新型硅鋁基固化劑加固海底淤泥效果及影響因素試驗研究

楊俊釗，張廣鑫，陳偉，蔣云飛

（1.中交天航（大連）浚航工程有限公司，遼寧 大連 116033；2.武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北 武漢 430072）

0 引言

海底淤泥是由沉積作用而形成的一類海洋沉積物，其內部結構多呈絮狀或蜂窩狀，由于其高含水率、高滲透性、高孔隙率和低強度的特點[1]，不能直接用作建筑工程的填筑材料。

通過向海底淤泥中摻入合適的固化劑，可以充分激發(fā)淤泥活性，再經(jīng)過水化、結晶或離子交換等一系列化學反應后得到具有滿足工程特性的固化土[2]。目前淤泥固化劑按照成分組成和反應機理的不同大致可分為4類[3]：一是無機類，該類固化劑多為粉末狀，以水泥、石灰等為主要原料，通過水化反應將淤泥中的自由水轉化為結合水達到固化目的；二是有機類，該類固化劑一般呈液態(tài)，通過離子交換作用改變淤泥的親水特性，再經(jīng)夯實、振動提高密實度；三是生物酶類，該類固化劑屬于蛋白質多酶基產(chǎn)品，利用生物酶素的催化作用和外力擠壓減少孔隙率，從而增加材料強度；四是復合類，該類固化劑由主固化劑和激發(fā)劑組成，可調制不同配合比以針對不同特性的淤泥，達到最佳固化效果。

目前國內對于傳統(tǒng)淤泥固化劑的研究較為普及，包括對水泥[4]、石灰以及對摻入工業(yè)廢渣甚至添加分散劑、膨潤土、苛性鈉、三乙醇胺等外加劑的定量研究，已經(jīng)取得了一定的科研成果[5-8]，而對新型復合固化劑的研發(fā)尚處于起步階段。

本文研究的新型硅鋁基復合固化劑，以某海域海底淤泥和海水為原材料，按照GB/T 50123—2019《土工試驗標準》，制備系列固化土試件，在不同配合比情況下，分析了混合料漿泵送性能和固化土無側限抗壓強度指標的影響因素，以及淤泥液塑性指數(shù)對固化效果的影響規(guī)律；同時對比了其他固化劑的固化效果，并評價了固化土對環(huán)境的影響。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

試驗所用固化劑為自主研發(fā)的JCW軟土固化劑[9]，為保證拌和均勻性，使用前需加水將其調制成固化劑料漿備用。

試驗所用全部原泥取自同一海域海底，屬于低液限有機質淤泥，特性指標隨取樣深度有所變化：含水率 45%～60%、濕密度 1.6～1.75 g/cm3、液限45%～60%、塑限25%～32%、液性指數(shù)0.8～1.1、塑性指數(shù)13～39、有機質含量6.2%～6.5%。

1.2 試驗設備

采用水泥膠砂攪拌機、數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測定儀、有機玻璃筒等試驗設備。

1.3 試驗方法

1.3.1 固化土的制備方法

按一定配合比將固化劑、淤泥和海水調制成具有流動性的固化土樣品（直徑39.1 mm、高度79 mm的圓柱體），取標準試件進行標養(yǎng)，分別在養(yǎng)護齡期為7 d、14 d、28 d、90 d和180 d進行固化土的泵送性能、無側限抗壓強度、不同類型固化產(chǎn)品效果以及固化土的重金屬浸出濃度等幾項試驗指標測試。

1.3.2 固化土的流動度測試方法

試驗采用日本JHS A313—1992標準中流動度指標來表征淤泥固化土的初始流動特性及泵送性能。其測定程序為：將涂有凡士林的有機玻璃筒置于水平玻璃板上，澆入并搗實固化土，垂直提起模具，坍塌體底邊直徑的平均值即為流動度測定值，cm。

2 固化土泵送性能影響因素

2.1 水固比

水固比指固化土混合料漿中水的含量與固體物干料的質量比。試驗在不同固化劑摻量（干態(tài)質量）下分別制備了不同水固比的混合料漿，即時檢測流動度，試驗結果如圖1所示。

圖1 水固比-流動度曲線Fig.1 Curve ofwater-solid ratio and fluidity

由圖1，隨著水固比由0.80上升至1.00，混合料漿流動度平均由8.65 cm提升至9.84 cm，增長幅度為13.8%。通過擬合公式可判定流動度隨水固比的提高呈二次函數(shù)型增長。對于該試驗固化劑，增加水固比能夠顯著提升固化土的泵送性能。

2.2 固化劑摻量

為探究該固化劑摻量對混合料漿泵送性能的影響，考察了在不同水固比下，固化劑摻量由30 kg/m3提升至100 kg/m3過程中混合料漿流動度的變化趨勢，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著固化劑摻量的提高，混合料漿流動度的變化規(guī)律并不明顯。固化劑摻量與流動度之間并無直接的相關關系，宏觀表現(xiàn)為流動度不隨固化劑摻量的增減而變化。

圖2 固化劑摻量-流動度曲線（水固比0.80～1.00）Fig.2 Curve of curing agent dosage and fluidity(Water-solid ratio 0.80-1.00）

3 固化土無側限抗壓強度影響因素

3.1 固化劑摻量

在水固比為 0.80、0.85、0.90、0.95和 1.00的基礎上，分別制備不同固化劑摻量的固化土標準試件，標養(yǎng)28 d后檢測其無側限抗壓強度，選取水固比為0.80的試驗數(shù)據(jù)作為代表得出固化劑摻量-無側限抗壓強度曲線如圖3所示。

圖3 水固比0.80的固化劑摻量-無側限抗壓強度曲線Fig.3 Curve ofcuring agent dosage with water-solid ratio 0.80 and unconfined compressive strength

由圖3可知，隨著固化劑摻量由30 kg/m3逐步提升至100 kg/m3，固化土的28 d無側限抗壓強度呈二次函數(shù)型增長趨勢。強度曲線的變化表明，固化劑摻量是影響固化土無側限抗壓強度的最主要因素，摻量決定了固化土中由水化膠凝物作骨架所形成膠結結構的致密性[10]，宏觀上表現(xiàn)為無側限抗壓強度隨摻量提高而顯著增長。

3.2 水固比

試驗在固化劑摻量為30～100 kg/m3的范圍內，制備不同水固比的標準試件，并于標準條件下養(yǎng)護28 d后檢測無側限抗壓強度。

結果表明，當摻量大于60 kg/m3時，水固比和無側限抗壓強度之間有著顯著的負相關關系，試件無側限抗壓強度隨水固比提高而降低；當摻量小于60 kg/m3時，水固比變化對固化土強度影響較小。固化劑摻量為30 kg/m3和40 kg/m3時，變量之間無相關性，選取固化劑摻量為80 kg/m3的試驗數(shù)據(jù)作為代表得出水固比-無側限抗壓強度曲線如圖4所示。

圖4 固化劑摻量80 kg/m3的水固比-無側限抗壓強度曲線Fig.4 Curve ofwater-solid ratio of80 kg/m3 curing agent and unconfined compressive strength

3.3 養(yǎng)護齡期

伴隨著水化、凝聚、結晶等化學反應的進行，固化土內部逐漸形成致密穩(wěn)定的膠結結構，宏觀表現(xiàn)為固化土的整體強度隨養(yǎng)護齡期增加而不斷增長[11]。在保證泵送性能的前提下，試驗在水固比0.80時分別制備了不同固化劑摻量標準試件，不同齡期抗壓強度如圖5所示。

圖5 養(yǎng)護齡期-無側限抗壓強度曲線Fig.5 Curve ofcuring age and unconfined compressive strength

由圖5可知，當固化劑摻量為30 kg/m3和40 kg/m3，試件強度于28 d基本停止增長；當固化劑摻量為60 kg/m3和80 kg/m3，試件強度于90 d基本停止增長；當固化劑摻量為100 kg/m3，試件的強度在180 d內均有明顯增長，并達到2 266 kPa。這表明固化土的無側限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期增加呈對數(shù)型增長趨勢，并且摻量越高，反應完成所需時間越長，強度增長速率和極限強度也越高。

3.4 原泥塑性指數(shù)

為驗證固化劑對不同性質淤泥的適應性，篩選了不同位置的海底淤泥。在完成原泥液塑限的測定后，試驗以不同淤泥為原料，在固化劑摻量為80 kg/m3和水固比0.80的條件下，檢測固化土不同養(yǎng)護齡期的無側限抗壓強度。

根據(jù)土的塑性指數(shù)IP計算公式：IP=ωL-ωP

式中：IP為塑性指數(shù)；ωL為液限，%；ωP為塑限，%。

繪制出原泥塑性指數(shù)-固化土無側限抗壓強度關系曲線如圖6所示。

圖6 原泥塑性指數(shù)-固化土無側限抗壓強度關系曲線Fig.6 Relation curve between raw mud plasticity index and unconfined compressive strength ofsolidified soil

結合圖6的擬合曲線，得到原泥塑性指數(shù)Ip與固化土7 d、14 d和28 d無側限抗壓強度qu的關系函數(shù)，分別為：y=-0.41x2+31.81x-179.49、y=-0.85x2+58.76x-418.61和y=-0.76x2+57.81x-270.90。通過求導得到各曲線極值點的橫坐標分別為x=38.8、34.6以及38.0，相對應的極值分別為 437.5 kPa、596.9 kPa和 828.4 kPa。

這表明對于摻量80 kg/m3、水固比0.80的淤泥固化土，固化劑對塑性指數(shù)IP大于34.6的海底淤泥固化效果最好，適應性最強。而對于黏土，塑性指數(shù)大說明土的塑性高，表現(xiàn)為土體黏粒含量多、礦物親水性強以及結合水含量大[12]，這些均有利于固化劑通過水化等反應消耗土體顆粒中的水分形成致密、穩(wěn)定的膠結結構，進而形成固化土的整體強度。

4 不同類型固化產(chǎn)品效果對比

試驗另選取市面上常用的固化劑A和B作原料，3種固化劑在摻量65 kg/m3和水固比0.75的配合比下制作標準試件，檢測不同齡期無側限抗壓強度，結果如圖7所示。

圖7 不同固化產(chǎn)品固化效果對比曲線Fig.7 Comparison curves ofcuring effect of different cured products

由圖7可知，在3類固化劑之中，固化劑B屬于早強型，試件的7 d無側限抗壓強度高達317 kPa，但后續(xù)強度增長緩慢甚至停滯，28 d時達到361 kPa；另兩種固化土試件在擁有較高早期強度的同時，后續(xù)增長趨勢顯著，尤其是新型硅鋁基固化劑試件，28 d強度達到469 kPa，較固化劑A和B所成型的同齡期固化土分別高16%和30%。

得到如下結論：在一定配合比和養(yǎng)護條件下，新型硅鋁基固化劑制備的固化土強度增長速率和無側限抗壓強度均高于其他傳統(tǒng)固化產(chǎn)品制備的固化土。

5 環(huán)境友好性

為驗證新型硅鋁基固化劑是否具有良好的環(huán)境友好性，試驗制備了一批固化劑摻量80 kg/m3、水固比為0.80的淤泥固化土，對28 d齡期固化土的重金屬浸出濃度指標進行檢測，結果對照《疏浚物海洋傾倒分類標準和評價程序》[13]中第三類評價標準如表1所示。

表1 28 d齡期固化土重金屬浸出濃度檢測結果Table 1 Testresults ofleaching concentration ofheavy metals in the solidified soilat 28 d

由表1可知，28 d齡期該固化土的重金屬浸出濃度值全部低于檢出限且低于原泥檢測的浸出值，說明新型硅鋁基固化劑的添加未引入新的重金屬污染源，且對原狀淤泥中的重金屬存在一定“穩(wěn)定化”作用，降低了重金屬浸出濃度，從而驗證了其良好的環(huán)境友好性。

6 結語

1）水固比是影響泵送性能的最主要因素，且流動度隨水固比的提高呈二次函數(shù)型增長，固化劑摻量對泵送性能的影響甚微。

2）固化劑摻量是影響該固化土無側限抗壓強度的最主要因素，在相同的制備和養(yǎng)護條件下，固化土的強度隨摻量增加呈二次函數(shù)型增長。

3）在相同水固比和固化劑摻量一定條件下，隨著原泥塑限和液限的提高，不同齡期的固化土無側限抗壓強度隨之增加，該新型硅鋁基固化劑對于高塑限、高液限淤泥的固化效果要優(yōu)于低塑限、低液限淤泥。

4）該新型硅鋁基固化劑的添加并未引入新的重金屬污染源，且能有效降低固化土的重金屬浸出濃度，表明其具有良好的重金屬穩(wěn)定作用和環(huán)境友好性。