固化廢棄泥流動性研究

朱 鵬，翁加興，吉 鋒，郝之進，徐桂中

(安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

隨著我國城市的飛速發(fā)展，道橋、管廊、公園等市政工程的快速建設[1-2]，產(chǎn)生了大量的廢棄淤泥[3]，其中開挖深度較深的淤泥因具有高含水率、低強度的特征，而不能直接使用。大量廢棄淤泥的堆積不僅占據(jù)了大量土地，而且對環(huán)境資源造成了一定的破壞。為了處理并利用這些廢棄淤泥，通常用加固材料如水泥、石灰等[4-5]對其進行固化處理，以提高其強度，使之達到使用等級的要求。

在眾多廢棄淤泥固化處理方法中，流動固化處理方法成為工程界熱門。相對于傳統(tǒng)的固化方法，流動固化處理更為方便高效，能夠有效解決狹小空間回填施工難的問題。流動固化處理的原理是將固化材料加入高含水率的淤泥中，攪拌均勻使其具有一定的強度和流動性，從而可以像混凝土一樣進行泵送施工。因此，對廢棄淤泥進行流動固化處理，首先要滿足施工時的流動性要求。流動性作為流動固化處理的重要指標，不少學者對其進行了試驗研究。丁建文等[6]對流動固化土的流動性能進行了分析，陸強[7]也對固化淤泥流動性設計了流動性試驗，他們發(fā)現(xiàn)固化淤泥的流動性與含水率和水泥摻量相關，即固化淤泥的流動性隨著含水率的增加而增加，隨著水泥摻量的增加而減小。因此，固化淤泥流動性的大小與含水率和固化材料摻量有著密切聯(lián)系。

需要指出的是，目前國內(nèi)并無固化淤泥流動性指標的相關測試標準，國外學者通常參照美國低強度材料的流動性試驗規(guī)范——《Standard Test Method for Flow Consistency of CLSM》(ASTM，1997)[8]和日本建設省的JHS A313—1992[9]規(guī)范。這兩種方法的測試原理都是將兩端開口的塑料圓柱形筒垂直放置于光滑平面上，將攪拌均勻的固化淤泥填滿試驗塑料圓筒，刮平筒表面，完成裝樣后迅速提起圓筒，測量淤泥的水平變形來表示其流動值的大小。兩種方法的不同之處在于使用圓筒的高徑比不同，美國采用2∶1，而日本采用1∶1。Suits等[10]在試驗中表明高徑比為1∶1的圓筒比較適合進行流動度試驗。我國不少學者常采用混凝土坍落度方法[11]來測試固化淤泥的流動度。

由于采用泵送施工固化淤泥，首先需要明確固化淤泥的流動性能?；诖?，本文在明確固化淤泥水泥摻量的前提下，選擇合適的土的含水率，在實驗室采用混凝土坍落度法和日本的JHS A313—1992規(guī)范開展固化淤泥的流動性能測試，分析影響流動度大小的因素。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用土取自安徽五河縣現(xiàn)場工地，其物理力學指標如表1所示。由表1可知，該土屬于粉質(zhì)黏土。試驗固化材料選用水泥，為安徽某水泥廠生產(chǎn)的標號為42.5的水泥。

表1土樣的基本物理指標
Table1Basic physical indicators of soil samples

指標數(shù)值 比重Gs2.67 液限/%27.0 塑限/%14.8 塑性指數(shù)12.2 砂粒/%16.2 粉粒/%63.8 黏粒/%20.0

1.2 試驗方法

1.2.1 日本的JHS A313—1992法

為了研究不同水泥摻量和不同含水率對流動性能的影響，分別采用質(zhì)量百分比為0、1%、3%、5%、8%、10%、13%的水泥摻量和質(zhì)量百分比為36%、39%、42%、45%、48%、51%、54%的含水率的淤泥進行試驗。

試驗前準備若干份質(zhì)量不同的淤泥，按照公式計算出試驗所需水泥的質(zhì)量，將其加入土中，并用攪拌機充分攪拌，在連續(xù)攪拌10 min，水泥與淤泥基本混合均勻后，立即進行流動性能試驗。試驗時，將直徑和高度都為8 cm的有機玻璃試驗圓筒(圖1)垂直置于水平整潔的玻璃平板上，將剛攪拌均勻的固化淤泥緩緩填入圓筒；裝填時應避免產(chǎn)生氣泡，在其滿溢后用刮刀將表面刮平，并將筒邊與玻璃平板擦拭干凈，然后迅速提起試驗筒，此時光滑玻璃平板上形成圓形坍塌體(圖2)；利用游標卡尺測量圓形坍塌體水平與豎直距離，兩者平均值即為流動度值。為避免觸變效應帶來的影響，提起圓筒時間應小于7 s，整個測試過程應在1 min內(nèi)完成。每個試驗做2次，求其平均值作為最終的流動值。

圖1 流動度試驗筒Fig 1 Fluidity test cylinder

圖2 流動度測試Fig 2 Fluidity test

1.2.2 混凝土坍落度法

試驗所用鐵筒的尺寸分別為上口直徑100 mm、下口直徑200 mm、筒高300 mm，底板采用平整的木板。進行坍落度試驗前，用濕抹布擦拭底板與坍落度筒，以減少摩擦力帶來的影響。試驗時，將底板放置于水平地面上，坍落度筒放置于底板中心處，并用雙腳踩住坍落度筒底部兩邊的腳踏板，確保其平穩(wěn)而不會晃動；用小鏟將攪拌好的固化淤泥鏟入筒中，用搗棒插搗多次，以排出氣泡；在頂層填滿插搗溢出后，用刮刀刮平其表面，然后將筒邊和底板上散落的淤泥清除干凈；垂直平穩(wěn)地將坍落度筒提起，測量筒高與坍落后固化淤泥試體最高點之間的差值，即為該固化淤泥的坍落度值(圖3為摻水泥量13%、水灰比為0.41的坍落度試驗)。為了保證測量的精度，整個提起過程應在5～10 s內(nèi)完成，整個試驗過程應在150 s內(nèi)完成。

圖3 坍落度試驗Fig 3 Slump test

2 流動度

2.1 初始含水率對流動度的影響

為了探索在低含水率下淤泥流動度與含水率之間的關系，采用含水率為36%～54%的淤泥進行試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 流動值與含水率關系曲線圖Fig 4 Curve graph of relationship between flow value and water content

從圖4可以看出：無論是未摻入水泥的淤泥，還是摻入水泥的固化淤泥，其流動度均隨含水率的增加而增加，其中在含水率高于45%時，淤泥流動度隨著含水率的增加幾乎呈線性關系增加；而在含水率為36%～42%時，淤泥的流動度隨含水率的增加而增加緩慢，即變化幅度較小。這與丁建文等[6]研究結(jié)論一致。丁建文通過對白馬湖高含水率疏浚淤泥進行流動性試驗，得出結(jié)論：高含水率淤泥流動度隨含水率增加呈線性關系顯著增加；在低含水率下，流動度隨含水率增加而增加幅度緩慢。

2.2 水泥摻量對流動度的影響

圖5為淤泥流動度與不同水泥摻量的變化關系圖。由圖5可以看出：隨著水泥摻量的增加，淤泥流動性降低，其中水泥摻量較低時，淤泥流動性隨著水泥摻量的增加，降低幅度較為顯著；水泥摻量較高時，淤泥流動性隨著水泥摻量的增加，降低幅度較為緩慢。比如，在含水率為42%時，未加入水泥與加入3%的水泥后，土樣流動度數(shù)值最大相差10.9 cm；水泥摻量在3%～13%時，流動度變化幅度較小，流動度數(shù)值最大相差為0.8～5.9 cm。該現(xiàn)象說明，對于固化淤泥，水泥摻量對流動度的影響主要產(chǎn)生在低摻量時。分析認為，水泥摻量對土樣流動度的影響主要是在加入水泥后，土樣的土性發(fā)生變化。未加入水泥時，土樣為粉土；加入很少量的水泥后，盡管此時水泥的水化反應還沒起到主導作用，但水泥粉末極其微小，使得土樣的土性由粉土瞬間變?yōu)轲ば酝?，流動度顯著降低。

圖5 流動值與水泥摻量關系曲線圖Fig 5 Curve graph of relationship between flow value and cement content

3 坍落度

圖6 坍落度與含水率關系曲線圖Fig 6 Curve graph of relationship between slump and water content

為了對比坍落度與流動度方法之間的差異，同樣進行了坍落度試驗。圖6為淤泥坍落度與含水率之間的關系曲線。由圖6可知：固化淤泥的流動度隨含水率的增加而增加，隨水泥摻量的增加而降低，顯然，這與流動度法相一致；但圖6中數(shù)據(jù)沒有較好的連續(xù)性，曲線陡峭有突變，存在突變點，這與測試方法有關，坍落度法測量的是坍塌體的下落高度，流動度法測量的是坍塌體的水平變形量。試驗結(jié)果表明，采用坍落度法也可描述固化淤泥的流動性，但流動度法測出的數(shù)據(jù)更具有連續(xù)性，即采用流動度法測試固化淤泥時更為方便與精確，更能顯示出流動性與含水率和水泥摻量之間的關系。

4 結(jié)論

通過固化淤泥流動性試驗，分析了含水率、水泥摻量等因素對淤泥流動性的影響，得出如下結(jié)論：

(1)固化淤泥的流動性隨含水率的增加并非完全呈線性變化。在較高的含水率下，流動度隨著含水率增加呈線性顯著增加；在較低的含水率下，流動度隨含水率增加增幅較緩。

(2)水泥摻量的增加會導致流動性降低，但水泥摻量對流動度的影響主要產(chǎn)生在低摻量時。在水泥摻量較低時，隨著水泥摻量的增加，流動度顯著下降，流動度最大差值為10.9 cm；隨著水泥摻量的不斷增加，流動度變化幅度較緩。

(3)坍落度法也可以描述淤泥流動性，但采用坍落度法測試的數(shù)據(jù)曲線有突變點，而流動度試驗方法所得數(shù)據(jù)曲線更具連續(xù)性，且操作簡易，更能體現(xiàn)淤泥的流動性變化。