離子固化淤泥土的強度特征與破壞模式

董寶中，陳永超

( 1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.江蘇光銀建設(shè)工程有限公司，江蘇 鹽城 224000)

我國每年治理河道、港口維護、航道疏通等產(chǎn)生的淤泥質(zhì)土達數(shù)以億方以上，而現(xiàn)實的工程中處理淤泥的方式基本通過曬干再填埋，而這樣不僅占用了大量的土地資源，而且還污染了環(huán)境[1-3]。若將淤泥土固化，則其一方面可用于土工材料，另一方面可用于工程當中，這樣不僅可以減緩公路路基材料的緊缺，還可以保護環(huán)境[4-6]。工程用土一般需要考慮其強度和變形兩大力學(xué)性能，已有研究對固化土的強度和變形進行了討論，主要使用石膏、水泥、氧化鎂等傳統(tǒng)材料，對高含水率淤泥土進行改良，有些摻加劑如石膏對環(huán)境還有一定的污染作用，文獻[7]通過加入水泥和工業(yè)廢磷石膏固化淤泥，研究了固化淤泥的壓縮特性，得出了結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系。文獻[8]將低碳、環(huán)保、活性強的氧化鎂作為摻合料，明確了氧化鎂參合料與壓縮特性的關(guān)系。文獻[9]僅通過加水泥來提高淤泥固化土的強度。文獻[10]通過硅酸鈉、二灰， 固化鹽漬土得出了含鹽量與抗壓強度的關(guān)系。文獻[11]用離子固化劑作為摻料對黃土進行了研究取得了豐富的成果，而離子固化劑用于淤泥土的研究較少，離子固化劑可將土固化成具有十分良好的“水穩(wěn)定性”土體，不但可以提高土體的抗壓、抗折強度，并具有優(yōu)秀的抗?jié)B能力[12-13]，離子固化劑還具有無毒、無害、環(huán)保等優(yōu)點。通過試驗對離子固化劑和水泥對淤泥土固化后的強度與變形力學(xué)性能基于室內(nèi)試驗進行研究，探索應(yīng)力應(yīng)變特征、破壞機理[14]，使離子固化劑運用于淤泥土中，節(jié)約路基材料，產(chǎn)生工程價值，保護環(huán)境。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥土的初始含水率為180%，液限為48.67%，塑限為30.5%，最優(yōu)含水率25.1%；水泥為42.5的普通硅酸鹽水泥，水泥摻量分別為4%、5%、6%、7%，離子固化劑摻量分別為0.016%、0.018%、0.02%、0.022%。表1為離子固化劑陰陽離子濃度。

表1 離子固化劑陰陽離子濃度

1.2 試驗步驟

淤泥放置于65℃的烘箱中烘干，碾成直徑小于5mm的顆粒，待淤泥土顆粒的水分蒸干后做擊實試驗，確定最佳含水率，然后拌制試樣。將50mm×50mm的模具涂好凡士林，再將試樣分三層裝入，每層搗實并將上部鑿毛進行下次填裝，待24h后拆模，試塊的重量約為200g，每組做6個試塊，脫模后的試塊用保鮮膜密閉隨即放入濕度95%、溫度20±2℃的養(yǎng)護室養(yǎng)護。試驗的齡期為3d、7d、14d、28d，待養(yǎng)護至壓前一天取出試塊放入水中泡24h，泡至24h擦干即壓，壓力機的軸向控制速率為1mm/min。

2 固化淤泥強度的影響

2.1 固化劑摻量影響

圖1表示純淤泥土在不同離子固化劑摻量下3d、7d、14d、28d齡期無側(cè)限抗壓強度關(guān)系，結(jié)果表明，離子固化劑對與泥土固化有著重要的作用，而且淤泥土的抗壓強度隨著離子固化劑摻量的增加先表現(xiàn)增加后略有降低，當離子固化劑的摻量在0.02%時強度達到最大，即離子固化劑的最佳摻量為0.02%，其中，3d、7d、14d、28d的抗壓強度較純淤泥土分別提高5.6%、10.7%、30.4%、35.3%。當固化劑的摻量為0.018%時，固化土的強度較淤泥土也有增長；但是摻量至0.022%時，相比較0.02%的摻量，固化土的強度略有降低。數(shù)據(jù)表明，離子固化劑對純淤泥土有明顯的加固效果，但是其摻量最好控在0.02%。不僅使淤泥土的強度有效提高，而且節(jié)約了材料。

圖1 不同齡期離子固化劑摻量與抗壓強度關(guān)系

2.2 水泥摻量影響

圖2是不同齡期下水泥摻量與抗壓強度的關(guān)系。表明：固化土在早期的強度增長較快，固化土的抗壓強度與水泥摻量成線性關(guān)系。根據(jù)線性擬合得出水泥摻量低于3%時就沒有明顯的固化效果，本試驗主要目的是為固化土做路基材料，根據(jù)公路路面基層施工細則(JTGTF20-2015)水泥無機摻合料大于13%就沒有工程價值，所以本試驗以4%水泥摻量為起點研究抗壓強度，當摻量為7%時，齡期7d固化土的抗壓強度可達1.14MPa，可滿足二級及二級以下公路(中、輕交通)的路基底基層。

圖2 不同齡期水泥摻量與抗壓強度關(guān)系

2.3 養(yǎng)護時間影響

圖3是無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護時間的關(guān)系，其中水泥摻量均為6%，圖中表明不同離子固化劑摻量下的抗壓強度與養(yǎng)護時間變化的規(guī)律基本相似，只有離子固化劑的摻量為0時與其它有明顯區(qū)別，當離子固化劑的摻量在0.02%左右時，固化土在14d前的強度增長較快，在14d到28d增長較慢，甚至無增長。因此，當采用離子固化劑固化淤泥土在齡期達到14d時強度基本最大，后面增長并不是很明顯，在工程運用中可養(yǎng)護14d，強度的增長主要由水泥和離子固化劑的作用。淤泥土加入的水泥發(fā)生了水化反應(yīng)，隨著時間的增長水化產(chǎn)物不斷淤泥顆粒間的孔隙[15]，同時淤泥顆粒的強度也不斷加強，大幅提高了試樣的密實度，當養(yǎng)護時間達到14d后，水化產(chǎn)生的膠結(jié)顆粒不斷減少，水化反映也慢慢停止。離子固化劑加入淤泥中可以提高淤泥的壓實密度、承載力，通過陰陽離子的交換對土壤外表面的的電層破壞，這過程破壞了土顆粒的毛細結(jié)構(gòu)，可使土顆粒表面的自由水脫出，減小了土顆粒間的縫隙，增強土顆粒間的作用，最終提高土的強度與穩(wěn)定性。養(yǎng)護3d到7d脫出的自由水較多，而在14d后離子間的化學(xué)反應(yīng)趨于穩(wěn)定。

圖3 不同固化劑摻量養(yǎng)護時間與抗壓強度關(guān)系

3 破壞形態(tài)與應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4、圖5是淤泥固化土在無側(cè)限抗壓強度下的兩種破壞形態(tài)，圖4試樣摻合料為4%水泥加0.02%離子固化劑，圖中表明抗壓強度較低，并且豎向變形較大，裂縫與試塊呈接近45°的角， 這種變形往往是斜裂縫剪切破壞。 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖6分為四個階段，①初始加載階段，應(yīng)力緩慢增長，應(yīng)變卻增長很快，由于土顆粒間過大的孔隙被擠壓所造成的；② 塑性上升階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，應(yīng)力快要達到峰值時，斜率減小，試塊出現(xiàn)小裂紋；③ 破壞階段，試塊出現(xiàn)斜裂縫，應(yīng)力達到峰值后應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而減小，圖中的破壞點的應(yīng)變在6.7%左右，不滿足路基材料2.5%～5.0%的要求；④ 殘余應(yīng)力階段，這時的試塊雖有較大的變形，仍可以承受一定的荷載。 圖5試樣摻合料為7%水泥加0.02%離子固化劑， 抗壓強度較高， 破壞時沒有過大變形， 試塊在破壞時呈45度角出現(xiàn)了主裂紋， 在主裂縫周圍出現(xiàn)了多個小裂縫， 破壞時會分成幾個小塊， 試塊在破壞前的變形一般很小， 屬于劈裂破壞。 應(yīng)力應(yīng)變曲線分為三個階段， ① 初始加載階段，應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢增長，增長的速度明顯高于圖4；② 塑性上升階段，應(yīng)力隨應(yīng)變快速增長，斜率呈60度的趨勢，這一階段應(yīng)力增長較快并沒有過大的變形；③ 破壞階段，應(yīng)力達到峰值后，應(yīng)力迅速減小，試塊出現(xiàn)多處裂縫，破壞應(yīng)變在3.8%左右。

圖4剪切破壞 圖5劈裂破壞

圖6 不同水泥摻量應(yīng)力應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

通過采用不同摻量的水泥和固化劑制成的固化土，并分別進行3d、7d、14d、28d的無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)論有：

(1) 淤泥固化土的強度與離子固化劑的摻量呈遞增關(guān)系，當離子固化劑摻量達到0.02%時強度達到最大值，離子固化劑摻量大于0.02%時強度并沒有明顯的增長，離子固化劑摻量可控制在0.02%；

(2) 通過對不同齡期的強度分析，14d以后固化土的強度增長速度放緩，摻水泥和離子固化劑對于提高淤泥土的早期強度有較好的效果；

(3) 根據(jù)公路路面基層施工細則(JTGT F20-2015)用于二級及二級以下公路(中、輕交通)底基層7d無側(cè)限抗壓強度要求在1.0～3.0MPa，當6%水泥+0.02%固化劑摻量在7d的抗壓強度為1.1MPa，破壞應(yīng)變在3.8%～5%之間，可以達到工程要求。