鎂質(zhì)水泥固化淤泥一維壓縮特性研究

饒春義，朱劍鋒，庹秋水，劉浩旭(寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211)

在湖泊、江道、河道等疏浚工程及港口建設(shè)過程中都會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥，由于其含水率高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低，在工程建設(shè)中難以直接利用[1～3]。隨著水泥固化劑的迅速發(fā)展，淤泥固化技術(shù)在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，處理后的淤泥強(qiáng)度高，壓縮性小，同時(shí)還對淤泥中的污染物具有包裹和穩(wěn)定作用[4～9]。然而傳統(tǒng)硅酸鹽水泥在其生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，而且消耗大量礦石燃料，其發(fā)展與資源、環(huán)境的不協(xié)調(diào)性的矛盾日益嚴(yán)峻，迫切需要尋找一種新型固化劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅酸鹽水泥。鎂是全球重要資源型商品，具有節(jié)能、輕質(zhì)、易回收等特性，鎂質(zhì)水泥在淤泥固化的研究中，已經(jīng)取得了很多重要的研究成果[10～13]。

壓縮性是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一，固化淤泥作為工程建設(shè)用土必須考慮其變形特性。丁建文等[14]通過壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了高含水率疏浚淤泥固化土的壓縮性狀，探討了固化劑摻量、初始含水率和養(yǎng)護(hù)齡期對固化土壓縮變形特性的影響。夏雄等[15]的固化淤泥的單向壓縮試驗(yàn)表明：同一含水率下，淤泥隨著水泥摻量的增加，試樣壓縮性減小。劉亞靜[16]對納米水泥土壓縮特性進(jìn)行研究，分析了不同的納米材料及其摻量對水泥土變形的影響；王偉等[17]進(jìn)行了不同摻入比的納米MgO改性水泥土的一維固結(jié)試驗(yàn)，得到了水泥土的壓縮量隨納米MgO的摻量的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢；王宏偉等[18]使用活性MgO對淤泥進(jìn)行固化處理，進(jìn)行一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)活性MgO的摻入對改性固化淤泥土的壓縮性有明顯的改良作用。目前對氧化鎂MgO、硫酸鎂MgSO4按一定的配比制成的鎂質(zhì)水泥復(fù)合固化劑的研究較少，對其壓縮特性的研究尚未展開。

本文使用鎂質(zhì)水泥復(fù)合固化劑對淤泥進(jìn)行加固處理，養(yǎng)護(hù)到不同的齡期，探討其壓縮性變化，結(jié)合太沙基一維固結(jié)理論，提出符合鎂質(zhì)水泥固化淤泥力學(xué)性質(zhì)的一維固結(jié)模型。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用寧波②2-2層淤泥質(zhì)黏土為試驗(yàn)用土，其工程性質(zhì)指標(biāo)見表1。土樣經(jīng)100～110 ℃的溫度下烘干8～10 h，然后碾碎磨細(xì)，并過2 mm篩除去雜質(zhì)，稱取部分篩余的土樣，試驗(yàn)擬采用新型鎂質(zhì)水泥作為固化劑，其主要材料為氧化鎂(山東優(yōu)索化工科技有限公司)、硫酸鎂(天津博迪化工股份有限公司)、檸檬酸(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、水溶劑。

表1 土樣的工程指標(biāo)Table 1 Engineering properties of soil

1.2 鎂質(zhì)水泥固化土的制備方法

鎂質(zhì)水泥固化劑是一種以不溶性堿式硫酸鎂新型晶體為主要水化產(chǎn)物的新型膠凝材料，水泥的主要材料是氧化鎂(MgO)、硫酸鎂(MgSO4)、檸檬酸(C6H8O7·H2O)、水，配制步驟：用燒杯量取一定量的自來水，將稱量好的檸檬酸、硫酸鎂、氧化鎂按先后順序溶解于水中，不停攪拌至溶液均勻[19～20]。試驗(yàn)時(shí)，按設(shè)計(jì)好的配比稱取土樣、鎂質(zhì)水泥、水，控制濕土的含水率為60%，水泥質(zhì)量與濕土的質(zhì)量比為15%。本次試驗(yàn)的齡期設(shè)為3，5，7，11，14 d，每組4個(gè)試樣，一共20個(gè)試樣?？紤]到固化土固化過程中體積的收縮，采用環(huán)刀制樣養(yǎng)護(hù)過程中容易造成橫截面和高度方向收縮，導(dǎo)致一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)有較大誤差，所以采用直徑為75 mm、高度為40 mm的圓柱體制樣(圖1)。鑒于鎂質(zhì)水泥是一種新型的氣硬性膠凝材料[19～20]，將制備好的圓柱體試樣置放在空氣中養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后，用環(huán)刀(直徑61.8 mm、高度20 mm)壓入圓柱體試樣中，削去多余部分土體，制作一維壓縮固結(jié)的環(huán)刀試樣。

圖1 不同齡期下的固化土試樣Fig.1 Solidified specimens at different ages

1.3 試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用WG-1B型三聯(lián)中壓固結(jié)儀(上虞市土木儀器有限公司制造)，壓力量程為12.5～1 600 kPa/30 cm2，固結(jié)儀的百分表量程為0～10 mm，精確值為0.01 mm。為保證試樣與儀器上下各部件之間接觸良好，施加1 kPa的預(yù)壓應(yīng)力。每組齡期下4個(gè)試樣進(jìn)行平行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，分別在0，25，50，100，200，400，800和1 600 kPa下進(jìn)行加載，每級壓力穩(wěn)定時(shí)間為24 h[21]。

2 試驗(yàn)結(jié)果和初步分析

2.1 e-p關(guān)系曲線

圖2是不同養(yǎng)護(hù)齡期下鎂質(zhì)水泥固化土的e-p關(guān)系曲線，從圖2中可知，在荷載小于200 kPa時(shí)，鎂質(zhì)水泥固化土e-p曲線的下降階段表現(xiàn)得很陡峭，即孔隙比下降值比較大；且養(yǎng)護(hù)齡期在3 d，5 d，7 d的固化土孔隙比下降速度明顯大于11 d，14 d的固化土。在荷載等級大于200 kPa時(shí)，隨著荷載等級的增加，曲線逐漸趨于平緩。

圖2 不同齡期的固化土e-p關(guān)系曲線Fig.2 e-p curves of the solidified soil under different ages

2.2 壓縮系數(shù)-齡期的關(guān)系

壓縮系數(shù)a是表征土壓縮性常用的指標(biāo)之一，壓力范圍變化不大時(shí)，可以用e-p曲線的割線斜率表示水泥土的壓縮性，割線斜率即為水泥土的壓縮系數(shù)[22]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與淤泥的壓縮特性類似，隨著荷載等級的增加，固化淤泥的壓縮系數(shù)越來越小。表2為不同養(yǎng)護(hù)齡期下鎂質(zhì)水泥固化淤泥在各級壓力下的a值。在實(shí)際工程中通常采用100～200 kPa壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)a1-2表示土的壓縮性。經(jīng)分析可知：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化淤泥的壓縮性呈減小的趨勢，7 d時(shí)鎂質(zhì)水泥已在淤泥中水化反應(yīng)生成水化產(chǎn)物，由于土顆粒較分散，此時(shí)產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)數(shù)量較少，不能完全充滿土顆粒的微小孔隙；當(dāng)齡期為14 d時(shí)，水泥水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)增多，顆粒間的孔隙大部分被膠凝材料填充，同時(shí)土顆粒被緊緊膠結(jié)在一起，形成較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。因此，隨著齡期的增長，固化淤泥的結(jié)構(gòu)會隨之越來越緊密，壓縮系數(shù)越來越小。對壓縮系數(shù)隨齡期的變化規(guī)律進(jìn)行擬合(圖3)，得到如下關(guān)系式：

a(t)=a0(t+1)b，a0=7.07，b=-0.713

(1)

式中：a0——待固化土體(淤泥)的壓縮系數(shù)；

b——考慮其他影響因素(如水泥摻量，含水量等)的參數(shù)。

表2 鎂質(zhì)水泥固化土的壓縮系數(shù)Table 2 Compressibility coefficient of the magnesia cemented soil /MPa-1

圖3 固化土a1-2隨齡期變化規(guī)律Fig.3 a1-2 of the solidified soil under different ages

3 鎂質(zhì)水泥固化淤泥的一維固結(jié)模型

3.1 鎂質(zhì)水泥固化淤泥的一維固結(jié)模型推導(dǎo)

因固結(jié)過程中軟土壓縮系數(shù)變化不大，因此在太沙基一維固結(jié)理論的基本假設(shè)條件中，土體的壓縮系數(shù)被假定為常數(shù)。然而在鎂質(zhì)水泥固化淤泥的固結(jié)過程中，壓縮系數(shù)隨時(shí)間變化較大，且存在類似式(1)函數(shù)關(guān)系式。固化淤泥一維固結(jié)示意圖如圖4所示，其中，固化淤泥深度為H，頂面是透水層，底面為不透水層，p0是施加在固化淤泥上的荷載，h是加壓后的水頭高度，在固化淤泥頂面以下z深度處取一微元體dx×dy×dz，q為單位時(shí)間內(nèi)流過單位水平橫截面積的水量。根據(jù)固結(jié)滲流的連續(xù)條件，微單元體在任意時(shí)間dt內(nèi)的水量變化率等于同一時(shí)間該單元孔隙體積的變化率，為便于分析和求解，本文假定如下：

圖4 固化淤泥一維固結(jié)示意圖Fig.4 Diagram of 1D consolidation of cured soil

(1)土體是均質(zhì)、各向同性和完全飽和的；

(2)土顆粒和孔隙水不可壓縮；

(3)外荷載是瞬時(shí)施加的；

(4)土體只在垂直方向上發(fā)生滲流和壓縮；

(5)土體的滲透系數(shù)k不變；

(6)任意時(shí)刻，土體變形(孔隙減小)是由孔隙被水泥水化產(chǎn)物填充和超靜水壓力消散共同作用引起；

(7)孔隙被水泥水化產(chǎn)物填充這一效應(yīng)主要由壓縮系數(shù)a(t)來反眏，且a(t)與時(shí)間t存在式(1)函數(shù)關(guān)系式。

參考太沙基一維固結(jié)理論，從而得到：

(2)

式中：e0——初始孔隙比；

u——孔隙壓力/kPa；

k——滲透系數(shù)/(cm·s-1)；

γw——水的重度/(kN·m-3)。

初始條件和邊界條件：

(3)

(4)

結(jié)合初始條件和邊界條件，求解得：

(5)

由f′(t)+λ2y(t)f(t)=0得：

(6)

對方程(6)兩邊進(jìn)行積分得：

(7)

結(jié)合(5)、(7)得到固化淤泥土的一維固結(jié)解為：

(8)

3.2 算例分析

模型計(jì)算的基本參數(shù)包括：鎂質(zhì)水泥固化淤泥的高度H=1 m，初始孔隙比為e0=1.7，滲透系數(shù)k=1.2×10-8cm/s，水的重度γw=10 kN/m3。在壓力p0=100 kPa下頂面排水固結(jié)，分別用太沙基一維固結(jié)理論和本文鎂質(zhì)水泥固化淤泥一維固結(jié)理論進(jìn)行計(jì)算固化淤泥土在不同深度處的孔壓和固結(jié)度。

圖5為采用太沙基一維固結(jié)理論和本文模型計(jì)算的不同深度(z/H=0.2，z/H=0.5，z/H=0.8)處的孔壓隨時(shí)間消散的關(guān)系圖。由圖5可知，不論是采用哪種固結(jié)理論計(jì)算，深度越淺，固化淤泥的孔壓消散越快；深度越深，固化淤泥孔壓消散的越慢。主要原因在于：固化淤泥頂面排水，深度越淺，排水路徑越短，固化淤泥排水就越快，孔壓消散的時(shí)間就大大減少。

圖5 不同深度處固化淤泥的孔壓-時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 Relationship between pore pressure of the solidified soil and time under different buried depths

另外，太沙基一維固結(jié)理論計(jì)算的固化淤泥孔壓消散時(shí)間遠(yuǎn)大于本文模型計(jì)算的時(shí)間，這是因?yàn)椋阂环矫妫紫吨胁糠炙c鎂質(zhì)水泥復(fù)合固化劑發(fā)生水化反應(yīng)生成水化產(chǎn)物而被消耗，顆粒間的孔隙被膠凝材料填充，部分水被排擠出孔隙。另一方面，在荷載作用下，土顆粒間的孔隙被壓縮，孔隙中的水逐漸排出。因此，本文所計(jì)算的孔壓消散速度遠(yuǎn)大于太沙基一維固結(jié)理論計(jì)算的結(jié)果。

圖6是采用太沙基一維固結(jié)理論和本文模型計(jì)算的不同深度處的固結(jié)度隨時(shí)間變化關(guān)系。兩種計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果均表明：深度越淺固化淤泥固結(jié)越快，隨著深度的增加固化淤泥固結(jié)越慢。在t=30 d時(shí)，采用本文固結(jié)模型計(jì)算固化淤泥的固結(jié)度達(dá)到已經(jīng)達(dá)到了90%，而根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論，達(dá)到這一固結(jié)度的時(shí)間約為290 d，主要原因在于太沙基固結(jié)理論中假定壓縮系數(shù)為常數(shù)，不能考慮固化淤泥的孔隙比被水泥水化產(chǎn)物填充而減小這一特性，因此計(jì)算的固結(jié)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本文固結(jié)模型的計(jì)算結(jié)果，由此可以看出本文鎂質(zhì)水泥固化淤泥一維固結(jié)理論能更好反映出固化淤泥的變形性能。

圖6 不同深度處固化固化淤泥的固結(jié)度-時(shí)間關(guān)系圖Fig.6 Relationship between consolidated degree of the solidified soil and time under different buried depths

實(shí)際工程中，通常需要等淤泥固化達(dá)到一定齡期后(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)約28 d甚至更長)才能進(jìn)行加載，其原因是為了讓淤泥充分固化從而確保工程具有充足的安全儲備。更重要的是采用傳統(tǒng)太沙基一維固結(jié)理論無法準(zhǔn)確預(yù)測任一齡期下淤泥的固結(jié)程度。于是，本文計(jì)算了在不同養(yǎng)護(hù)齡期下(空氣中養(yǎng)護(hù)1 d，7 d，14 d，21 d)加載100 kPa時(shí)任意深度處的固結(jié)度變化示意圖(圖7)。由圖7易知：頂面排水條件下，在養(yǎng)護(hù)齡期為1 d時(shí)加載，0.4 m以下的深度處的固結(jié)度均為0，無法滿足工程需要；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，鎂質(zhì)水泥固化效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，土顆粒間的孔隙被水化反應(yīng)物不斷填充，齡期為14 d加載時(shí)整個(gè)土體的固結(jié)度顯著增加，即使底部淤泥的固結(jié)度也達(dá)到了0.5以上。21 d加載時(shí)，整個(gè)土體的固結(jié)度達(dá)到了0.8以上，基本滿足了工程需要。因此，本文鎂質(zhì)水泥固化淤泥的一維固結(jié)模型可以預(yù)測任意深度和齡期下的固化淤泥的固結(jié)度，對實(shí)際工程具有更好的指導(dǎo)意義。

圖7 固化土中各點(diǎn)在不同時(shí)間的固結(jié)度Fig.7 Degree of consolidation of the curing soil in various points at different times

4 結(jié)論

(1)鎂質(zhì)水泥復(fù)合固化劑對固化淤泥土的孔隙有明顯的填充作用，隨著齡期的增大，固化淤泥土的孔隙比不斷減小。

(2)鎂質(zhì)水泥復(fù)合固化劑對固化土淤泥土的壓縮性有明顯的改良作用，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，壓縮壓縮系數(shù)不斷減小，由高壓縮性土體演變?yōu)橹袎嚎s性土。

(3)基于太沙基一維固結(jié)理論，結(jié)合固化土的壓縮特性，提出了鎂質(zhì)水泥固化土的一維固結(jié)模型，算例分析表明，該模型可以預(yù)測任意深度和齡期下的鎂質(zhì)固化淤泥的固結(jié)度。

(4)模型的預(yù)測精度可以通過模型試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，固化淤泥土的其他物理力學(xué)參數(shù)(滲透系數(shù)，密度，強(qiáng)度等)在其固結(jié)過程中也會隨齡期的不同而變化，有待進(jìn)一步開展研究。