固化淤泥的干燥收縮試驗

胡孝彭，趙仲輝

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京 210098)

疏浚產(chǎn)生的大量淤泥含水率高、強度低且含有污染物，常規(guī)的淤泥處理方法無法滿足可持續(xù)發(fā)展要求［1-2］。固化處理技術(shù)［3-4］可將廢棄的疏浚淤泥轉(zhuǎn)化為再生資源加以利用，有效緩解了環(huán)境與經(jīng)濟之間的突出矛盾，因此備受國內(nèi)外專家學(xué)者的青睞。

疏浚淤泥固化處理后仍含有大量水分，在工程使用中，隨著氣候的變化，基質(zhì)吸力和固化土體的結(jié)構(gòu)也隨之變化，常常會發(fā)生干燥收縮現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)裂縫，影響工程的安全穩(wěn)定和正常使用［5-6］，因此固化淤泥的收縮特性已引起廣泛關(guān)注。范公?。?］、張春雷等［8］通過收縮試驗，認為水分蒸發(fā)是引起固化淤泥收縮的主要原因，增加水泥添加量、延長養(yǎng)護齡期及降低淤泥的初始含水率有利于控制固化淤泥的收縮。固化處理后的淤泥常被用做筑路材料、填土材料和土壤基質(zhì)材料，在氣候變化條件下多處于非飽和狀態(tài)，此時要采用基質(zhì)吸力和凈平均應(yīng)力2個應(yīng)力狀態(tài)變量來描述固化淤泥的力學(xué)性狀［9］。關(guān)于基質(zhì)吸力引起非飽和土體體積變化的研究較多［10-12］，然而固化淤泥屬于改性土范疇，基質(zhì)吸力對固化淤泥的屈服變形作用與天然土之間必然存在差別。鑒于此，筆者對不同初始含水率和水泥添加量的淤泥進行固化處理，通過收縮曲線和土水特征曲線，研究固化淤泥干燥過程中基質(zhì)吸力和孔隙比的關(guān)系，以期對固化淤泥的工程實踐提供指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗淤泥取自南京市西南長江下游的江心洲，淤泥的液限為51.5%，塑限為24%，相對密度為2.60，根據(jù)GBJ 145—1990《土的分類標準》［13］和淤泥的塑限、塑性指數(shù)，該淤泥屬于高液限黏土(CH)，淤泥顆粒級配曲線如圖1所示。采用的固化材料為南京市江南水泥有限公司生產(chǎn)的鐘山牌32.5號復(fù)合硅酸鹽水泥。

圖1 淤泥顆粒級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of DM

土水特征曲線的量測一般歷時較長，而固化淤泥的固化效果又與養(yǎng)護齡期密切相關(guān)，需要考慮齡期對試驗的影響。根據(jù)張春雷［14］的研究，可認為養(yǎng)護56 d后固化淤泥的性質(zhì)基本穩(wěn)定，試驗歷時造成的誤差可以不考慮?？紤]降低工程造價，通常對含水率約為1.5倍液限的疏浚淤泥進行固化處理。首先調(diào)配出初始含水率w0分別為51.5%、77%、103%的淤泥，再按照體積質(zhì)量 α=50 kg/m3、100 kg/m3、200 kg/m3分別添加水泥，強制攪拌均勻后分3層裝入水泥砂漿正方體試模(7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm)內(nèi)，每層裝入后應(yīng)加以振動，保證排出空氣后再裝入下一層，裝滿后用塑料袋密封并置于溫度約為20℃、濕度大于90%的混凝土標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。24 h后退模，將試塊用保鮮膜密封放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護56 d后切取環(huán)刀樣(每個養(yǎng)護完成的試塊可以切取2個直徑6.18 cm、高度2.0 cm的試樣)，放入飽和器中抽氣飽和以備用。

圖2 濾紙法示意圖Fig.2 Sketch of filter paper method

1.2 試驗方法

采用時間相對較短、操作簡單的濾紙法量測固化淤泥的土水特征曲線，試驗使用的器具主要有Whatman No.42濾紙、高精度電子天平、密封容器、烘箱、游標卡尺、保鮮膜等。具體步驟為:(a)將3張干燥的濾紙裁剪至與試樣相同的直徑，夾入2塊被測固化土樣之間，如圖2所示，中間的濾紙用于量測基質(zhì)吸

力，外面2張濾紙主要用于保護中間濾紙不受污染;(b)用保鮮膜將試樣密封，放入密封容器中，靜置7 d達到水氣平衡狀態(tài)后，小心快速地測量中間濾紙的濕質(zhì)量和試樣的質(zhì)量，并用游標卡尺量測試樣尺寸大小;(c)將中間濾紙放入鋁盒中，然后在烘箱里烘干，測其干質(zhì)量，根據(jù)濾紙的率定曲線得到對應(yīng)的吸力;(d)風干試樣至某一設(shè)計質(zhì)量，重復(fù)上述步驟;(e)烘干固化土樣，測定其干質(zhì)量，計算出不同吸力階段試樣的含水率，整理獲得不同孔隙比條件下的土水特征曲線。Whatman No.42型濾紙的率定曲線已得到廣泛認同，基質(zhì)吸力ψ(kPa)與濾紙含水率ωf(%)間關(guān)系式為［15］

收縮曲線是指含水率與孔隙比之間的關(guān)系曲線，由試樣抽氣飽和后的質(zhì)量、試樣烘干后的質(zhì)量、水氣平衡狀態(tài)后的試樣質(zhì)量以及游標卡尺量測的試樣尺寸可以得到固化淤泥的收縮曲線。

2 試驗結(jié)果分析

在半對數(shù)坐標系上，采用Fredlund等［16］的土水特征曲線模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合:

其中

式中:θw——含水率;θS——飽和含水率;C(ψ)——修正函數(shù)，保證基質(zhì)吸力為106kPa時土樣含水率為零;a、n、m——擬合參數(shù);ψr——含水率為殘余含水率時所對應(yīng)的基質(zhì)吸力。

按最小二乘法進行擬合得到的固化淤泥的土水特征曲線如圖3所示。由圖3可以看出，固化淤泥的持水能力明顯大于原泥，對于同一初始含水率的淤泥，固化處理后其持水性能隨著水泥添加量的增加而增強;在相同的水泥添加量下，固化淤泥的持水能力隨淤泥初始含水率的增大而減弱。

圖3 固化淤泥的土水特征曲線Fig.3 Soil-water characteristic curves of SDM

圖4為固化淤泥的干燥收縮曲線。由圖4可以看出，隨著含水率的減少，原泥和固化淤泥試樣的體積都在不斷減小，收縮作用使得試樣的孔隙比不斷變小。當含水率減至縮限，原泥和固化淤泥試樣都收縮到某一體積并保持穩(wěn)定，所不同的是原泥的體積收縮比固化淤泥大，其縮限亦小于固化淤泥的縮限;對于同一初始含水率的淤泥，固化處理后其縮限隨著水泥添加量的增加而減小;在相同的水泥添加量下，淤泥的初始含水率越大，固化處理后其收縮也越嚴重。

圖4 固化淤泥的干燥收縮曲線Fig.4 Shrinkage curves of SDM

結(jié)合試樣的土水特征曲線和收縮曲線，可以得到固化淤泥干縮過程中基質(zhì)吸力與孔隙比的關(guān)系，如圖5所示。由圖5可知，在凈平均應(yīng)力為零的條件下，隨著基質(zhì)吸力的增加，原泥與部分固化淤泥試樣發(fā)生收縮，孔隙比不斷減少。對于原泥，孔隙的結(jié)構(gòu)性很弱，開始階段基質(zhì)吸力與孔隙比的變化呈線性發(fā)展，孔隙比的減小源于孔隙水的蒸發(fā)。隨著干燥過程中孔隙水的蒸發(fā)，在表面張力的作用下土顆粒之間會形成彎液面，從而產(chǎn)生負的毛細水壓力，它與表面張力一起作用使土顆粒彼此靠近，淤泥顆粒之間相互聯(lián)接起來。隨著基質(zhì)吸力的增大，使土體開始具有一定的結(jié)構(gòu)剛度，抗屈服變形能力增強，最后達到縮限，基質(zhì)吸力的增大已無法改變土體的結(jié)構(gòu)，孔隙比保持不變。對于固化淤泥的收縮，不僅受到上述毛細水的作用，同時由于向淤泥中添加水泥后生成的水化產(chǎn)物充填于孔隙之間，大量低勢能的自由水轉(zhuǎn)化為水化產(chǎn)物中的結(jié)合水與礦物水，固化淤泥具有了一定的骨架結(jié)構(gòu)，抵抗變形的能力大于原泥，而且添加水泥后，固化土體的孔隙比和顆粒間距減小，限制了可用于屈服變形的空間，所以即使固化淤泥的基質(zhì)吸力比原泥高很多，其收縮量仍然會比原泥小很多。

圖5 固化淤泥基質(zhì)吸力與孔隙比的關(guān)系Fig.5 Relationship between matric suction and void ratio of SDM

同一初始含水率的淤泥固化處理后，隨著基質(zhì)吸力的增大，試樣孔隙比的變化規(guī)律有所不同。當水泥添加量較小(50kg/m3、100 kg/m3)時，低摻量的水泥對其固化作用不明顯，固化后其含水率仍較高，尚未形成具有足夠強度的骨架結(jié)構(gòu)，基質(zhì)吸力的增加使試樣發(fā)生明顯的體積收縮而導(dǎo)致孔隙比減小。值得注意的是，當基質(zhì)吸力增大到某一值(ψS)后，試樣孔隙比開始保持不變，此時基質(zhì)吸力的增大基本不會引起試樣進一步收縮，該界限含水率被稱為縮限，為方便表達，稱此時對應(yīng)的基質(zhì)吸力ψS為界限吸力。當水泥摻量較大(200kg/m3)時，隨著基質(zhì)吸力增加，孔隙比變化很小或幾乎不發(fā)生改變，這主要是因為高水泥摻量下固化淤泥顆粒之間形成的骨架結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，基質(zhì)吸力的大小不足以使其發(fā)生屈服，收縮性不明顯或無收縮。

由圖5亦可以看出，達到ψS之前曲線下降段近似地為一斜直線，該直線斜率越大，代表同樣吸力范圍內(nèi)的孔隙比變化越大，收縮性越大。為了評價基質(zhì)吸力對固化淤泥的干燥收縮作用，用斜直線的坡度——收縮指數(shù)δ來表示固化淤泥收縮性的高低:

式中:Δe——孔隙比的變化量。

表1 固化淤泥的界限吸力與收縮指數(shù)Table 1 Limit suction and shrinkage index of SDM

表1為不同初始含水率和水泥添加量的淤泥固化處理后干燥收縮過程中對應(yīng)的ψS與收縮指數(shù)δ。由表1可以看出，同一w0的淤泥固化處理后，ψS隨水泥添加量的增大而增大，δ隨水泥添加量的增大而減小，因為水泥添加量越大，孔隙中自由水越少，水化產(chǎn)物越多，顆粒間的聯(lián)接作用越強，需要較大的吸力克服固化淤泥屈服變形的阻力。相同的水泥摻量下，固化淤泥的ψS隨淤泥w0的增大而減小，δ隨w0的增大而增大，一方面是因為w0的增加，固化淤泥顆粒外的結(jié)合水膜厚度和顆粒間距增大，為干燥收縮提供了有利條件，另一方面是因為固化淤泥顆粒間的聯(lián)接強度和有效應(yīng)力隨w0的增加而降低，屈服變形所需克服的阻力較小。綜上可知，固化淤泥的界限吸力ψS及收縮指數(shù)δ的大小與淤泥的初始含水率、水泥添加量都有關(guān)系。從工程經(jīng)濟的角度考慮，在淤泥固化工程的長期運營中，要盡量降低淤泥的初始含水率，使其在基質(zhì)吸力作用下完成一部分收縮，從而控制固化淤泥的收縮甚至開裂。

3 結(jié) 論

a.在凈平均應(yīng)力為零的條件下，隨著基質(zhì)吸力的增加，原泥與低水泥添加量的固化淤泥會出現(xiàn)干縮現(xiàn)象，但固化淤泥的收縮明顯小于原泥，高水泥添加量的固化淤泥收縮性不明顯或無收縮。

b.存在一個界限吸力ψS，當基質(zhì)吸力增至該值后，發(fā)生干縮的土體的孔隙比開始保持不變，此時基質(zhì)吸力的增大基本上不會引起土體進一步收縮。

c.固化淤泥的界限吸力ψS和收縮指數(shù)δ受淤泥初始含水率和水泥添加量2個因素的影響。

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