低摻量水泥固化海泥的強度與應變特性研究

邊曉亞，程宇熙

武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074

隨著我國港口、海灣等近海工程的建設和湖泊、河岸的淤泥清理，以及圍海墾地和對城市地表地下工程的開發(fā)利用，在進行作業(yè)的過程中產(chǎn)生大量疏浚淤泥［1］。給沿海地區(qū)帶來了巨大的環(huán)境問題和經(jīng)濟壓力［2］。而為解決上述問題，日本工程界發(fā)明了一種新的圍海墾地工作模式，即將原狀海泥、水與低劑量固化劑（水泥等）混合形成水泥固化流塑態(tài)填料并通過泵送管道直接澆注到墾地區(qū)域，待海泥-水-固化劑混合物硬化后，便形成了滿足一定工程力學指標的建筑場地。

本文以上述海泥-水-固化劑混合硬化技術中的低摻量水泥固化高含水率黏土（high water content clay stabilized by low cement content，HWCSC）為研究對象。大量學者已經(jīng)對水泥固化土的強度影響因素及強度特性進行了研究，吳燕開等［3］得出了固化土在不同離子濃度的海水和蒸餾水養(yǎng)護條件下無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律。曾智等［4］研究了上海黏土水泥固化土的強度與養(yǎng)護時間（t）、水 泥 質(zhì) 量 分 數(shù)（wc）之 間 的 關 系。Pongsivasathi 等［5］通過進行無側(cè)限抗壓強度（qu）試驗、加州浸水承載比試驗，研究了水泥質(zhì)量分數(shù)對水泥土強度的影響。袁飛飛［6］提出了淤泥固化土的比重、密度、含水率（ww）的歸一化公式以及孔隙比的預測公式，并定量地劃分了摻入比的高低界限。Lee 等［7］以水灰比和土灰比為控制參數(shù)，提出了一個修正的冪函數(shù)形式經(jīng)驗公式來預測水泥土的強度。Kim 等［8］認為水灰比是影響水泥穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強度、彈性模量和破壞應變的主要因素。Marzano 等［9］通過室內(nèi)試驗初步證實了養(yǎng)護溫度越高，早期強度就越高，極限強度也越高。王臻華等［10］提出碳酸氫鈉能維持水泥固化淤泥的堿性環(huán)境，能夠有效提高水泥固化淤泥的強度。朱劍鋒等［11］發(fā)現(xiàn)TZ18 固化土生成的水化產(chǎn)物更多，顆粒之間的聯(lián)結(jié)更強，微觀結(jié)構特性更穩(wěn)定。鄭少輝等［12］研究了不同水灰比的水泥固化黏土的強度特性。賈堅［13］發(fā)現(xiàn)綜合含水率是影響水泥固化土固化效果的關鍵因素。張春雷等［14］認為初始含水率對水泥固化淤泥的強度、應力-應變曲線和黏聚力均有顯著影響。

相較于傳統(tǒng)水泥固化黏土，HW-CSC 因為含水率高而且水泥質(zhì)量分數(shù)較少，其強度和變形特性具有自身特殊性，因此，HW-CSC 的強度和極限應變及其影響因素還有待進行深入研究。本文基于室內(nèi)試驗，考慮水泥質(zhì)量分數(shù)、含水率和養(yǎng)護齡期等因素對于HW-CSC 試樣強度和極限應變的影響，并給出容許極限應變的建議范圍，為實際工程中HW-CSC 的應用提供參考。

1 土樣性質(zhì)及試驗方法

1.1 材料性質(zhì)

土樣取自溫州地區(qū)淺海區(qū)域上層的海泥，其物理力學性質(zhì)指標見表1。水泥采用工程上常用的早強復合硅酸鹽水泥，即P·C 32.5R 水泥。

1.2 試驗方法

為了研究HW-CSC 應力-應變關系規(guī)律，考慮水泥質(zhì)量分數(shù)和含水率兩個重要因素，在不同養(yǎng)護齡期條件下進行試驗，水泥質(zhì)量分數(shù)設置為12%、14%、16% 和18% 等4 種 情 況，含 水 率 取100%、125%、150%和175%，養(yǎng)護齡期取14、28、49、70 和126 d，即共制作出80 組不同配合比的試樣，對每個試樣進行無側(cè)限抗壓試驗，制備試樣的主要步驟如下：

1）制備試驗所需模具，模具用PVC 管替代，模具的高為80 mm，內(nèi)徑為36 mm，外徑為40 mm；

2）按照上述所示的配合比分布范圍及海泥的天然含水率計算出所需水泥和水的質(zhì)量；

3）將計算確定的水和水泥依次加入海泥中，倒入攪拌器攪拌2～3 min，然后用刮刀將攪拌缽底部和缽壁周圍的混合料鏟起，人工攪拌1～2 min，再使用攪拌器攪拌2～3 min，充分攪拌；

4）將攪拌好的混合料分層填入模具中，每一層經(jīng)過人工振動排出氣泡后再填入下一層，直至將模具裝滿，再用刮土刀將模具表面刮平。試樣裝進模具前應先在其內(nèi)壁涂抹一層凡士林，以便于后期試樣脫模；

5）將制作好的試樣裝入密封袋中，并置于充滿水的水桶中，將桶放在陰涼［溫度（20±3）℃，濕度＞80%］的實驗室里進行養(yǎng)護，養(yǎng)護至設計齡期后進行脫模；

6）試樣脫模后，將試樣的兩側(cè)用削土刀削平，然后進行UCT 試驗，操作過程嚴格按照規(guī)范JIS A 1216：2009（JGS 2009）執(zhí)行［15］。

表1 試驗所用海泥的物理力學性質(zhì)指標Tab.1 Physical and mechanical properties of sea mud used in experiments

2 影響HW-CSC 試樣強度的因素

通過室內(nèi)試驗測出上述試驗的無側(cè)限抗壓強度，分析上述80 組不同配合比的HW-CSC 試樣數(shù)據(jù)（共240 個HW-CSC 試樣），考察水泥質(zhì)量分數(shù)分別為12%、14%、16%和18%條件下HW-CSC 無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律。

2.1 水泥質(zhì)量分數(shù)對試樣強度的影響

考察養(yǎng)護齡期分別為14、28、49、70 和126 d 情況下，不同含水率條件下HW-CSC 無側(cè)限抗壓強度隨水泥質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律。圖1（a）給出了養(yǎng)護齡期為14 d 情況下，不同含水率條件下HWCSC 強度隨水泥質(zhì)量分數(shù)的變化情況。

綜合考慮14、28、49、70 和126 d 養(yǎng)護齡期及不同含水率條件下HW-CSC 無側(cè)限抗壓強度隨水泥質(zhì)量分數(shù)變化的情況，可作如下分析：

1）當含水率為100%時，相同齡期下當水泥質(zhì)量分數(shù)在12%～16%時，HW-CSC 的無側(cè)限抗壓強度均隨水泥質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，而當水泥質(zhì)量分數(shù)在16%～18%時，水泥質(zhì)量分數(shù)的增加使試樣強度增長速率有減緩的趨勢。分析其原因：對含水率為100%的HW-CSC，當水泥質(zhì)量分數(shù)在16%～18%時，水-水泥-海泥已經(jīng)充分反應，繼續(xù)增加水泥質(zhì)量分數(shù)對HW-CSC 的強度提升作用不大。因此，對含水率為100%的HW-CSC 存在一個最佳水泥摻入量范圍——水泥質(zhì)量分數(shù)：16%～18%。

2）含 水 率 在125%～175% 的HW-CSC 試 樣，HW-CSC 的無側(cè)限抗壓強度均隨水泥質(zhì)量分數(shù)的增加而穩(wěn)定增長，且增長速率都較為平緩；但是少數(shù)HW-CSC 試樣的無側(cè)限抗壓強度增長規(guī)律出現(xiàn)反常，如含水率為125%的HW-CSC 無側(cè)限抗壓強度隨水泥質(zhì)量分數(shù)的增加而降低。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是含水率的增加使海泥質(zhì)量相對減少，水-水泥-海泥攪拌不均使HW-CSC 的空間變異性增大。

3）含水率為100%的試樣的強度為100～600 kPa，而含水率為125%～175%的試樣強度為0～250 kPa，因此摻入水泥的質(zhì)量分數(shù)為12%～18%對含水率在125%～175%的HW-CSC 試樣強度提升并不明顯，因此若要進一步提高高含水率（含水率≥125%）水泥固化黏土的強度，需要繼續(xù)適當增大水泥質(zhì)量分數(shù)，可以增加到25%左右。

圖1 影響HW-CSC 試樣強度的因素：（a）水泥質(zhì)量分數(shù)（t=14 d），（b）含水率（wc=12%），（c）養(yǎng)護齡期（wc=12%）Fig.1 Factors affecting on strengths of HW-CSC samples：（a）cement mass fraction（t=14 d），（b）water content（wc=12%），（c）curing age（wc=12%）

2.2 含水率對試樣強度的影響

考察水泥質(zhì)量分數(shù)分別為12%、14%、16%和18%情況下，不同齡期條件下HW-CSC 無側(cè)限抗壓強度隨含水率的變化規(guī)律。圖1（b）給出了水泥質(zhì)量分數(shù)為12%情況下，不同齡期HW-CSC 無側(cè)限抗壓強度隨含水率的變化情況。

綜合考慮水泥質(zhì)量分數(shù)在12%、14%、16%和18%的情況下不同齡期時強度隨著含水率的變化規(guī)律，可以得出：在相同的水泥質(zhì)量分數(shù)下，不同齡期HW-CSC 的強度均隨含水率的增加而降低，而含水率從100%增長至125%過程中，HW-CSC的強度下降較快；而含水率在150%～175%之間時，HW-CSC 的強度下降速率變慢，且當水泥質(zhì)量分數(shù)較低時，強度下降速率變慢的就越明顯；含水率在150%～175%之間時，各齡期下HW-CSC 的強度隨含水率的增加變化量很小，趨于平緩。

2.3 養(yǎng)護齡期對試樣強度的影響

考察水泥質(zhì)量分數(shù)分別為12%、14%、16%和18%情況下，HW-CSC 試樣的無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律。圖1（c）給出了在水泥質(zhì)量分數(shù)為12%條件下，HW-CSC 無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化情況。

綜合分析4 種水泥質(zhì)量分數(shù)的情況下試樣的無側(cè)限抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律，可以得出在相同的水泥質(zhì)量分數(shù)條件下，隨養(yǎng)護齡期的增長，HW-CSC 的無側(cè)限抗壓強度出現(xiàn)先增長后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)了下降的情況。而齡期為70 d為HW-CSC 無側(cè)限抗壓強度變化的轉(zhuǎn)折點：70 d前，強度隨齡期增加而增長，而且增長的速率較快；70 d 后，強度隨齡期增長速率較慢并且趨于穩(wěn)定，部分配合比試樣的強度隨齡期增長略微減小。因此，HW-CSC 的最佳養(yǎng)護齡期為70 d。

3 影響HW-CSC試樣極限應變的因素

3.1 容許極限應變定義

每組數(shù)據(jù)中出現(xiàn)極限應力時對應的應變值即為極限應變，在實際工程中，需確保地基及基礎有足夠的整體穩(wěn)定性。為防止地基發(fā)生失穩(wěn)破壞，規(guī)定了地基容許極限應變，容許極限應變的計算方法見式（1）。

其中：εf為極限應變；K 為安全系數(shù)（安全系數(shù)設為2.0）；［ε］為容許極限應變。

以各影響因素為橫坐標，極限應變值為縱坐標，繪制折線圖和散點圖，通過折線圖的起伏狀況和散點圖離散程度直觀地分析各影響因素對HWCSC 極限應變的影響，總結(jié)出HW-CSC 極限應變的標準區(qū)間，相應地得到容許極限應變的區(qū)間。

3.2 試樣應變總體分布情況

針對前文引用的80 組壓縮數(shù)據(jù)，將其繪制成散點圖，其概率分布情況見圖2（a）。

由圖2（a）可知，試樣的極限應變值大多分布于0.8%～2.5%之間，由式（1）可得容許極限應變值分布于0.40%～1.25%之間。

利用統(tǒng)計分析軟件對HW-CSC 試樣極限應變數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，得到HW-CSC 試樣極限應變的頻率分布直方圖，如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，極限應變值集中分布于1.0%～2.5%之間，由式（1）可得HW-CSC 容許極限應變分布區(qū)間為0.50%～1.25%。

圖2 HW-CSC 試樣：（a）極限應變散點圖，（b）極限應變分布頻率直方圖Fig.2 HW-CSC samples：（a）scatter plot of ultimate strain，（b）frequency histogram of ultimate strain

3.3 水泥質(zhì)量分數(shù)對極限應變的影響

考察養(yǎng)護齡期分別為14、28、49、70 和126 d 情況下，不同水泥質(zhì)量分數(shù)條件下HW-CSC 極限應變數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。圖3（a）給出了在養(yǎng)護齡期為14 d 的情況下，HW-CSC 極限應變隨水泥質(zhì)量分數(shù)的變化情況。

綜合分析了齡期為14、28、49、70 和126 d 情況下試樣的極限應變隨水泥質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律，可以分析得出：在相同養(yǎng)護齡期下，水泥質(zhì)量分數(shù)為12%時HW-CSC 極限應變普遍最小，隨著水泥質(zhì)量分數(shù)的增加，HW-CSC 極限應變相應增大，當水泥質(zhì)量分數(shù)達到18%時，HW-CSC極限應變最大。

3.4 含水率對極限應變的影響

考察養(yǎng)護齡期分別為14、28、49、70、126 d 情況下，不同含水率對HW-CSC 極限應變的影響，圖3（b）給出了在養(yǎng)護齡期為28 d 的情況下，HW-CSC 極限應變隨含水率的變化情況。

綜合考慮了5 種齡期下試樣的極限應變隨含水率的變化規(guī)律，可以分析得出：在相同養(yǎng)護齡期下，含水率為100%時HW-CSC 極限應變較大，HW-CSC 極限應變隨含水率的增加而減小，當含水率達到175%時，HW-CSC 極限應變最小。

圖3 影響HW-CSC 試樣極限應變的因素：（a）水泥質(zhì)量分數(shù)（t=14 d），（b）含水率（t=28 d），（c）養(yǎng)護齡期（t=49 d）Fig.3 Effect of factors on ultimate strain of HW-CSC samples：（a）cement mass fraction（t=14 d），（b）water content（t=28 d），（c）curing age（t=49 d）

3.5 養(yǎng)護齡期對極限應變的影響

為了研究養(yǎng)護齡期對HW-CSC 極限應變的影響規(guī)律，利用實驗數(shù)據(jù)，繪制出散點分布圖，考察14、28、49、70、和126 d 養(yǎng)護齡期下極限應變的分布規(guī)律，圖3（c）給出了在養(yǎng)護齡期為49 d 的情況下，極限應變的散點分布圖。

綜合分析5 種齡期下試樣的極限應變散點分布圖可以得出：

養(yǎng)護齡期為14 d 和28 d 時HW-CSC 極限應變主要分布于0.40%～1.15%之間，養(yǎng)護49 d 時極限應變分布于0.4%～1.0% 之間，養(yǎng)護70 d 后HWCSC 極限應變主要分布于0.65%～1.20%之間，養(yǎng)護126 d 后極限應變主要分布于0.70%～1.15%之間。因此可以看出，HW-CSC 試樣的極限應變離散程度隨著養(yǎng)護齡期的增加而逐漸減小。

4 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)試驗結(jié)果，分析了水泥質(zhì)量分數(shù)、含水率和養(yǎng)護齡期對HW-CSC 強度的影響，討論了試樣極限應變及容許極限應變的取值范圍和水泥質(zhì)量分數(shù)、含水率和養(yǎng)護齡期對HW-CSC 極限應變的影響。

1）水泥質(zhì)量分數(shù)、含水率、養(yǎng)護齡期都對HWCSC 強度有顯著的影響：HW-CSC 試樣強度隨水泥質(zhì)量分數(shù)的增大而增大；隨含水率的增加而減小，但減小的速率逐漸變慢；隨養(yǎng)護齡期的增大而增大，但增加的速率為先慢后快，最終趨于穩(wěn)定，約70 d 齡期時達到峰值。

2）對于含水率為100%的試樣，存在一個最佳的水泥質(zhì)量分數(shù)（16%～18%）。而對于含水率大于等于125%的試樣，水泥質(zhì)量分數(shù)在12%～18%之間并不能有效地增大其固化強度，因此，應該進一步增大水泥質(zhì)量分數(shù)以促進其固化強度。

3）養(yǎng)護齡期對于HW-CSC 試樣強度的影響表現(xiàn)出3 個階段：從14 d 到28 d 為緩慢增長階段，從28 d 到70 d 為快速 增長階段，從70 d 到126 d 為穩(wěn)定階段，因此，在實際工程中，建議將70 d 作為HW-CSC 最佳的養(yǎng)護齡期。

4）HW-CSC 極限應變隨水泥質(zhì)量分數(shù)的增加而增大，隨含水率的增加而減小，隨養(yǎng)護齡期的增加而趨于集中。

5）HW-CSC 的極限應變ε 主要集中在1.0%～2.5%范圍內(nèi)，安全系數(shù)為2.0 的容許極限應變［ε］在0.50%～1.25%之間，而延長養(yǎng)護齡期有利于降低HW-CSC 極限應變的離散性。