纖維加筋河道固化疏浚淤泥力學(xué)特性試驗

王國林，周 雷，余能海

(上海海防水利工程有限公司，上海 200940)

為保證河道正常的泄洪及通航能力，各地每年均會對內(nèi)陸各大江河湖泊進(jìn)行疏浚清淤工作，產(chǎn)生大量的疏浚淤泥[1]。由于疏浚淤泥具有含水率高，強(qiáng)度低、固結(jié)困難等特點，很難被直接應(yīng)用于工程施工，大多作為廢棄物處置，這不僅占用了大量的土地資源，還造成了淤泥資源極大的浪費，這就需要采取一定的技術(shù)手段對河道疏浚淤泥進(jìn)行固化，可為交通、建筑、水利等工程建設(shè)提供大量理想的填土材料[2]。

疏浚淤泥固化土要作為工程建設(shè)材料，必須滿足相應(yīng)的工程力學(xué)特性，如強(qiáng)度、變形等。而固化淤泥的力學(xué)特性不僅與含水率、有機(jī)質(zhì)含量、顆粒粗細(xì)等相關(guān)，也與添加劑含量、水泥含量、齡期、養(yǎng)護(hù)條件等息息相關(guān)[3- 6]，為了盡可能使固化淤泥達(dá)到相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)，同時又保證工程經(jīng)濟(jì)性，必須對上述影響因素進(jìn)行對比研究。纖維可以明顯提高材料的韌性和延性，同時提高材料的抗壓、抗拉強(qiáng)度，在建筑工程材料中已被推廣使用[7- 8]?；谏鲜鲅芯砍晒c理論，本文開展了不同纖維摻量下固化淤泥的力學(xué)特性研究，為纖維在固化淤泥中的推廣使用提供理論和試驗支撐。

1 試驗概況

試驗土樣取自南水北調(diào)工程白馬湖穿湖段疏浚淤泥，該土為高液限黏土，基本物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。將取回的疏浚淤泥進(jìn)行雜質(zhì)顆粒篩除，將其按纖維摻量分為五組，分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%，纖維長徑比為50，水泥、固化劑、粉煤灰等具體材料的配比情況見表2。將配好的各組試樣加工制作成φ(100mm)×H(200mm)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件，并將其放入溫度為20±2℃，濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，到設(shè)定齡期(28d)后分別取出進(jìn)行試驗。

表1 原狀土物理力學(xué)指標(biāo)

表2 試驗配比情況

2 試驗結(jié)果分析

2.1 壓縮固結(jié)試驗結(jié)果

Butterfield法求取結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力被眾多專家學(xué)者證明是合理有效的，其基本原理是采用雙對數(shù)坐標(biāo)(ln(1+e)～log P)確定，得到的兩條直線交點的橫坐標(biāo)即可認(rèn)為是材料的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，本文對纖維疏浚固化淤泥結(jié)構(gòu)屈服力采用此方法。養(yǎng)護(hù)齡期28d下，各纖維摻量固化淤泥的壓縮曲線如圖1所示。從圖1可以看出，隨著固結(jié)壓力的增長，壓縮曲線呈明顯的“雙線性”特征，固結(jié)前期，由于固結(jié)力較小，圧縮曲線比較平緩，當(dāng)壓力超過某一值后，即出現(xiàn)拐點，壓縮曲線開始變陡，表明此時纖維固化淤泥達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力值，壓縮系數(shù)將劇增，很容易發(fā)生突然性的失穩(wěn)破壞。

試驗得到屈服應(yīng)力與纖維摻量關(guān)系，如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著纖維含量的上升，固化淤泥的屈服應(yīng)力呈先增加后減小的趨勢，當(dāng)纖維含量<1.5%時，添加纖維可有效增加材料的抗屈服性，當(dāng)纖維含量>1.5%后，固化淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力反而有所降低。

圖1 壓縮固結(jié)曲線

圖2 屈服應(yīng)力與纖維摻量關(guān)系

2.2 單軸抗壓試驗結(jié)果

試驗得到的單軸抗壓強(qiáng)度隨纖維含量的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，隨著纖維含量的增加，固化淤泥的單軸抗壓強(qiáng)度與屈服應(yīng)力的變化趨勢一致，均是呈先增后減的整體趨勢。這是因為纖維含量增大后，在材料配制過程中的不均勻性幾率也隨著增大，從而在材料內(nèi)部留下微孔隙，且纖維還會吸收部分水化水，影響基體強(qiáng)度的形成和發(fā)展，對于固化淤泥的強(qiáng)度反而不利。屈服應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出，固化淤泥的屈服應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度之間呈良好的線性關(guān)系，且其抗壓強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的0.84倍，這對于工程應(yīng)用具有重要意義。

圖3 抗壓強(qiáng)度與纖維摻量關(guān)系

圖4 抗壓強(qiáng)度與屈服應(yīng)力關(guān)系

2.3 抗拉試驗結(jié)果

試驗得到抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出，隨著纖維摻量的增加，固化淤泥的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，表明了纖維對于固化淤泥能夠有效增加其韌性和延性，使抗拉強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，但增長幅度卻隨著摻量的增加而逐漸減小，說明并不是纖維含量越高越好，當(dāng)纖維量超過一定值后，抗拉強(qiáng)度增效不明顯，同時也大大增加了工程成本，對于工程建設(shè)投資不經(jīng)濟(jì)。

圖5 抗拉強(qiáng)度與纖維摻量關(guān)系

2.4 滲透試驗結(jié)果

滲透試驗得到的滲透系數(shù)隨纖維摻量的變化關(guān)系如圖6所示。從圖6可知，相比不摻加纖維時，固化淤泥的滲透系數(shù)略有增加，這是因為纖維的摻入增加了固化淤泥試件的微孔隙，滲透通道相對增多，纖維含量在1.5%以內(nèi)時，滲透系數(shù)相差不大，在3.9～4.0×10-16m2之間，當(dāng)含量超過1.5%后，滲透系數(shù)迅速增加，達(dá)到了4.6×10-16m2，表明在高含量纖維摻量下，固化淤泥的滲流通道會顯著增加，不利于工程的防滲抗?jié)B要求。

圖6 滲透系數(shù)與纖維摻量的關(guān)系

3 結(jié)語

固化淤泥的壓縮固化曲線呈明顯的“雙線性”變化特征，屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均隨纖維摻量的增加呈先增后減的整體趨勢；抗拉強(qiáng)度隨纖維摻入量的增加逐漸增大，但增長幅度逐漸減??；當(dāng)纖維摻量<1.5%時，固化淤泥的滲透系數(shù)相差不大，當(dāng)纖維摻量>1.5%時，滲透系數(shù)明顯增大。綜合考慮各項工程力學(xué)因素，在試驗配合比下，纖維的最佳摻入量為1.5%。

[1] 朱偉, 張春雷, 劉漢龍, 等. 疏浚泥處理再生資源技術(shù)的現(xiàn)狀[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2002(04): 39- 41.

[2] 周旻, 侯浩波, 李志威, 等. 河道疏浚淤泥改性固化技術(shù)與力學(xué)特征的研究[C]. 環(huán)境與工程地球物理國際會議, 2006.

[3] 童琦. 粉煤灰—礦粉固化疏浚淤泥力學(xué)特性及機(jī)理研究[D]. 華北理工大學(xué), 2015.

[4] 程福周, 雷學(xué)文, 孟慶山, 等. 水泥及其外加劑固化淤泥的試驗研究[J]. 建筑科學(xué), 2014, 30(09): 51- 55.

[5] 程福周, 雷學(xué)文, 孟慶山, 等. 水泥-水玻璃固化東湖淤泥的室內(nèi)試驗研究[J]. 人民長江, 2013(24): 45- 48.

[6] 桂躍, 余志華, 張慶, 等. 固化磷石膏-疏浚淤泥混合土的工程性質(zhì)研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2014, 46(03): 147- 153.

[7] 歐建, 丁于竣, 周科, 等. 碳纖維硅粉混凝土力學(xué)性能的試驗研究[J]. 價值工程, 2013, 32(03): 43- 44.

[8] 郝蓓蓓, 龔愛民, 彭玉林, 等. 硅粉摻量對鋼纖維硅粉混凝土力學(xué)性能的影響[J]. 水電能源科學(xué), 2016(09): 144- 147.