混合爐渣河道淤泥氣泡輕質(zhì)土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

孫海，顧歡達(dá)，陸勇

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇蘇州215011)

混合爐渣河道淤泥氣泡輕質(zhì)土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

孫海，顧歡達(dá)，陸勇

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇蘇州215011)

為了有效利用爐渣，通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)研究了混合爐渣河道淤泥氣泡輕質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)。混合土的密度、強(qiáng)度和變形特性受爐渣摻量、氣泡摻量影響顯著。試驗(yàn)結(jié)果顯示：混合土具有良好的輕質(zhì)性，其強(qiáng)度參數(shù)c、φ值隨爐渣摻量增加而增大，隨氣泡摻量增加而減小。基于鄧肯-張雙曲線模型研究發(fā)現(xiàn)，摻入爐渣后，混合土的初始變形模量增大，極限偏應(yīng)力也增大。研究結(jié)果表明混合土具有廣泛的應(yīng)用前景。

爐渣；氣泡輕質(zhì)土；三軸壓縮實(shí)驗(yàn)；強(qiáng)度和變形

江南地區(qū)雨水充沛，河道眾多，需要定期進(jìn)行河道清淤，保證河道的水質(zhì)，保持河道及泄洪通道暢通。據(jù)蘇州市河道管理處官網(wǎng)消息，蘇州市平江新城2015年河道竣工工程共清理河道淤泥總長(zhǎng)18.48 km，排泥場(chǎng)占地面積達(dá)113畝，因此綜合有效利用河道淤泥勢(shì)在必行。淤泥質(zhì)土具有含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低、腐殖質(zhì)含量高等特點(diǎn)，不進(jìn)行處理很難作為建筑材料加以利用。顧歡達(dá)、朱偉、姬鳳玲等[1-3]對(duì)河道淤泥進(jìn)行固化和輕質(zhì)化處理，探討了其再生資源化利用的可行性及方式。通過(guò)調(diào)節(jié)該材料的密度和強(qiáng)度，使其具有輕質(zhì)性、流動(dòng)性、良好的施工性及承載能力，在軟土地基處理、軟土路堤橋頭沉降處理、路基加寬、地基變形過(guò)大及地基不均勻沉降處理中得到了有效的利用[4-7]。與一般的填充材料不同的是，河道淤泥混合土在初期澆筑時(shí)具有一定的流動(dòng)性，在較小空間的填充上具有不可替代的作用[8]。氣泡輕質(zhì)土還具有滲透性小、隔熱保溫及抗凍融等特性，為工程實(shí)踐應(yīng)用及保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益提供了更多的途徑。因此，淤泥的綜合利用已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界更多的重視。另一方面，為了應(yīng)對(duì)城市生活垃圾日益增加，填埋處理場(chǎng)容量不足的問題，生活垃圾焚燒處理方式得到越來(lái)越多的應(yīng)用。生活垃圾焚燒爐渣(簡(jiǎn)稱爐渣)的工程性質(zhì)與天然集料類似，被視為灰渣中最有利用價(jià)值的部分[9-10]。事實(shí)上，根據(jù)已有研究可知，爐渣除了具有集料特征外，本身含有一定的活性成分，利用其活性成分可以改善固化劑化學(xué)固化能力。爐渣作為混合料用于河道淤泥氣泡混合土，既有利于固體廢棄物的有效利用，又能利用其活性成分改進(jìn)河道淤泥氣泡混合土的力學(xué)性質(zhì)。本文主要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方法，以爐渣為混合料，研究了不同條件下混合爐渣河道淤泥氣泡輕質(zhì)土的基本力學(xué)性質(zhì)，為工程應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 河道淤泥的性質(zhì)

河道淤泥為蘇州某河道沉積的淤泥質(zhì)土，天然含水量為84.3%。先用4.75 mm的網(wǎng)格篩過(guò)濾，剔除淤泥中比較大的顆粒和雜質(zhì)，然后用攪拌機(jī)攪拌均勻。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得其基本的物理性質(zhì)，如表1所示。

表1 原料土的物理性質(zhì)指標(biāo)

由表1可知，河道淤泥的天然含水量較高，其塑性指數(shù)IP=18.9，液性指數(shù)IL=2.84，孔隙比e=2.3。

淤泥顆粒級(jí)配如圖1。

圖1 淤泥的顆粒級(jí)配曲線

由圖1可知，河道淤泥顆粒較細(xì)，以粉土和黏土為主，其不均勻系數(shù)Cu=6.398，曲率系數(shù)CC=2.394，級(jí)配良好。根據(jù)《公路土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)規(guī)定，原料土屬于流塑狀的粉質(zhì)黏土。

1.1.2 爐渣的選取

本實(shí)驗(yàn)所采用的爐渣為生活垃圾焚燒爐渣，取自蘇州常熟市垃圾焚燒處理廠。將取回的爐渣自然晾曬風(fēng)干，至含水量近似為零。在實(shí)驗(yàn)前，先通過(guò)磁選剔除黑色金屬，然后通過(guò)篩分法挑選出粒徑介于0.1～2 mm的粗顆粒。

1.1.3 試樣的制備與配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以河道淤泥為原料土，順序添加水、混合料爐渣、固化劑及發(fā)泡劑混合攪拌而成，分三層加入模具，每層分四面蹾實(shí)，每面蹾30下。將制作好的試樣送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，再養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期進(jìn)行試驗(yàn)。其中水是普通自來(lái)水，固化劑為42.5#普通硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑是動(dòng)物蛋白類復(fù)配型發(fā)泡劑。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]對(duì)河道淤泥力學(xué)性質(zhì)的研究，影響混合爐渣河道淤泥氣泡輕質(zhì)土的主要因素是固化劑、發(fā)泡劑、齡期等。本課題主要研究爐渣作為混合料對(duì)河道淤泥氣泡混合土的力學(xué)性質(zhì)的影響，因此選擇爐渣摻量、氣泡摻量作為主要因素分析。由于實(shí)驗(yàn)中各組成材料的體積比難以控制，故以各組材料的添加量與干土質(zhì)量比為標(biāo)準(zhǔn)，其中爐渣摻量用ωs表示，氣泡摻量用ωe表示。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)混合土力學(xué)性質(zhì)的考察，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)規(guī)定，主要采用三軸壓縮試驗(yàn)方法，測(cè)定混合土的靜力學(xué)參數(shù)，分析其在荷載作用下的強(qiáng)度與變形特性。固結(jié)不排水三軸實(shí)驗(yàn)的3組圍壓設(shè)置分別為50、100、150 kPa，所對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的剪切速率為0.9 mm/min。每組試驗(yàn)制備3個(gè)平行試樣，取平均值考察其力學(xué)性質(zhì)，如圖2所示。當(dāng)其中一組試樣的密度之差大于0.01 g/cm3，被視為離散性較大時(shí)，將其剔除，剩余2組試樣取平均值。

圖2 三軸壓縮儀和混合土試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 密度的變化規(guī)律

混合爐渣河道淤泥氣泡輕質(zhì)土作為重塑結(jié)構(gòu)性土體，密度是考察其輕質(zhì)性的一個(gè)重要方面。爐渣摻量和氣泡摻量都會(huì)引起混合土密度的變化。

如圖3(a)表示不同氣泡摻量條件下，混合土密度受爐渣摻量的影響。從圖中可以看出，其密度隨爐渣摻量的增加而增大，且接近線性變化。與未摻入爐渣的混合土相比，摻入18%爐渣后，密度增加了0.046倍，爐渣摻量的增加對(duì)混合土的輕質(zhì)性影響較小。氣泡摻量在2%以上時(shí)，混合土的密度有較大幅度減小，輕質(zhì)性較為顯著。

從圖3(b)可以看出，不同爐渣摻量的混合土，其密度隨氣泡摻量的降低而降低，降幅大致相同，且為非線性變化。當(dāng)氣泡摻量在1%或2%時(shí)，混合土的密度變化相對(duì)較大。氣泡摻量達(dá)到3%時(shí)，其密度變化隨爐渣摻量相對(duì)平緩。這是由于采用的發(fā)泡劑為動(dòng)物蛋白類復(fù)配型發(fā)泡劑，氣泡隨時(shí)間、攪拌產(chǎn)生一定的消泡作用。氣泡摻量越多，現(xiàn)象越明顯。

(a)爐渣摻量對(duì)密度的影響

(b)氣泡摻量對(duì)密度的影響圖3 爐渣、氣泡摻量對(duì)密度的影響

比較氣泡摻量和爐渣摻量對(duì)密度的影響，摻入3%的氣泡，密度降低了11.7%，可見影響密度的主要因素是氣泡摻量，次要因素是爐渣摻量，即摻量爐渣并未影響混合土的輕質(zhì)性。

2.2 混合土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

根據(jù)固結(jié)不排水三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制混合土莫爾應(yīng)力圓和強(qiáng)度包線，最終得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ。圖4為爐渣摻量12%、氣泡摻量2%配合比條件下的莫爾破壞包線。

圖4 強(qiáng)度包絡(luò)圖

混合土受到外荷載作用時(shí)，其某一部分的剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度，混合土就會(huì)出現(xiàn)剪切破壞。通?；旌贤量辜魪?qiáng)度指標(biāo)采用黏聚力和摩擦角表示。

從圖5(a)～(b)中可以看出，混合土的黏聚力和摩擦角隨爐渣摻量的增加而增加?；旌贤恋酿ぞ哿χ饕揽款w粒間的結(jié)晶和膠結(jié)作用，通過(guò)化學(xué)鍵把原子、離子按一定規(guī)律結(jié)合起來(lái)形成較強(qiáng)的黏聚力[11-12]。其摩擦角的大小還取決于土顆粒的大小、形狀、粗糙度及混合土中各組添加劑的成分等諸多因素。其中爐渣顆粒表面比較粗糙，棱角較多，增大了混合土顆粒之間的摩擦力和咬合力，即混合土的摩擦角隨爐渣摻量的增加而增大。爐渣與水泥共同水化作用，增強(qiáng)了混合土的黏聚力。顯然摻入爐渣能夠提高混合土的抗剪強(qiáng)度。

圖5(c)～(d)表示氣泡摻量對(duì)混合土黏聚力和摩擦角的影響。隨著氣泡摻量的增加，混合土黏聚力和摩擦角明顯減小。這是由于無(wú)數(shù)發(fā)泡均勻、張力較好的小氣泡與土體混合均勻后，置換同等體積的土顆粒，相應(yīng)減小了混合土土顆粒的膠結(jié)和摩擦作用，即隨著氣泡摻量的增加，混合土黏聚力和摩擦角相應(yīng)減小。

(a)爐渣摻量對(duì)黏聚力的影響

(b)爐渣摻量對(duì)摩擦角的影響

(c)氣泡摻量對(duì)黏聚力的影響

(d)氣泡摻量對(duì)摩擦角的影響

2.3 混合土的變形特性影響分析

混合土由河道淤泥、爐渣、氣泡和水泥等混合攪拌養(yǎng)護(hù)而成，屬于典型的非均質(zhì)土，其應(yīng)力分布較為復(fù)雜?；旌贤恋膽?yīng)力與應(yīng)變關(guān)系反映了其在不同圍壓和爐渣條件下的變形特性。

對(duì)混合土進(jìn)行不排水實(shí)驗(yàn)，得到其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。如圖6(a)和(b)分別表示混合土在圍壓100 kPa和150 kPa時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在初始階段應(yīng)變較小時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線較緩，這是由于試樣兩端不夠平整且試樣中留有較多的孔隙所致。從圖中可以看出，無(wú)論在何種圍壓條件下，隨爐渣摻量的增加，混合土的強(qiáng)度和剛度顯著增大，破壞應(yīng)變減小。這是由于爐渣顆粒表面棱角較多，和黏土顆粒之間相互咬合，摩擦過(guò)程中增強(qiáng)了摩阻力。其中水泥水化產(chǎn)物起到離子交換吸附及粗顆粒爐渣骨料填充的作用，增大了土骨架的強(qiáng)度與剛度。

(a)圍壓100 kPa的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

(b)圍壓150 kPa的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖6 混合土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

為了深入研究其變形特性，同時(shí)為工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)，采用鄧肯-張雙曲線模型對(duì)混合土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合模型方程如下：

(1)

式中:σ3為圍壓，kPa;σ1-σ3為主應(yīng)力差值,kPa;a、b為擬合參數(shù)。

擬合參數(shù)a、b與初始變形模量和極限偏差應(yīng)力有如下的數(shù)學(xué)關(guān)系：

(2)

式中：Ei為初始變形模量，MPa;(σ1-σ3)ult為極限偏差應(yīng)力，MPa。

從圖6靜三軸應(yīng)力-應(yīng)變的真實(shí)值與擬合值的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，圍壓較大時(shí)，兩者吻合度較高。這是由于在較高的圍壓下，混合土的微孔隙受到擠壓收縮，而顆粒之間的化學(xué)鍵相應(yīng)更加結(jié)實(shí)，不易遭到破壞，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化趨勢(shì)，與鄧肯-張模型較為吻合。當(dāng)爐渣摻量較高時(shí)，混合土的應(yīng)力應(yīng)變的真實(shí)值和擬合值吻合度較差。這是由于隨著爐渣摻量的增加，混合土的成分與含量更加復(fù)雜，越加偏離均質(zhì)土的范疇，因此與鄧肯-張模型的吻合度稍差。

觀察圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，混合土的初始變形模量隨爐渣摻量的增加而增大，隨圍壓的增大而減小。爐渣作為骨料填充混合土中，受到外荷載作用時(shí)，能增強(qiáng)混合土的摩擦與咬合作用，即增強(qiáng)其抵抗變形的能力。隨著圍壓的增加，孔隙水壓力也在增大，使偏應(yīng)力增長(zhǎng)較為緩慢，即初始變形模量相對(duì)較小。觀察圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)，混合土的極限偏應(yīng)力隨爐渣摻量和圍壓的增加而增加。摻入爐渣后，混合土的顆粒之間咬合更加緊密，增加了混合土的強(qiáng)度。

(a)爐渣摻量對(duì)初始變形模量的影響

(b)爐渣摻量對(duì)極限偏應(yīng)力的影響圖7 爐渣摻量對(duì)初始變形模量和極限偏應(yīng)力的影響

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)混合爐渣河道淤泥氣泡輕質(zhì)土進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)混合土的密度隨爐渣摻量增加而增大，呈良好的正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)隨氣泡摻量的增大而減小。影響混合土密度的主要因素是氣泡，爐渣摻量的影響相對(duì)較小，添加爐渣并未影響其輕質(zhì)性。

2)混合土黏聚力c和摩擦角φ隨爐渣摻量的增加而增大，隨氣泡摻量的增加而減小。即摻入爐渣增大了土顆粒之間的摩擦和咬合作用，土骨架強(qiáng)度增大。摻入氣泡置換出同等體積的土顆粒，減小了混合土強(qiáng)度。

3)爐渣摻量的增加，混合土的破壞偏應(yīng)力增大，破壞應(yīng)變隨之減小?；卩嚳?張雙曲線模型擬合混合土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，混合土的初始變形模量隨爐渣摻量的增加而增大，隨圍壓的增加而減少，極限偏應(yīng)力隨爐渣摻量和圍壓的增加而增加。

4)通過(guò)研究混合土的密度、強(qiáng)度和變形，發(fā)現(xiàn)混合爐渣河道淤泥氣泡輕質(zhì)土作為新型土工材料，具有良好的輕質(zhì)性、抗剪切強(qiáng)度和抵抗變形的能力。

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責(zé)任編輯：唐海燕

Experiment on Mechanical Property of Air Foamed Lightweight Soil Made from River Sludge and Slag

SUN Hai,GU Huanda,LU Yong

(School of Civil Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011)

To effectively utilizing slag,mechanical property of the air foamed lightweight soil made from river sludge and slag was studied through triaxial compression test.Its density,strength and deformation characteristics were considerably affected by slag conten and air foam content.The experimental results show: the mixed soil is of lightweight property.The strength parameters of cohesion and internal friction angle increase with the augment of slag content and reduction of air foam content.Accoding to the Duncan-Chang nonlinear elastic model,the initial modulus of deformation and extremity deviatoric stress of mixture soil increase when slag is added.The study indicates that the mixuture has wide applications.

slag;air foamed lightweight soil;triaxial compression test;strength and deformation

10.3969/j.issn.1671-0436.2017.01.003

2016-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378327)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2015-K4-034)；江蘇省教育廳高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(15KJB170017)

孫海(1992— ),男,碩士研究生。

TU411

A

1671- 0436(2017)01- 0013- 06

顧歡達(dá)(1958— )，男，博士，教授，主要從事軟土地基處理技術(shù)及原理方面的工作。