河道疏浚淤泥固化技術(shù)研究

杭天飛,唐斌斌

(揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司,江蘇 揚州 225007)

0 引 言

河道清淤疏浚能有效清除河道底泥污染，改善水環(huán)境和擴(kuò)大過水?dāng)嗝?，提高排水能力。近年來，大量河道疏浚項目上馬，由于疏浚河道而產(chǎn)生的淤泥是河道疏浚工程須解決的難點與重點之一[1]。河道疏浚淤泥由于其含水率高、強度低，不易于直接作為地基土，需對其進(jìn)行固化處理。

目前，針對固化淤泥處理方式有多種，如石膏[2]、砂[3]、化學(xué)試劑[4]和水泥[5-10]等，其中水泥是一種最為常用的固化劑。粉煤灰是煤炭燃燒產(chǎn)生的一種廢棄物，其與水泥作用能生成強度較高的鈣化物，從而增強水泥作用效果。對固化河道淤泥而言，摻入粉煤灰能降低水泥使用量，降低工程成本。因此，對不同水泥摻量、不同水泥與粉煤灰摻量下固化淤泥強度進(jìn)行研究，能為固化淤泥進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計提供指導(dǎo)。

單塘河位于姜堰城西北郊，新通揚運河以南，相傳隋唐時期單雄信曾在此屯兵飲馬，故名單塘河。單塘河為東西走向，全長約1.1 km。單塘河為歷史性河道，缺乏投入，目前淤積嚴(yán)重，兩岸環(huán)境差。根據(jù)《姜堰區(qū)生態(tài)建設(shè)規(guī)劃》，按照“利于興業(yè)、便于旅游、宜于人居”的生態(tài)名城要求，區(qū)政府決定對單塘河進(jìn)行綜合整治，打造親水、活水通道，形成水清、岸綠、景美。本文以單塘河疏浚淤泥為試驗對象，試驗分為兩部分，第一部分為確定水泥摻量(2%、5%、8%和10%)對河道疏浚淤泥固化效果；第二部分為水泥摻量為5%時，不同粉煤灰摻量下(2%、5%、8%和10%)河道疏浚淤泥固化效果。

1 試驗材料與程序

1.1 試驗材料

河道疏浚淤泥比重Gs=2.71，天然密度ρ=1.69 g/cm3，天然含水率為171%，液限ωL為72%，塑性指數(shù)塑限IP=48%，圖1為河道淤泥級配曲線。根據(jù)水利部頒布的土工試驗規(guī)程[11](SL 237-1999)，可將該河道疏浚淤泥分類定名為高液限黏土CH。水泥為普通硅酸鹽水泥，強度等級為32.5。

圖1 顆粒大小分布曲線

1.2 試驗程序

對水泥固化河道淤泥試樣，在河道淤泥中摻入2%、5%、8%和10%的水泥，混勻后注入尺寸為Φ50 mm×100 mm模具中，24 h后脫模，并分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7、28和90 d；對水泥與粉煤灰共同作用固化淤泥試樣，在河道淤泥中先摻入5%的水泥而后摻入2%、5%、8%和10%的粉煤灰，混勻后注入模具，24 h后脫模，并分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7、28和90 d。當(dāng)試樣達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期時，對試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗，剪切速率為1 mm/min。試驗平行3組進(jìn)行，取3組試驗平均值作為試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水泥摻量的影響

為探討水泥摻量對河道疏浚淤泥單軸強度的影響，分別對水泥摻量為2%、5%、8%和10%的水泥固化河道疏浚淤泥進(jìn)行單軸抗壓強度試驗，其強度與水泥摻量關(guān)系曲線見圖2。由圖2可以看出，不同齡期下(7、28和90 d)，試驗水泥摻量條件下(2%～10%)，隨水泥摻量增多，水泥固化河道疏浚淤泥強度呈一簡單的線性關(guān)系，隨水泥摻量增多，其強度值逐漸增大；水泥摻量每增大1%，齡期為7、28和90 d齡期水泥固化疏浚淤泥單軸抗壓強度增大量分別約為27、36和33 kPa。

圖2 單軸抗壓強度～水泥摻量關(guān)系曲線

圖3為齡期與水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度關(guān)系曲線。由圖3可知，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度與齡期呈對數(shù)關(guān)系，隨齡期增大，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度增大；以齡期為7 d時水泥為基準(zhǔn)，水泥摻量為2%、5%、8%和10%的水泥固化河道疏浚淤泥28和90 d齡期單軸抗壓強度分別提高42%、40%、31%、28%和117%、95%、76%、75%、65%。可以看出隨水泥摻量增多，28和90 d齡期時，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度相對于7 d齡期時,強度提高量逐漸減??；水泥摻量為10%時、90 d齡期時，其強度增長量僅約為水泥摻量為2%時強度增長量的一半。說明水泥摻量越多，其單位水泥增長效用越低，其經(jīng)濟(jì)效用越低。

圖3 單軸抗壓強度～齡期關(guān)系曲線

2.2 粉煤灰摻量影響

為探討粉煤灰摻量對水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度的影響，分別對水泥摻量為5%，粉煤灰摻量為2%、5%、8%和10%的水泥固化河道疏浚淤泥進(jìn)行單軸抗壓強度試驗。不同粉煤灰摻量下，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度與粉煤灰摻量關(guān)系曲線見圖4。由圖4可以看出，齡期為7 d時，隨粉煤灰摻量增大，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度基本不變。這是由于粉煤灰與河道疏浚淤泥基本不反應(yīng)，主要與水泥水化產(chǎn)物作用，而水泥水化物主要形成于反應(yīng)后期，在前期水泥水化物基本未與粉煤灰反應(yīng)，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度主要受水泥摻量影響。齡期為28和90 d時，隨粉煤灰摻量增多，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度先增大，后逐漸趨于平穩(wěn)，轉(zhuǎn)折點粉煤灰摻量為5%。這主要是由于粉煤灰與水泥水化物反應(yīng)，形成強度較高的骨架，使得水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度提高，粉煤灰與水泥摻量比值為1∶1時，水泥水化產(chǎn)物與粉煤灰基本反應(yīng)完全；粉煤灰摻量超過5%時，隨粉煤灰摻量進(jìn)一步增大，過量的粉煤灰不能參與反應(yīng)形成強度較高的穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)，其強度不再增大，表現(xiàn)為隨粉煤灰摻量增大，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度先增大后趨于穩(wěn)定的宏觀規(guī)律。

圖4 單軸抗壓強度～粉煤灰摻量關(guān)系曲線

圖5為摻粉煤灰水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度與齡期關(guān)系曲線。由圖5可以看出，不同粉煤灰摻量固化淤泥單軸抗壓強度與齡期基本呈對數(shù)關(guān)系，隨齡期增大，其單軸抗壓強度逐漸增大；齡期為7 d時，不同粉煤灰摻量固化淤泥單軸抗壓強度基本相同；粉煤灰摻量為5%、8%和10%時，其在7、28和90 d齡期下，單軸抗壓強度基本相同。而粉煤灰摻量為2%時，其各個齡期下單軸抗壓強度均明顯小于其他3個粉煤灰摻量下單軸抗壓強度，表明粉煤灰摻量超過5%(水泥摻量)時，不同粉煤灰摻量固化淤泥抗壓強度隨齡期增長基本保持一致。

圖5 單軸抗壓強度～齡期關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本文對7、28和90 d齡期下，不同水泥摻量和水泥摻量為5%不同粉煤灰摻量固化河道疏浚淤泥進(jìn)行單軸壓縮試驗，探討水泥和粉煤灰摻量河道疏浚淤泥固化效果影響，主要結(jié)論如下：

1)隨水泥摻量增大，河道疏浚淤泥單軸抗壓強度逐漸增大，不同齡期下固化淤泥強度與水泥摻量均呈線性關(guān)系。

2)隨齡期增長，不同水泥摻量下，固化淤泥單軸抗壓強度與齡期呈對數(shù)關(guān)系，水泥摻量越多，單位水泥增長效用越低，經(jīng)濟(jì)效用越低。

3)7 d齡期下，隨粉煤灰摻量增大，固化淤泥單軸抗壓強度基本不變；而28和90 d齡期下，隨粉煤灰摻量增大，其抗壓強度先增大而后趨于平穩(wěn)。