生物炭添加對(duì)固化疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀影響研究

宋苗苗 吳振威 曹裕翔

摘? 要：為明確生物炭添加對(duì)固化高含水率疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀的影響，該文對(duì)生物炭改良固化疏浚泥開展了一維壓縮試驗(yàn)和柔性壁滲透試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果，對(duì)固化高含水率疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀隨生物炭摻量的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并分析了生物炭添加引起其壓縮性狀和滲透性狀變化的原因。結(jié)果表明，生物炭添加將引起固化高含水率疏浚泥壓縮性和滲透系數(shù)的減小，且減小幅度隨生物炭摻量的增加是變化的。對(duì)于研究所用固化疏浚泥，生物炭摻量以在（5%，15%）范圍內(nèi)為宜。

關(guān)鍵詞：固化疏浚泥 高含水率 生物炭 壓縮性狀 滲透系數(shù)

中圖分類號(hào)：TU44? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1672-3791（2021）11（a）-0000-00

Experimental Study on Compressive-Hydraulic Properties of Biochar-Amended Cemented Dredged Clay

SONG Miaomiao? ?WU Zhenwei? ?CAO Yuxiang

（School of Civil Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng， Jiangsu Province， 224051 China）

Abstract： A series of one-dimensional compression tests and permeability tests were conducted to investigate the biochar effects on the compressive and hydraulic behavior of cemented dredged clay at high water content. The related mechanisms responsible for changes were also discussed. Based on test results， it can be found that the addition of biochar would induce a reduction in the compressibility and permeability coefficient for cement-treated dredged clay. Meanwhile， the decrease is affected by the biochar content. For cemented dredged clay used in this research， the appropriate biochar is in the range of （5%， 15%）.

Key Words： Cemented dredged clay; High water content; Biochar; Compression behavior; Permeability coefficient

為改善港口、河道、湖泊等的水質(zhì)、通航能力等，我國每年都要對(duì)其進(jìn)行大規(guī)模的疏浚清淤，從而產(chǎn)生大量的高含水率疏浚淤泥[1-2]。此外，人工島修筑、港口建設(shè)等工程也需要進(jìn)行大量的海底清淤。疏浚泥通常呈流動(dòng)狀態(tài)，具有含水率高、壓縮性大、強(qiáng)度非常低的特點(diǎn)，故一般作為廢棄物進(jìn)行處理。常用的吹填和拋泥兩種方法，不僅需占用大量土地，還易污染周邊環(huán)境。而疏浚泥的固化資源化利用，不僅可解決疏浚泥棄置占用大量土地、污染環(huán)境的問題，還可變廢為寶為港口建、人工島等修筑提供大量的理想填料[3-4]。國內(nèi)外一些學(xué)者也通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、實(shí)際工程等驗(yàn)證了將固化疏浚泥作為理想填料是可行的[5-6]。

水泥因具有材料來源廣、價(jià)格低廉、性能良好等特點(diǎn)，成為目前實(shí)際工程中最常用的固化劑。但在環(huán)境保護(hù)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的背景下，水泥、石灰等在生產(chǎn)和使用過程中存在明顯的缺陷，如水泥生產(chǎn)過程排放大量的CO2、粉塵、NOx等有害物質(zhì)，且在生產(chǎn)水泥需消耗大量的能源和自然資源。此外，水泥處理易造成固化疏浚泥堿性的增加和生態(tài)性的降低。因此，積極研發(fā)綠色低碳、環(huán)境友好的疏浚泥改良劑，以及疏浚泥生態(tài)改良和加固技術(shù)具有十分重要的意義。

另一方面，生物炭作為一種新型環(huán)境功能型材料，具有比表面積大、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[7]。近年來在土壤改良、污染土修復(fù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。如陳凌源等人[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加可顯著提高土體對(duì)銅的阻滯能力;李伸鑫等人[9]對(duì)不同生物炭摻量的固化疏浚開展一系列的無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果指出生物炭的添加將引起固化疏浚泥強(qiáng)度的增加。由此可見，將生物炭用于固化疏浚泥的改良不僅可改善其強(qiáng)度性狀，同時(shí)還有利于降低水泥的用量，以及我國碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的如期實(shí)現(xiàn)。

該文以含生物炭的固化疏浚泥為對(duì)象，開展了一系列的一維壓縮試驗(yàn)和柔性壁滲透試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果，分析了固化疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀隨生物炭摻量增加的變化規(guī)律，并探討了生物炭添加引起固化疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀變化的原因。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用疏浚泥取自安徽省蚌埠市某疏浚泥堆場，由液塑限聯(lián)合測定法測得其液限和塑限分別為58%和27%。土體比重由比重瓶法測定，其值為2.7。采用密度計(jì)法測定土中的黏粒含量為62%。前述試驗(yàn)均根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）進(jìn)行操作。

試驗(yàn)所用水泥購自鹽城阜寧佳寧水泥有限公司，為P. O. 42.5普通硅酸鹽水泥，其基本性質(zhì)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，水泥的初凝時(shí)間為155 min，終凝時(shí)間為220 min。故后續(xù)制備試驗(yàn)所用試樣時(shí)，應(yīng)不超過水泥的初凝時(shí)間，以防止水泥凝固影響制樣。

試驗(yàn)前，首先將購買的黑色柱狀椰殼生物炭放入粉碎機(jī)內(nèi)粉碎;之后，再將粉碎后的生物炭顆粒過篩，從而得到試用所用的生物炭顆粒，其粒徑在（0.6 mm，1 mm）范圍變化。

1.2 試驗(yàn)方案

該研究將采用3倍液限（176%）作為疏浚泥的初始含水率。試驗(yàn)時(shí)，首先將現(xiàn)場取回的疏浚泥攪拌均勻并測定含水率;其次，根據(jù)疏浚泥的初始含水率、生物炭摻量（0，5%，10%和15%）和水泥摻量（15%），計(jì)算需外加水、水泥以及生物炭的質(zhì)量。其中，水泥摻量為水泥質(zhì)量占干土質(zhì)量的百分比，生物炭摻量為生物炭質(zhì)量占干土質(zhì)量的百分比;最后，將需外加的水加入疏浚泥中，攪拌均勻后再依次加入水泥和生物炭，并將“疏浚泥+水泥+生物炭”混合物快速攪拌均勻，以避免混合物發(fā)生硬化，影響后續(xù)制樣。試驗(yàn)所用壓縮試樣和滲透試樣的具體制備方法詳見白傳貞等的研究[10]，故在此不再贅述。

壓縮試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)所用固化疏浚泥試樣養(yǎng)護(hù)齡期為28天。壓縮試驗(yàn)時(shí)，按照1：1的加載比由12.5 kPa依次加載到1 600 kPa。和壓縮試驗(yàn)不同，柔性壁滲透試驗(yàn)開始前，需先在真空飽和缸內(nèi)對(duì)試樣進(jìn)行飽和，之后再進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

圖1為不同生物炭摻量下固化疏浚泥的εv – lgP壓縮曲線，圖中圖例為試樣中的生物炭摻量。由圖可知，當(dāng)豎向壓力較小時(shí)，固化疏浚泥的微觀結(jié)構(gòu)未遭到破壞，故相同豎向壓力下不同生物炭摻量試樣間的體應(yīng)變差別較小。而隨著豎向壓力的進(jìn)一步增加，相同豎向壓力下固化疏浚泥試樣的體應(yīng)變隨生物炭摻量的增加而逐漸減小。這可能是由于生物炭顆粒具有較大的比表面積，有利于固化土顆粒吸附在其表面，形成大的團(tuán)聚體。宏觀表現(xiàn)為土孔隙體積的減小。另外，由于生物炭顆粒本身具有較高的強(qiáng)度，可抵抗一定的外部荷載。二者共同作用，提高了含生物炭固化疏浚泥試樣抵抗豎向壓力的能力。需要注意的是，當(dāng)生物炭摻量達(dá)到15%后，繼續(xù)增加生物炭摻量對(duì)土體壓縮性的影響較小。

由于結(jié)構(gòu)性對(duì)固化疏浚泥的壓縮性狀具有重要的影響，因此有必要明確生物炭添加對(duì)固化疏浚泥結(jié)構(gòu)性的影響。圖2為試驗(yàn)所用固化疏浚泥試樣屈服應(yīng)力Py隨生物炭摻量的變化規(guī)律。其中，固化疏浚泥的屈服應(yīng)力采用Casagrande法確定。當(dāng)生物炭摻量較?。?%）時(shí)，生物炭的添加基本不引起固化疏浚泥屈服應(yīng)力的變化。隨著生物炭摻量進(jìn)一步增加到15%后，固化疏浚泥的屈服應(yīng)力也由235 kPa增加為380 kPa。之后，生物炭摻量的進(jìn)一步增加（20%），固化疏浚泥的屈服應(yīng)力基本保持不變。綜上可知，采用生物炭改善固化疏浚泥的壓縮性狀時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)的生物炭摻量范圍。對(duì)于該文研究所用固化疏浚泥，生物炭摻量以大于5%且不超過15%為宜。

根據(jù)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)所用固化疏浚泥試樣的屈服應(yīng)力基本都大于200 kPa，故柔性壁滲透試驗(yàn)的圍壓和滲透壓分為設(shè)置為250 kPa和100 kPa。通過記錄滲透試驗(yàn)進(jìn)行不同時(shí)間的出水量Q，再由公式（1）計(jì)算獲得固化疏浚泥的滲透系數(shù)k。

k=QL/tAh? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：L為滲流長度，等于固化疏浚泥試樣的高度（cm）;A為固化疏浚泥試樣的橫截面面積（cm2）;h為滲透試驗(yàn)采用的水頭差（cm）;t為滲透時(shí)間（s）;Q為t時(shí)間段內(nèi)的出水量（cm3）。

表1為養(yǎng)護(hù)28 d固化疏浚泥的滲透系數(shù)。由表可知，和不含生物炭的固化疏浚泥相比，生物炭的添加整體上將引起固化疏浚泥滲透系數(shù)的減小，但減小幅度隨生物炭摻量的增加是變化的。當(dāng)生物炭摻量不超過15%時(shí)，生物炭顆粒散布在固化疏浚泥試樣中，且其表面被固化疏浚泥顆粒覆蓋，形成不透水層，從而減少了試樣中水的滲透路徑，故將出現(xiàn)固化疏浚泥滲透系數(shù)的小幅度減小。而當(dāng)生物炭摻量進(jìn)一步增加到20%后，生物炭顆粒相互間搭接形成土骨架，由于其表明不透水，故將大幅度增加試樣中滲流路徑的長度，并減少試樣中的滲流路徑，故宏觀表現(xiàn)為試樣滲透系數(shù)的大幅度減小。

3 結(jié)論

對(duì)不同生物炭摻量的固化高含水率疏浚泥開展一維壓縮試驗(yàn)和柔性壁滲透試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果研究了生物炭添加對(duì)固化高含水率疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀的影響，得到以下結(jié)論。

（1）當(dāng)豎向壓力較小時(shí)，生物炭添加對(duì)固化疏浚泥的壓縮性狀影響較小。生物炭添加對(duì)固化疏浚泥壓縮性狀的影響主要發(fā)生豎向壓力較大時(shí)。

（2）隨著生物炭摻量的增加，固化疏浚泥的屈服應(yīng)力呈先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢。對(duì)于該文研究所用固化疏浚泥，生物炭摻量以大于5%且不超過15%為宜。

（3）生物炭的添加使固化疏浚泥中的滲流路徑減少，從而引起固化疏浚泥滲透系數(shù)的減小。但整體而言，生物炭添加引起固化疏浚泥滲透系數(shù)的減小幅度較小。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱偉，閔凡路，呂一彥，等.“泥科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)”的提出及研究進(jìn)展[J].巖土力學(xué)，2013，34（11）：3041-3054.

[2] 李明東，潘耀森，郎鈔棚，等.真空預(yù)壓法處理吹填超軟地基10 a進(jìn)展及展望[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（1）：15-22.

[3] 尚金瑞，楊俊杰，孟慶洲，等.圍海造陸填土技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，45（6）：100-107.

[4] 武冬青，董志良，徐文雨.化學(xué)-物理復(fù)合法在海底淤泥填海造地工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（9）：1779-1784.

[5] 張福海，陳慶，張曉陽，等.海砂-海泥混合料作為海堤填料的可行性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2017，39（S1）：182-186.

[6] 章榮軍，于同生，鄭俊.材料參數(shù)空間變異性對(duì)水泥固化淤泥填筑路堤穩(wěn)定性影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（11）：2078-2086.

[7] 李金文，顧凱，唐朝生，等.生物炭對(duì)土體物理化學(xué)性質(zhì)影響的研究進(jìn)展[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2018，52（1）：192-206.

[8] 陳凌源，何海霞，鄢心雨，等.炭負(fù)載膨潤土對(duì)河岸土銅遷移的影響模擬[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2021，33（5）：68-71.

[9] 李伸鑫，吳發(fā)紅，吉鋒，等.基于生物炭改良的水泥固化土強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2021，34（2）：1-5.

[10] 白傳貞，吉鋒，徐桂中，等.聚丙烯纖維對(duì)固化工程廢漿壓縮性能和滲透性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào)，2021，40（9）：3039-3045.

基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《鹽分侵蝕下水泥固化疏浚泥力學(xué)性狀劣化研究》（項(xiàng)目編號(hào)：202110305022Z）。

作者簡介：宋苗苗（1987—），女，博士，講師，研究方向?yàn)槭杩Ｄ嗟靥幹眉百Y源化利用。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2111-5042-8527