BDR值變化規(guī)律圖Fig.4 The variation diagram of BDR value of curing mud

由固化淤泥試BDR值變化規(guī)律圖分析可知：在有機(jī)膨潤土（DK粉）摻量較低的情況下，隨有機(jī)膨潤土的增加固化淤泥BDR值增加明顯，之后逐漸平緩.以輕紡區(qū)淤泥為例，有機(jī)膨潤土摻量有1%增加到3%時(shí)，BDR值增加12.2%，而有機(jī)膨潤土摻量有3%增加到4%時(shí)，抗壓回彈模量只增加了3.0%，增幅略微降低，表明有機(jī)膨潤土摻量超過3%后，其對固化淤泥抗壓回彈模量的影響減小.BDR值總體呈上升趨勢，表明隨有機(jī)膨潤土（DK粉）摻量增加，BDR值增加，即經(jīng)凍融后試件強(qiáng)度增加.

表5 固化淤泥正常條件及凍融循環(huán)條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Tab.5 The unconfined compressive strength of solidified silt under the conditions of normal and freeze-thaw cycles

在3種淤泥之中，輕紡區(qū)淤泥的有機(jī)質(zhì)含量最低，抗凍融BDR值最大，并隨有機(jī)膨潤土摻量的增加而有較大的增幅；臨港淤泥的有機(jī)質(zhì)含量最高，抗凍融BDR值最小，隨著DK摻量的增加其BDR增幅卻趨于平緩.這說明淤泥中有機(jī)質(zhì)對淤泥的抗凍融性能存在不利影響.

2.5 不同種類淤泥固化劑對固化淤泥路用性能對比研究

由試驗(yàn)結(jié)果分析知，當(dāng)有機(jī)膨潤土產(chǎn)量達(dá)到3%時(shí)，固化效果最優(yōu)，故將有機(jī)膨潤土摻量定為3%.

2.5.1 力學(xué)性能對比研究

不同固化劑所固化的淤泥性能有所差異，現(xiàn)將抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果匯總，比較不同固化劑固化淤泥的抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果，并與其他固化劑固化淤泥的力學(xué)性能進(jìn)行比較.對比結(jié)果如表6所示.

表6 不同固化劑固化淤泥的抗壓回彈模量Tab.6 The compression modulus of curing silt cured by different curing agent

由上述結(jié)果可知，新型CDK固化劑固化淤泥抗壓回彈模量較大，比只摻10%生石灰的固化淤泥高出近30%，且均高于其他4種固化劑固化淤泥，表明新型CDK固化劑固化淤泥具有較好的力學(xué)性能.

2.5.2 耐水性能對比研究

根據(jù)固化淤泥耐水性試驗(yàn)結(jié)果，對比研究不同種類固化劑固化淤泥耐水性能，并與其它固化劑研究結(jié)果進(jìn)行對比，針對選用的固化劑固化淤泥耐水性能進(jìn)行評價(jià).對比結(jié)果如表7所示.

表7 不同固化劑固化淤泥的浸水強(qiáng)度損失Tab.7 The flooding intensity loss of curing silt cured by different curing agent

由上述試驗(yàn)結(jié)果對比分析可知，選用CDK固化劑固化淤泥的浸水強(qiáng)度損失為30.5%，相比于EN-1固化劑、TG-1固化劑及生石灰等固化淤泥32.4%～50.4%的強(qiáng)度損失率要小，這表明新型CDK固化劑固化淤泥的耐水性能優(yōu)于多數(shù)固化劑固化的淤泥，具有較好的耐水性能.

2.5.3 抗凍融性能對比研究

根據(jù)固化淤泥抗凍融試驗(yàn)結(jié)果，對比研究不同種類固化劑的固化淤泥抗凍融性能，并與其它固化劑研究結(jié)果進(jìn)行對比，針對選用的固化劑固化淤泥抗凍融性能進(jìn)行評價(jià).對比結(jié)果如表8所示.

表8 不同固化劑固化淤泥的BDR值Tab.8 The BDR value of curing silt cured by different curing agent

由上述對比結(jié)果可知，CDK固化劑固化淤泥的BDR值為66.4%，而作為對比的5種固化劑的固化淤泥BDR值大部分不足60%，只有HSC固化劑和EN-1固化劑的固化淤泥BDR值超過了60%，表明新型CDK固化劑穩(wěn)定淤泥的抗凍性能在固化劑中處于前列，值得推廣應(yīng)用.

3 結(jié)論

本文將有機(jī)膨潤土作為外摻劑加入到傳統(tǒng)水泥淤泥中，采用CBR試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)和正常條件、浸水條件及凍融循環(huán)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析了有機(jī)膨潤土摻量對水泥固化淤泥的力學(xué)性能、耐水性能和抗凍融性能的影響規(guī)律.主要得到以下結(jié)論：

1）在有機(jī)膨潤土摻量介于0%～3%時(shí)，有機(jī)膨潤土對水泥固化CBR值影響明顯，當(dāng)摻量超過3%后CBR的增長趨于平緩.

2）固化淤泥隨有機(jī)膨潤土摻量的增加，抗壓回彈模量逐漸增加，固化淤泥力學(xué)性能明顯增強(qiáng).

3）固化淤泥的強(qiáng)度損失率隨有機(jī)膨潤土摻量的增加明顯降低，表明隨有機(jī)膨潤土摻量的增加，固化淤泥的耐水性能明顯增強(qiáng).

4）固化淤泥的BDR值總體呈上升趨勢，表明隨有機(jī)膨潤土（DK粉）摻量增加，BDR值增加，經(jīng)凍融后試件強(qiáng)度增加，即固化淤泥的抗凍融性能增強(qiáng).

5）3種淤泥中有機(jī)質(zhì)含量不同，其對應(yīng)的固化淤泥的力學(xué)性能、耐水性能和抗凍融性能也不同.輕紡區(qū)淤泥中有機(jī)質(zhì)含量最低，力學(xué)性能、耐水性能和抗凍融性能最優(yōu)；相反臨港淤泥的有機(jī)質(zhì)含量最高，力學(xué)性能、耐水性能和抗凍融性能最差.表明有機(jī)質(zhì)含量增加會對固化淤泥的力學(xué)性能、耐水性能和抗凍融性能產(chǎn)生不利影響.

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