早強(qiáng)型固化淤泥的強(qiáng)度發(fā)生規(guī)律

范惜輝， 侯志強(qiáng)， 甘雅雄， 朱 偉，4

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098； 2.中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518102；3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710075； 4.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098）

為了改變江河湖庫(kù)水質(zhì)日益惡化、河道泄洪能力下降、水庫(kù)庫(kù)容萎縮等日益嚴(yán)重的局面，我國(guó)近年來(lái)在內(nèi)陸河流湖泊等地相繼開(kāi)展了清淤工程. 杭州的西湖［1］、江蘇的太湖［2］等內(nèi)陸湖泊為了改善水質(zhì)，緩解越來(lái)越嚴(yán)重的藍(lán)藻暴發(fā)，均開(kāi)展了大規(guī)模的清淤工程. 江蘇太湖據(jù)推測(cè)其底泥的總存儲(chǔ)量超過(guò)1.912 億m3，其中需要疏浚的接近3500萬(wàn)m3［2］.

固化處理的方法就是往淤泥中添加固化材料，通過(guò)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，使得疏浚淤泥的力學(xué)性質(zhì)得到改良的目的. 該處理方式經(jīng)濟(jì)環(huán)保，施工周期短，適合普遍應(yīng)用于大規(guī)模的疏浚淤泥處理的工程當(dāng)中，并在深圳、無(wú)錫等地進(jìn)行了淤泥固化筑堤、填海的示范應(yīng)用［3-6］. 在傳統(tǒng)的淤泥固化處理過(guò)程中，采用的固化材料與普通硅酸鹽水泥為主，輔助材料摻有礦渣、粉煤灰、石膏等工業(yè)廢棄材料［7-9］. 同時(shí)對(duì)一些新固化材料的研究也在不斷進(jìn)行，例如新型的磷基固化劑［10］、HAS淤泥固化劑［11］等. 大部分固化淤泥的強(qiáng)度發(fā)展較為緩慢，使得固化處理施工的周期加長(zhǎng)，影響了施工的工期，并延長(zhǎng)了固化淤泥堆場(chǎng)的周轉(zhuǎn)效率.

為提高淤泥固化的效率，甘雅雄等［5］采用硫鋁酸鹽水泥加速淤泥固化的進(jìn)程，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等參數(shù)明顯提升. 而將固化淤泥堆填時(shí)，其三軸強(qiáng)度是計(jì)算其安全系數(shù)的最重要參數(shù)［12］. 硫鋁酸鹽水泥早期強(qiáng)度的增加受水泥熟料中無(wú)水硫鋁酸鈣、硫酸鈣的迅速反應(yīng)，生成鈣礬石和鋁膠有關(guān)［13-15］. 李磊等［16-17］從固化產(chǎn)物水分轉(zhuǎn)化的角度研究了固化污泥的強(qiáng)度、壓縮性質(zhì)與水分形態(tài)轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系，從另一方面探求強(qiáng)度增長(zhǎng)的機(jī)理.

本文以深圳某地所取的淤泥作為研究對(duì)象，使用普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行固化處理，對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變、三軸強(qiáng)度，特別是反應(yīng)過(guò)程中的水分轉(zhuǎn)化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為淤泥固化的工程應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)意義.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)淤泥來(lái)自深圳某工地，其基本物理性質(zhì)測(cè)試參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［18］測(cè)定，具體物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1. 試驗(yàn)用固化材料為海螺牌32.5#普通硅酸鹽水泥（OPC）和硫鋁酸鹽水泥（SAC）. 兩種固化材料的主要成分見(jiàn)表2. 硫鋁酸鹽水泥的礦物成分以無(wú)水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主，在固化施工中有明顯的早強(qiáng)效果，可以提高固化體的早期強(qiáng)度［19］.

表1 試驗(yàn)污泥的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic properties of the silt

表2 兩種水泥的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of the two cements

1.2 試驗(yàn)方法

試樣制備［20］；將試驗(yàn)所取淤泥過(guò)2 mm篩以去除淤泥中較大的雜質(zhì). 水泥添加量按每立方淤泥中添加的水泥質(zhì)量計(jì)算. 將淤泥按表3中的配合比混合，并用手持式攪拌器將其攪拌均勻. 然后將攪拌均勻的土樣分三層裝入鋼制模具中（三軸試樣模具的內(nèi)徑為3.91 cm，高8.00 cm；水分離心模具內(nèi)徑為3.5 cm，高6.0 cm）.將裝好土樣的模具密封后放入恒溫恒濕箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，并將脫模后的試樣繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).

表3 淤泥固化試驗(yàn)方案Tab.3 Test scheme of silt solidification

三軸試驗(yàn)：固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠(chǎng)TSZ-1型應(yīng)變控制三軸儀. 固結(jié)應(yīng)力分別是50、100、150 kPa，試驗(yàn)過(guò)程按照中華人民共和國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T 50123—1999［18］進(jìn)行試驗(yàn).

水分測(cè)定試驗(yàn)［20］：水泥水化過(guò)程不僅是水化產(chǎn)物的生成過(guò)程，也是淤泥中水分形態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程. 水分按照與土體的結(jié)合勢(shì)能，大體上可以分為自由水、結(jié)合水、礦物水，其水分分界的勢(shì)能分別是pF=3.8和7.0，因此可以通過(guò)離心機(jī)的離心力將孔隙水中的自由水mpF=3.8（0＜pF＜3.8）排除；將剩余土樣在105 ℃條件下烘至恒重，可以認(rèn)為其土水結(jié)合勢(shì)能pF=7，則結(jié)合水mbw=m（pF=7.0）-m（pF=3.8）在該過(guò)程中排除. 而礦物水在礦物晶體中以穩(wěn)定的H+和OH-1存在，不會(huì)在105 ℃下?lián)]發(fā). 通過(guò)上述方法將自由水、結(jié)合水和礦物水分離. 淤泥固化過(guò)程中，自由水通過(guò)水化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水和礦物水，因此水化反應(yīng)前后自由水的變化量Δmfw等于結(jié)合水的增量Δmbw和礦物水的增量之和Δmhw. 所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單位淤泥的水分量表示.

2 結(jié)果與討論

2.1 早期應(yīng)力應(yīng)變特性分析

3 d 養(yǎng)護(hù)，圍壓100、150、200 kPa 條件下，OPC 和SAC 添加摻量為150 kg/m3固化淤泥試樣的應(yīng)力應(yīng)變（σ1-σ3）～εa～u 關(guān)系曲線(xiàn)，如圖1、圖2 所示. 從圖中可知，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系一開(kāi)始是應(yīng)變硬化，偏應(yīng)力在軸向應(yīng)變?yōu)?%時(shí)達(dá)到頂峰，隨后基本保持不變. 不同圍壓下，總偏應(yīng)力差異不大，但是孔隙壓力差異較為明顯. 固化淤泥的應(yīng)變性質(zhì)接近強(qiáng)超固結(jié)土，存在一定的剪脹性. 孔隙水應(yīng)力隨偏應(yīng)力而增加，在接近（σ1-σ3）max時(shí)，超靜孔隙水應(yīng)力開(kāi)始減小. 對(duì)于這種剪脹性，SAC固化淤泥表現(xiàn)得更加明顯. 這種類(lèi)似超強(qiáng)固結(jié)土的性質(zhì)并不是由于應(yīng)力歷史的原因，而是由于水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用，使得固化淤泥具有明顯的結(jié)構(gòu)性［9］，在剪切過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的剪脹性.

圖1 （σ1-σ3）～εa～u關(guān)系（OPC 摻量150 kg/m3，養(yǎng)護(hù)齡期3 d）Fig.1 Relation of（σ1-σ3）-εa～u（OPC dosage is 150 kg/m3，and curing time is 3 days）

圖2 （σ1-σ3）～εa～u關(guān)系（SAC 摻量150 kg/m3，養(yǎng)護(hù)齡期3 d）Fig.2 Relation of（σ1-σ3）-εa～u（SAC dosage is 150 kg/m3，and curing time is 3 days）

2.2 強(qiáng)度參數(shù)隨齡期的變化規(guī)律

隨著材料添加量的增加，固化淤泥中的水化產(chǎn)物不斷增多，使得固化淤泥中膠結(jié)物質(zhì)不斷增多. 在固結(jié)不排水試驗(yàn)中，固結(jié)壓力的取值為50～150 kPa，并不會(huì)使得固化淤泥內(nèi)部的膠結(jié)結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服狀態(tài)，因此試樣在不排水剪切過(guò)程中所測(cè)得的強(qiáng)度主要是膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞和土顆粒之間的摩擦兩個(gè)部分. 為分析養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)試樣強(qiáng)度的影響，對(duì)所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理.

圖3是固化淤泥有效內(nèi)摩擦角隨齡期的變化. 以材料摻量為150 kg/m3為例，SAC固化淤泥的有效內(nèi)摩擦角φ′在47.4°～60.5°之間變化，并且在前14 d隨著齡期的增加而增加，但是在隨后的14 d內(nèi)，φ′不再呈上升趨勢(shì). 而對(duì)應(yīng)的OPC固化淤泥的有效內(nèi)摩擦角在42.8°～47.1°之間，其值均要小于相同條件下SAC固化淤泥的有效內(nèi)摩擦角φ′.

圖4是固化淤泥有效黏聚力隨齡期的變化. 以材料摻量為150 kg/m3為例，SAC固化淤泥的有效黏聚力c′隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而不斷增大，其值在66.4～109.3 kPa之間變化，而對(duì)應(yīng)的普通硅酸鹽水泥固化淤泥的有效黏聚力遠(yuǎn)低于SAC固化淤泥. 由于隨著齡期的增長(zhǎng)，SAC固化淤泥仍在不斷地進(jìn)行水化反應(yīng)，形成更多的水化產(chǎn)物，使得水化產(chǎn)物與土顆粒之間的膠結(jié)作用不斷地增強(qiáng). 并且在養(yǎng)護(hù)到14 d后，固化淤泥中水化產(chǎn)物與土顆粒之間的膠結(jié)作用不斷地增強(qiáng)，早強(qiáng)型材料固化淤泥試樣在不排水剪切過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的剪脹現(xiàn)象，導(dǎo)致了固化淤泥的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).

圖3 有效內(nèi)摩擦角隨齡期的變化Fig.3 Variation of effective friction angle with curing time

圖4 有效黏聚力隨齡期的變化Fig.4 Variation of effective cohesion force with curing time

正常淤泥并不存在黏聚力，只存在內(nèi)摩擦角［21］. 淤泥的水化產(chǎn)物不僅將淤泥的各個(gè)顆粒聯(lián)系在一起，使得黏聚力大為提高，同時(shí)結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)摩擦角也提高很多. 因此水化產(chǎn)物的生成與強(qiáng)度參數(shù)存在重要關(guān)系.

2.3 水分轉(zhuǎn)化與強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

對(duì)于固化淤泥在添加固化材料之前，由于顆粒與顆粒之間主要有自由水的存在，使得顆粒與顆粒之間并沒(méi)有形成相對(duì)穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了原泥呈現(xiàn)出流動(dòng)狀態(tài). 而在添加固化材料后，由于固化材料的水化反應(yīng)形成的水化產(chǎn)物取代了原泥中自由水所在的孔隙以及其他微小孔隙，并且水化產(chǎn)物將土顆粒包裹起來(lái)，形成較大粒徑的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使得土顆粒之間的連接作用得到增強(qiáng). 因此，固化土中水化產(chǎn)物量和形態(tài)將直接影響固化土顆粒間的內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化.

圖5、圖6 分別是結(jié)合水增量對(duì)有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角的影響. 從圖中可以看出，有效黏聚力隨結(jié)合水增量的上升，呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì). 在相同的材料添加量的情況下，硫鋁酸鹽水泥SAC 所對(duì)應(yīng)的結(jié)合水增量要高于普通硅酸鹽水泥，對(duì)應(yīng)的固化土的有效內(nèi)摩擦角和有效黏聚力均要高于普通硅酸鹽水泥. 在水化反應(yīng)的過(guò)程中，自由水同時(shí)向結(jié)合水和礦物水進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因此凝膠態(tài)產(chǎn)物和結(jié)晶態(tài)的水化產(chǎn)物同時(shí)產(chǎn)生，淤泥顆粒與固化材料顆粒接觸，材料水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物將淤泥顆粒包裹起來(lái)，早強(qiáng)型材料（SAC）所對(duì)應(yīng)的結(jié)合水增量要高于普通硅酸鹽水泥，說(shuō)明其水化產(chǎn)物的量也高于普通硅酸鹽水泥.

圖5 結(jié)合水增量與有效黏聚力的關(guān)系Fig.5 Relation of increase of bound water and effective cohesive force

圖6 結(jié)合水增量與有效內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.6 Relation of increase of bound water and effective friction angle

圖7、圖8分別是礦物水增量對(duì)固化淤泥有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角的影響. 從圖中可以看出，相同摻量下，SAC 固化淤泥的礦物水含量高于OPC 固化淤泥. 內(nèi)摩擦角與礦物水增量呈現(xiàn)更顯著的正相關(guān)關(guān)系.結(jié)合水的增加主要反應(yīng)水化硅酸鈣凝膠態(tài)產(chǎn)物的多少，而礦物水可以表征反應(yīng)生成的鈣礬石的多少［5］. 在水化反應(yīng)的過(guò)程中，自由水同時(shí)向結(jié)合水和礦物水進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因此凝膠態(tài)產(chǎn)物和結(jié)晶態(tài)的水化產(chǎn)物同時(shí)產(chǎn)生，水化硅酸鈣凝膠在將土顆粒包裹的過(guò)程中，結(jié)晶態(tài)水化產(chǎn)物（鈣礬石）不斷地往外形成，不斷地填充土顆粒之間的孔隙，并且使得土顆粒之間的膠結(jié)作用不斷地增強(qiáng)，使得土顆粒之間的咬合程度不斷地增強(qiáng). 由前文的分析可知，SAC 固化土破壞時(shí)呈現(xiàn)出很明顯的剪脹特性，說(shuō)明早強(qiáng)型材料（SAC）固化土顆粒之間的咬合程度較普通硅酸鹽水泥要高. 故早強(qiáng)型材料（SAC）固化土所對(duì)應(yīng)的有效內(nèi)摩擦角要高于普通硅酸鹽水泥.

圖7 礦物水增量與有效黏聚力的關(guān)系Fig.7 Relation of increase of bound water and effective cohesive force

圖8 礦物水增量與有效內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.8 Relation of increase of bound water and effective friction angle

總體趨勢(shì)上，早強(qiáng)型固化淤泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角均高于OPC固化淤泥，且表現(xiàn)出較為明顯的早強(qiáng)性.水化速率及水化產(chǎn)物對(duì)固化淤泥強(qiáng)度的影響非常復(fù)雜［22］，內(nèi)在的機(jī)理有待進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論

1）由早強(qiáng)型（SAC）和普通硅酸鹽水泥（OPC）固化淤泥的（σ1-σ3）～εa～u關(guān)系曲線(xiàn)可知，兩種固化淤泥在不排水剪切試驗(yàn)的過(guò)程中均出現(xiàn)了剪脹的現(xiàn)象，且SAC固化淤泥的剪脹性更加明顯.

2）早強(qiáng)型（SAC）材料固化淤泥的黏聚力隨著材料摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，內(nèi)摩擦角則隨著材料摻量的增加而增加，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的變化規(guī)律. 而普通硅酸鹽水泥固化土所對(duì)應(yīng)的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著養(yǎng)護(hù)齡期和材料摻量的增加而增大，并且其對(duì)應(yīng)值的大小始終要小于早強(qiáng)型材料（SAC）固化淤泥.

3）固化污泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)受水泥水化產(chǎn)物生成的影響，與結(jié)合水和礦物水的生成正相關(guān)關(guān)系.