Dunkirk港海相淤泥基本物理性質(zhì)試驗(yàn)研究*

邢 偉，王東星

(1. 國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095； 2. 武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

Dunkirk港海相淤泥基本物理性質(zhì)試驗(yàn)研究*

邢 偉1，王東星2

(1. 國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095； 2. 武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

針對Dunkirk港海洋淤泥試樣進(jìn)行了物理指標(biāo)室內(nèi)試驗(yàn)測定，開展了海相淤泥礦物成分和溫度效應(yīng)影響下淤泥物理性質(zhì)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：所測海相淤泥試樣最主要礦物為方解石、石英和巖鹽，最主要元素是硅、氧和鈣；針對高含水量淤泥，在40、105 ℃烘箱內(nèi)完全烘干淤泥試樣分別需要48、7h；在450、550 ℃這兩種條件下，采用質(zhì)量燒失法所得有機(jī)物含量通常要大于氧化法測得有機(jī)物含量；試樣燒失量隨溫度升高而持續(xù)增加，從而導(dǎo)致試樣絕對密度隨灼燒溫度升高而增加；熱重-差熱分析試驗(yàn)結(jié)果揭示了淤泥試樣質(zhì)量損失與物理-化學(xué)反應(yīng)隨溫度變化規(guī)律，解釋了不同溫度時(shí)燒失法和熱重法誘發(fā)試樣質(zhì)量損失的主要原因。

巖土工程；海洋淤泥；礦物組成；溫度效應(yīng)；物理性質(zhì)

0 引 言

疏浚海河道和清除港口湖泊底泥過程中，會產(chǎn)生大量含有一定污染物的高流態(tài)淤泥。依據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中淤泥定義可發(fā)現(xiàn)，淤泥主要特點(diǎn)是高含水量、高孔隙比和低強(qiáng)度，很難將“豆腐渣”狀淤泥直接應(yīng)用于實(shí)際工程。因此，疏浚淤泥處理處置問題，是世界上許多國家都難以回避且亟待解決的問題。深海拋棄或陸地堆放等傳統(tǒng)方法不可避免地污染周圍環(huán)境，或占用大量寶貴的土地資源，因而研究新型淤泥處置手段是解決淤泥無序堆積問題的當(dāng)務(wù)之急。

國際上普遍接受的方法是固化穩(wěn)定化處理方法，即向疏浚淤泥中添加固化材料以達(dá)到固化穩(wěn)定化目的，有效改善淤泥的強(qiáng)度、變形和滲透性等工程特性[2-8]。這種淤泥處理技術(shù)已被國內(nèi)外許多學(xué)者所接受，已開展室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)甚至現(xiàn)場工程應(yīng)用[3，6，8-10]，獲得許多令人矚目的研究成果。M.A.RAHMAN[11]和N.O.ATTOH-OKINE[12]分別利用水泥或石灰改良特殊土，研究了改良土體的強(qiáng)度和變形性狀；朱偉等[13-14]系統(tǒng)研究了水泥固化淤泥的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度演化規(guī)律，拓展了大面積吹填淤泥W-S-S工法等技術(shù)，在水環(huán)境治理和淤泥固化填筑等示范工程中取得了成功應(yīng)用；劉漢龍等[15-16]、桂躍等[17]、丁建文等[18]和李明東等[19]分別采用不同類型固化劑改性淤泥，論證了將廢棄淤泥轉(zhuǎn)化為良質(zhì)填土等可行性，取得了許多創(chuàng)新性的研究成果。

綜上研究，將廢棄淤泥有效處理轉(zhuǎn)化為新型土工建筑材料再利用，既符合世界范圍內(nèi)可持續(xù)發(fā)展的理念，又可滿足工程用土需求、緩解土地資源緊張趨勢、解決淤泥堆積占地和環(huán)境污染問題。然而，以往研究主要集中在固化淤泥的強(qiáng)度、變形和滲透性等方面，但對未固化淤泥基本物理性質(zhì)的研究相對較少。牛作民[20]認(rèn)為渤海灣海相淤泥結(jié)構(gòu)松散、天然含水率大于液限，孔隙比為1.4左右，長期強(qiáng)度低且觸變性大；彭濤等[21]系統(tǒng)闡述了吹填淤泥物質(zhì)組成和物理性質(zhì)等特征，認(rèn)為吹填淤泥具備高水量高、壓縮性高、結(jié)構(gòu)性差和承載力低等特點(diǎn)。

為彌補(bǔ)這方面研究不足，筆者針對Dunkirk港海相淤泥礦物組分和基本物理性質(zhì)等開展試驗(yàn)研究，從礦物成分角度解釋了淤泥本質(zhì)組分特征，利用多種測試手段分析考慮溫度效應(yīng)時(shí)淤泥含水率、燒失量和絕對密度等物理參數(shù)變化，為分析后續(xù)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和解釋相關(guān)試驗(yàn)現(xiàn)象奠定初步基礎(chǔ)。

1 海洋淤泥礦物特征

利用絞吸挖泥船于2012年7月在Dunkirk港挖取所研究淤泥，經(jīng)管道輸送至特定淤泥堆場，經(jīng)反復(fù)翻曬(約每周翻曬一次)淤泥含水率大幅降低，將淤泥存儲在塑料桶中便于運(yùn)輸。在密封、遮光環(huán)境中貯存，以最大程度地維持淤泥原始物理屬性。在淤泥取樣過程中發(fā)現(xiàn)，海洋淤泥外表呈灰黑色且有惡臭味，這主要由于有機(jī)物的存在導(dǎo)致淤泥外觀和氣味等性質(zhì)發(fā)生變化。圖1直觀地展示流態(tài)淤泥外觀形貌、堆場翻曬和烘干淤泥粉末狀試樣。

圖1 不同階段的海洋淤泥Fig.1 Marine sediments at different stages

為揭示淤泥礦物組分，筆者采用X射線衍射和X射線熒光兩種測試方法探索淤泥材料主要礦物成分和化學(xué)元素。前者主要用以確定樣品材料中各種礦物相，后者主要確定礦物成分中各種化學(xué)元素。利用德國西門子公司生產(chǎn)D8型X射線衍射儀，選取代表性干燥淤泥試樣進(jìn)行分析，測試結(jié)果如圖2。經(jīng)分析X射線衍射圖譜可知，所研究海洋淤泥中最主要礦物成分為方解石、石英和巖鹽，同時(shí)含有少量伊利石等黏土成分。

圖2 X射線衍射圖譜Fig.2 X-RD pattern

X射線熒光技術(shù)可測定材料所含化學(xué)元素，利用外界輻射激發(fā)待測樣品中原子，使原子發(fā)出標(biāo)識X射線熒光，通過測量這些標(biāo)識X射線的能量和強(qiáng)度來確定物質(zhì)中微量元素的種類和含量。選取干燥淤泥樣品進(jìn)行X射線熒光試驗(yàn)，結(jié)果如表1。分析表1中化學(xué)元素和相應(yīng)百分比含量發(fā)現(xiàn)，測試淤泥樣品最主要元素是硅、氧和鈣，伴隨有碳、氯、硫、鈉、鐵和鎂等元素。表1中的X射線熒光測試結(jié)果與圖2中的X射線衍射分析測試結(jié)果非常吻合，上述兩種方法從礦物成分和元素組成兩個(gè)角度共同解釋了試驗(yàn)所用淤泥的本質(zhì)組分特征。

表1 淤泥主要化學(xué)元素與含量Table 1 Main chemical components and contents of sediments

2 考慮溫度效應(yīng)海相淤泥物理性質(zhì)

2.1 初始含水量

含水量試驗(yàn)通常采用室內(nèi)烘干法，利用恒溫烘箱對所研究試樣進(jìn)行初始含水率測定。烘箱設(shè)定溫度分別為40、105 ℃，將流態(tài)淤泥均勻攪拌后各選取3個(gè)代表性試樣烘干，直至試樣質(zhì)量恒定(稱量精度0.01 g)。在40 ℃烘箱中，淤泥含水量隨烘干時(shí)間變化曲線如圖3(a)。分析發(fā)現(xiàn)，淤泥試樣含水量隨烘干時(shí)間先呈線性減少直至烘干24 h，直線斜率在-26.9～-28.0范圍變化，之后試樣含水量降低速率減，至烘干時(shí)間46 h試樣質(zhì)量基本恒定，此時(shí)含水量可被認(rèn)為是淤泥試樣初始含水量。值得注意的是，干燥46 h后試樣殘余含水量在0.3%～2.9%之間變化，若不滿足需求可繼續(xù)烘干至48 h，殘余含水量須控制在0.5%以內(nèi)，此含水率可忽略不計(jì)且不影響淤泥試樣基本性質(zhì)評價(jià)。

圖3 含水量隨烘干時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation curve of moisture content changing with drying time

采用105 ℃烘箱時(shí)，淤泥含水量隨烘干時(shí)間的變化過程，如圖3(b)。與40 ℃時(shí)含水量變化曲線相似，105 ℃烘箱中試樣含水量先呈線性減小至烘干時(shí)間4 h，直線斜率在-3.9～-4.7之間變動(dòng)，之后試樣含水量減小速度相對緩慢，烘干至7h試樣質(zhì)量完全穩(wěn)定且殘余含水量為0.05%～0.08%，可忽略不計(jì)。此時(shí)所得含水量即為試樣初始含水量，可完全反映試樣初始含水狀態(tài)。

經(jīng)對比分析可知：對于40 ℃烘箱，完全烘干淤泥試樣約需48 h，不同于土工試驗(yàn)常用烘干時(shí)間16～24 h。對于105 ℃烘箱，僅需約7 h便可完全烘干高含水量淤泥試樣。該成果可為設(shè)計(jì)合理快速的淤泥初始含水量測定提供理論依據(jù)。

在現(xiàn)場實(shí)際工程中，常采用小型微波爐以便短時(shí)間內(nèi)快速測定試樣初始含水量。表2為采用不同測試方法在不同時(shí)間所得試樣含水量。40 ℃烘箱、105 ℃烘箱和微波爐測量淤泥初始含水量試驗(yàn)結(jié)果分別為129.9%、131.5%和130.6%。分析可知：溫度為105 ℃烘箱測得含水量略大于烘干溫度40 ℃時(shí)所測含水量，這主要是由于有機(jī)物在溫度大于60 ℃時(shí)更易揮發(fā)所致。微波爐所測含水量略小于烘干溫度105 ℃所得含水量，但高于40 ℃時(shí)所測含水量，這種現(xiàn)象主要是由于有機(jī)物等易揮發(fā)物揮發(fā)與時(shí)間因素密切相關(guān)。

表2不同時(shí)間測得含水量Table 2 Water contents obtained at different times %

2.2 有機(jī)物含量與燒失量

有機(jī)物含量對淤泥物理力學(xué)等性質(zhì)具有重要影響，從而有可能影響淤泥處理處置及資源化利用，因此確定淤泥中有機(jī)物含量就顯得尤為重要。研究中通常采用兩種方法來確定淤泥試樣有機(jī)物含量，即燒失法和氧化法。據(jù)燒失法試驗(yàn)操作規(guī)范，可對通氧燒爐設(shè)定兩種不同溫度進(jìn)行土樣有機(jī)物含量測定：分別在450、550 ℃時(shí)灼燒3 h。對于氧化法，目前多采用添加鉻硫酸或雙氧水以最大程度氧化土中有機(jī)物，從而有效測量土中有機(jī)物含量。筆者選取雙氧水及450、550 ℃兩種溫度測定有機(jī)物含量，以便評價(jià)不同試驗(yàn)方法測定有機(jī)物含量的差別，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同試驗(yàn)方法測定的有機(jī)物含量Table 3 Organic content obtained by different test methods

由表3數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：無論450 ℃還是550 ℃，燒失法測得有機(jī)物含量都要大于氧化法測得有機(jī)物含量，但550 ℃溫度條件下燒失法測得有機(jī)物含量要更加偏離氧化法測得有機(jī)物含量，而450 ℃所測有機(jī)質(zhì)含量更加接近氧化法所得結(jié)果。值得注意的是，550 ℃高溫下某些礦物破壞分解，可導(dǎo)致試樣燒失量明顯增加。

為對比不同溫度下淤泥燒失量，筆者將均勻制備淤泥試樣在350、450、550、800、900 ℃燒爐中灼燒3 h，所得試驗(yàn)結(jié)果見表4。在350 ℃燒爐中灼燒，燒失量主要取決于淤泥中結(jié)合水揮發(fā)。在450、550 ℃兩種溫度下，結(jié)合水燒失和有機(jī)物揮發(fā)是試樣質(zhì)量損失的主要原因。而對于800、900 ℃，除上述因素外，碳酸鹽等礦物破壞分解引起CO2揮發(fā)亦可導(dǎo)致淤泥質(zhì)量損失明顯增加。為論證上述機(jī)理解釋的合理性，筆者將開展淤泥試樣的熱重-差熱分析試驗(yàn)。

表4 不同溫度下淤泥燒失量Table 4 Ignition loss at various temperatures

2.3 絕對密度

淤泥特殊的物質(zhì)組成，如有機(jī)質(zhì)含量高等，勢必會影響海相淤泥絕對密度等物理指標(biāo)。采用氮?dú)饷芏扔?jì)測量絕對密度，對充分搗碎干燥淤泥粉末試樣開展3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)，其平均值視為試樣絕對密度。圖4為不同溫度下(350、450、550、800、900 ℃)灼燒后淤泥絕對密度變化規(guī)律。隨著灼燒溫度不斷升高，試樣絕對密度值從2.241 g/cm3逐漸增加至2.305 g/cm3。灼燒后淤泥絕對密度略有增加，低溫情況下主要?dú)w因于結(jié)合水和有機(jī)物消失，而高溫情況下主要受結(jié)合水揮發(fā)、有機(jī)物消失和碳酸鹽分解后CO2揮發(fā)等多種因素影響。

圖4 不同灼燒溫度下淤泥的絕對密度Fig.4 Absolute density of sediments at various ignition temperatures

2.4 熱重-差熱分析

筆者采用熱重-差熱分析技術(shù)，研究了淤泥在不同溫度下質(zhì)量損失及物理-化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。熱重分析TGA是在程序控制溫度下測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的熱分析技術(shù)，用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。差熱分析DTA是在程序控溫下測量物質(zhì)和參比物的溫度差與溫度或者時(shí)間關(guān)系的測試技術(shù)，該方法廣泛用于測定物質(zhì)在熱反應(yīng)時(shí)的特征溫度及吸收或放出的熱量，包括脫水、蒸發(fā)、分解、化合等物理或化學(xué)反應(yīng)。

對淤泥干燥粉末試樣，筆者分別采用TGA和DTA兩種手段進(jìn)行熱學(xué)測試，結(jié)果見圖5。

圖5(a)描述了淤泥試樣質(zhì)量損失與溫度的變化曲線，以及試樣質(zhì)量變化速率與溫度的變化曲線。

不同溫度變化階段淤泥試樣的質(zhì)量損失及對應(yīng)原因如下所述：

1) 峰段A：110 ℃附近，主要由于吸附水蒸發(fā)和有機(jī)物揮發(fā)等；

2) 峰段B：260～350 ℃，主要由于結(jié)晶水和部分結(jié)合水燒失等；

3) 峰段C、D：550～800 ℃，主要由于碳酸鈣等碳酸鹽分解；

4) 峰段E：920 ℃附近，主要由于Ca3(SO4)Cl2的分解[22]以及黏土礦物脫水等；

5) 峰段F：1 000 ℃附近，主要由于黏土礦物結(jié)構(gòu)重組等。

圖5(b)描述了試樣在恒定速率升溫過程中試樣吸收或放出熱量隨溫度持續(xù)變化關(guān)系，可觀察到試樣在不同階段的吸熱峰和放熱峰。由圖5(b)可知：在110、700、1 000 ℃附近出現(xiàn)放熱峰的主要原因分別為吸附水與有機(jī)物揮發(fā)、碳酸鈣分解和黏土礦物結(jié)構(gòu)重組。以上分析從熱學(xué)原理角度解釋了不同溫度下淤泥質(zhì)量燒失和絕對密度演變的本質(zhì)原因。

圖5 淤泥試樣的兩種分析Fig.5 Two kinds of analysis of silt samples

由圖5(a)可計(jì)算不同溫度下淤泥試樣質(zhì)量燒失百分比，并與燒失法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。從表5可看出，燒失法和熱重法所得試驗(yàn)結(jié)果差別較大，尤其在800、900 ℃兩種高溫時(shí)燒失量差值分別達(dá)到10.02%、12.01%。引起這種現(xiàn)象主要原因可歸結(jié)為試驗(yàn)條件差異和物理-化學(xué)反應(yīng)機(jī)理差異。燒失法是在氧氣充足情況下對試樣進(jìn)行灼燒，進(jìn)而激發(fā)氧化還原反應(yīng)引起物質(zhì)燃燒或蒸發(fā)；熱重法是在惰性氣體氬氣存在時(shí)導(dǎo)致試樣中礦物成分高溫分解等現(xiàn)象發(fā)生。

表5 淤泥燒失量對比Table 5 Comparison of loss on ignition %

3 結(jié) 論

針對Dunkirk港海相淤泥試樣，筆者開展了系列室內(nèi)試驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了不同溫度效應(yīng)下淤泥初始含水量、燒失量、絕對密度和礦物組分等基本物理性質(zhì)。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 利用X射線衍射和X射線熒光試驗(yàn)，明確海相淤泥最主要礦物為方解石、石英和巖鹽，最主要元素是硅、氧和鈣，伴有少量碳、氯、硫、鈉、鐵和鎂等元素，從礦物成分和元素組成兩個(gè)角度共同解釋試驗(yàn)淤泥的本質(zhì)組分特征。

2) 對于高含水量淤泥，在40、105 ℃烘箱內(nèi)完全烘干淤泥試樣分別需要48、7 h；采用微波爐測得含水量略小于烘干溫度105 ℃時(shí)測得含水量，但高于40 ℃時(shí)所測含水量，這種現(xiàn)象主要是由于有機(jī)物等易揮發(fā)物揮發(fā)與時(shí)間因素密切相關(guān)。

3) 常用450、550 ℃兩種溫度時(shí)燒失法測得有機(jī)物含量通常要大于氧化法測得有機(jī)物含量，且試樣燒失量隨溫度升高而持續(xù)增加。

4) 試樣絕對密度隨灼燒溫度升高而不斷增加，但在800～900 ℃高溫時(shí)絕對密度值基本恒定。

5) 熱重-差熱分析結(jié)果揭示了質(zhì)量損失與物理-化學(xué)反應(yīng)隨溫度變化規(guī)律，解釋了不同溫度條件下熱重法和燒失法誘發(fā)淤泥試樣質(zhì)量損失主要原因。

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Experimental Study on Basic Physical Property of Dunkirk Marine Soils

XING Wei1，WANG Dongxing2

(1. State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute，Beijing 100095，P. R. China; 2. School of Civil Engineering & Architecture，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei，P. R. China)

Laboratory tests have been carried out to determine the physical property of marine sediment from Dunkirk harbor，and the mineral composition and effect of temperature effect on the physical property was studied. The laboratory results show that：the main minerals of the test marine sediment samples are calcite，quartz and halite，and the main chemical elements are silicon，oxygen and calcium; for the sediments with high water content，the duration required for the complete drying of sediment samples is 48 hours and 7 hours respectively for oven drying method at 40 ℃ and 105 ℃; under the two conditions at 450 ℃ and 550 ℃，the content of organic matter obtained by the method of mass ignition loss is usually greater than that tested by the oxidation method; the ignition loss of samples increases with the increase of the temperature，and the absolute density of the samples increases with the increase of ignition temperature. The results obtained by the thermo gravimetric-differential thermal analysis reveal that the mass loss of sludge samples and the variation rule of the physical-chemical reaction changing with temperature，and explain the main causes of mass loss of samples induced by ignition loss method and thermo gravimetric-differential method at different temperatures.

geotechnical engineering; marine sediment; mineral composition; temperature effect; physical property

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.12

2016-06-20；

2016-10-23

中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(SKLGDUEK1506)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2042016kf0048)

邢 偉(1980—)，男，山東日照人，工程師，主要從事工程勘察和地基處理等巖土方面的工作。E-mail：xingweiemail@163.com。

王東星(1984—)，男，河南周口人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士(后)，主要從事環(huán)境及巖土工程方面的研究。E-mail：dongxing-wang@whu.edu.cn。

TU411

A

1674-0696(2017)12-067-06

劉韜)