木質(zhì)素固化疏浚土的壓縮特性研究

劉文白，張恩槐

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

木質(zhì)素固化疏浚土的壓縮特性研究

劉文白，張恩槐

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

為研究木質(zhì)素固化疏浚土的壓縮性狀，對固化疏浚土進行了多組不同配比下的木質(zhì)素固化土壓縮試驗。通過室內(nèi)固結(jié)試驗以及無側(cè)限抗壓試驗，研究了木質(zhì)素固化土以及木質(zhì)素水泥雙摻固化土的壓縮性狀，探討了固化材料摻量、齡期等對固化土壓縮特性的影響。試驗結(jié)果表明：木質(zhì)素固化土的最優(yōu)摻量為10%，抗壓強度可達到8.6 MPa。木質(zhì)素固化疏浚土與水泥土類似，二者的壓縮曲線都有一個明顯的結(jié)構(gòu)屈服點。當(dāng)上部所加荷載未達到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，固化土的壓縮性很小，而當(dāng)荷載超過結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力以后固化土的壓縮量比未達到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前增大了3倍。木質(zhì)素水泥雙摻固化土隨著二者摻量的增加，抗壓強度有顯著的提升，25%木質(zhì)素摻量的固化土水泥摻量從10%增加到30%后土體抗壓強度增長了8.9倍，最為明顯。研究結(jié)果可為實際工程中木質(zhì)素固化土強度提供數(shù)據(jù)參考。

固化疏浚土；木質(zhì)素摻量；壓縮試驗；結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力；雙摻技術(shù)

1 研究背景

在海洋、航道以及湖泊的建設(shè)、清淤過程中都要產(chǎn)生大量的疏浚土，固化處理是其再生資源化中較為成熟的技術(shù)，國內(nèi)外常采用再生資源化處理技術(shù)將疏浚土轉(zhuǎn)化為可以再生利用的土工材料[1]。

Puppala等[2]對木質(zhì)素混合硫酸鹽改良黏性土的強度、彈性模量和膨脹性等基本特性進行了研究，結(jié)果表明固化土與素土相比，其工程特性有顯著提高。Vinod等[3-4]研究了木質(zhì)素固化分散性土的應(yīng)力-應(yīng)變特性，并對其抗侵蝕性進行了研究，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素在提高土體抗侵蝕能力方面與水泥等傳統(tǒng)固化劑類似，隨著摻量增加，土體產(chǎn)生侵蝕的臨界剪切應(yīng)力逐漸增大，侵蝕系數(shù)逐漸減小。姚穆等[5]和邱學(xué)青等[6]對木質(zhì)素的開發(fā)和利用進行了廣泛的研究，劉松玉等[7-8]對木質(zhì)素加固后土體的強度變化進行了一系列的研究和試驗。

本文為了探討木質(zhì)素固化土的壓縮性質(zhì)，進行了一系列室內(nèi)壓縮試驗。通過對固化疏浚土的壓縮試驗，研究了固化材料的摻入量、齡期對木質(zhì)素固化土的壓縮特性以及結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的影響。

2 壓縮及固結(jié)試驗方案

2.1 固化土配比設(shè)計

本文壓縮試驗的對象是木質(zhì)素固化疏浚土。疏浚土來自于上海市臨港新城地區(qū)的吹填土，基本土性指標(biāo)見表1，屬粉土；木質(zhì)素為粉末狀木質(zhì)素磺酸鹽。

表1 疏浚土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of dredging soil

木質(zhì)素固化土的配比設(shè)計主要為了得出不同的木質(zhì)素摻量下木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓曲線，從而得到最優(yōu)的木質(zhì)素摻量。進行了下列9種木質(zhì)素摻量，見表2?？紤]到實際工程中施工進度的要求，其中取木質(zhì)素摻量為15%和20%的木質(zhì)素固化土分別進行7，14，21，28 d齡期的無側(cè)限壓縮試驗，以便為實際工程中木質(zhì)素固化土早期強度提供數(shù)據(jù)參考。

木質(zhì)素與水泥雙摻固化土中的水泥選取P.O 42.5海螺牌水泥，選取了木質(zhì)素摻量為20%和25%的木質(zhì)素固化土再摻加水泥，具體配比見表3。

表2 固化疏浚土木質(zhì)素摻量Table 2 Contents of lignin in solidified dredging soils

注：摻量指質(zhì)量百分比，下同。

表3 木質(zhì)素水泥雙摻固化疏浚土摻量配比Table 3 Proportions of cement and lignin mixed in solidified dredging soil

雙摻固化土的摻量高于工程實際較多，應(yīng)用價值較小，旨在得出木質(zhì)素水泥雙摻固化土的抗壓強度隨摻量變化的曲線特征。

2.2 制樣方法及試驗儀器

由于最初的疏浚土的含水率較低，無法與木質(zhì)素充分攪拌均勻并制成無側(cè)限壓縮試樣，因而將木質(zhì)素固化土的含水率統(tǒng)一配制成25%。將攪拌均勻的木質(zhì)素固化土澆入100 mm×100 mm×100 mm的混凝土模具中，待其凝固成形以后進行脫模，脫模后的木質(zhì)素固化土試樣如圖1所示。注意事先在模具中涂抹薄薄的一層凡士林，以防在脫模時對固化土樣產(chǎn)生擾動，盡量保持土樣的原有結(jié)構(gòu)。然后將固化土放入溫度為20 ℃、濕度為95%以上的養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護，到設(shè)定齡期以后進行壓縮試驗。無側(cè)限壓縮試驗采用TYE-2000A型壓力試驗機(圖2)進行。

木質(zhì)素與水泥雙摻固化疏浚土在攪拌均勻以后采用環(huán)刀制樣，之后連同環(huán)刀一起放入溫度為20 ℃、濕度為95%以上的養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護，到設(shè)定齡期以后進行固結(jié)試驗。

圖1 木質(zhì)素固化疏浚土試樣
Fig.1 Dredgingsoilspecimensolidifiedbylignin

圖2 壓力試驗機
Fig.2 Pressuretestingmachine

圖3 木質(zhì)素摻量與抗壓強度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between lignin content and compressive strength

3 木質(zhì)素固化疏浚土的壓縮曲線及分析

為了得到木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強度與木質(zhì)素摻量的關(guān)系，無側(cè)限壓縮試驗的土樣全部采用養(yǎng)護28 d之后的土樣，使用壓力試驗機進行壓縮試驗，所得到的關(guān)系曲線見圖3。

由圖3可以看出：木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強度有一個明顯的峰值，在木質(zhì)素摻量10%處木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強度最大，為8.6 MPa。當(dāng)摻量達到20%時抗壓強度為6.1 MPa，此后抗壓強度有明顯的下滑，而在25%以后抗壓強度的下降趨勢又趨于平緩，最終30%摻量的木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強度為1.8 MPa。

由此可以看出：對于該種粉土添加木質(zhì)素可以顯著地提升土體的抗壓強度，但是當(dāng)木質(zhì)素摻量超過一定量以后抗壓強度會出現(xiàn)明顯的回落，因此該粉土木質(zhì)素摻量10%為最優(yōu)摻量。

在探討?zhàn)B護天數(shù)與抗壓強度的關(guān)系時，選取木質(zhì)素摻量為15%和20%的固化疏浚土，分別測得養(yǎng)護天數(shù)為7，14，21，28 d的抗壓強度，所得的結(jié)果見圖4。

圖4 養(yǎng)護齡期與抗壓強度關(guān)系曲線Fig.4 Relationshipbetween curing age and compressive strength

由圖4可以看到：隨著養(yǎng)護齡期的增長，木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強度有明顯的提高，強度提高幅度與木質(zhì)素摻量的多少并無關(guān)系，曲線隨養(yǎng)護齡期的變化基本趨于線性。木質(zhì)素摻量15%的固化疏浚土抗壓強度在開始7 d齡期時為3.5 MPa，28 d后增長為7.5 MPa；木質(zhì)素摻量20%的固化疏浚土抗壓強度在開始7 d齡期時為2.9 MPa，28 d后增長為6.1 MPa。通過比較會發(fā)現(xiàn)28 d時的抗壓強度大約可以達到7 d時抗壓強度的2倍。

4 木質(zhì)素固化疏浚土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力

4.1 結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的確定

圖5 木質(zhì)素摻量30%的ln(1+e)-p雙對數(shù)曲線Fig.5 Double logarithmic curve of ln(1+e) vs. p with lignin content of 30%

丁建文等[9-11]通過對疏浚土中摻入水泥及磷石膏的方法來提高疏浚土的工程特性，并通過ln(1+e)(e為孔隙比)曲線得出了雙摻固化疏浚土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。下面采用同樣的方法對木質(zhì)素固化疏浚土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力進行測定，試驗曲線如圖5所示。

由圖5可以觀察出在固結(jié)試驗中，隨著壓力增加，ln(1+e)曲線在固結(jié)應(yīng)力為2 400 kPa時有一個突然的轉(zhuǎn)折，該轉(zhuǎn)折點處所加的應(yīng)力大小即為結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。該結(jié)果與很多水泥土的表現(xiàn)相類似，壓縮曲線初始很平緩，而當(dāng)壓力超過了某一值以后固化土的孔隙比急劇縮小，結(jié)構(gòu)壓縮性增長速度比未達到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前增大了3倍，因此在結(jié)構(gòu)屈服前后固化土的性質(zhì)發(fā)生了很大的變化。這對于實際工程的危害性很大，不易察覺，極易在超過了屈服應(yīng)力以后，固化土發(fā)生大變形破壞，造成很大損失。

按照傳統(tǒng)的Casagrande方法所繪制的e-p曲線的最小曲率難以確定，本文借鑒了Butterfield的ln(1+e)-p雙對數(shù)法，壓縮曲線可以很好地用2段直線表示出來，而得到的交點即為結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。

圖6 木質(zhì)素固化疏浚土的水泥摻量與抗壓強度的關(guān)系Fig.6 Relationship between cement content and compressive strength of dredging soil solidified by lignin

4.2 影響結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的因素

由于木質(zhì)素固化疏浚土在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力前后的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了極大變化，因此討論影響木質(zhì)素固化疏浚土結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的因素是十分有必要的。對水泥摻量這一影響因素進行分析時采用的是28 d養(yǎng)護齡期的試樣，對其進行固結(jié)試驗，試驗曲線見圖6。

圖6為分別選取木質(zhì)素摻量20%，25%的木質(zhì)素固化疏浚土，對其分別加入摻量10%，20%，30%的水泥得到的關(guān)系曲線。木質(zhì)素摻量20%時水泥摻量從10%增加到30%，固化土的抗壓強度從7.9 MPa增長到11.7 MPa，增長了50%；而木質(zhì)素摻量25%時水泥摻量從10%增加到30%，固化土的抗壓強度從2.2 MPa增長到21.9 MPa，增長了近9倍，非常明顯，當(dāng)木質(zhì)素摻量25%時，增加水泥摻量對固化土強度提高更為有效。

通過對圖6中2條曲線進行觀察可以發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素摻量20%的曲線增長比較緩慢，而木質(zhì)素摻量25%的曲線增長比較迅速。猜測是由于木質(zhì)素磺酸鹽在土體空隙液中首先水解出高價陽離子，并與土中低價的陽離子置換，土顆粒表面雙電層厚度減小，土層間距減小，由于土顆粒表面帶有一定量的負電荷，帶正電的有機大分子被吸引至土顆粒表面形成膠結(jié)物質(zhì)并填充孔隙，使土顆粒間以摩擦聯(lián)結(jié)以及物理聯(lián)結(jié)2種方式聯(lián)系起來[7]。水解以后的木質(zhì)素與水泥反應(yīng)，生成產(chǎn)生體積膨脹的物質(zhì)，使土顆粒更加密實，從而達到更好的固結(jié)效果。因而，木質(zhì)素摻量在添加水泥這一因素下對結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力有較大的影響。木質(zhì)素摻量25%時水泥摻量從10%增加到30%，固化土強度增長了8.9倍，有效提高了材料強度。

5 結(jié) 論

(1) 木質(zhì)素固化疏浚土存在最優(yōu)木質(zhì)素摻量，當(dāng)處于最優(yōu)摻量之前抗壓強度處于上升趨勢，而超過了最優(yōu)摻量10%以后抗壓強度從8.6 MPa下降到1.8 MPa，30%摻量時的固化土抗壓強度只有10%摻量時的20%。

(2) 固結(jié)試驗表明，木質(zhì)素固化疏浚土存在明顯的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，在荷載未達到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的時候，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好；當(dāng)荷載超出了結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，結(jié)構(gòu)壓縮性增長速度比未達到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前增大了3倍，從而當(dāng)壓力超出了結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力以后固化土的破壞嚴重。

(3) 木質(zhì)素水泥雙摻固化疏浚土中水泥摻量從10%增長到30%時，木質(zhì)素摻量為20%的固化土抗壓強度提升只有50%，而木質(zhì)素摻量25%的固化土抗壓強度提升8.9倍，可見木質(zhì)素摻量25%時摻入水泥對固化土強度提升更加明顯。推測是由于木質(zhì)素水解后與水泥發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了可以填密土顆?？紫兜奈镔|(zhì)，從而使固化土抗壓強度提高。

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(編輯：羅 娟)

Compression Characteristics of Dredging Soil Solidifiedby Lignin

LIU Wen-bai，ZHANG En-huai

(School of Marine Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Compression tests of dredging soil solidified by different contents of lignin were conducted to study the compression characteristics. Through indoor consolidation tests and unconfined compression tests, the compressive properties of soil solidified by lignin and cement-lignin were studied. The effects of solidifying material content and curing age on the compressive properties of solidified soil were investigated. Test results showed that the optimum content of lignin was 10% and the compressive strength reached 8.6 MPa. Dredging soil solidified by lignin is similar to cement soil in an obvious structural yield point of their compression curves. The compressibility of the solidified soil is very small when the upper load has not achieved structural yield stress; while the compressive capacity is three times larger when the load exceeds the structural yield stress. With the increase of lignin and cement contents, the compressive strength of soil solidified by cement and lignin has significantly improved. With the cement content of dredging soil with 25% lignin increasing from 10% to 30%, the compressive strength increased by 8.9 times, of which the increase was the most obvious. The research results provide data reference for the strength of soil solidified by lignin in practical engineering.

solidified dredging soil; lignin content; compression test; structural yield stress; double mixing technique

2016-01-19；

2016-01-29

國家自然科學(xué)基金項目(51078228)；國家海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201105024-5)；2013年上海市研究生教育創(chuàng)新計劃實施項目(20131129)

劉文白(1955-)，男，山東濟寧人，教授，博士，主要從事巖土工程和港口結(jié)構(gòu)工程方面的研究，(電話)13818256956(電子信箱)liuwb8848@163.com。

張恩槐(1992-)，男，天津人，碩士研究生，研究方向為固化疏浚土，(電話)18801909877(電子信箱)1522419636@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160057

2017,34(4):83-86

TU41

A

1001-5485(2017)04-0083-04