復(fù)合型淤泥固化劑固化性能與力學(xué)性能表征

曹巢鋒 孫曉龍

(1.中鐵四局集團建筑工程有限公司，安徽 合肥 230022；2.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

淤泥作為不良土，其具有較高的含水量和鹽分含量，同時有機質(zhì)成分含量高，導(dǎo)致其自身強度與工程性極差，無法作為填筑材料應(yīng)用于路基填筑施工中。在實際施工過程中，由于淤泥自身特點，往往需要對路基中存在的淤泥進行挖除，然后采用優(yōu)質(zhì)填土進行回填后才可保證路基的整體強度及穩(wěn)定性，而在淤泥開挖過程中會占用大量的施工場地或耕地，而且較高含量的有機質(zhì)還會釋放出刺激性氣體，對于周圍環(huán)境具有不良影響。因此，淤泥的處置和利用就成為我國交通行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的難題之一[1-2]?，F(xiàn)有針對淤泥資源化利用多采用固化劑進行現(xiàn)場處理，通過固化劑的膠凝特性改善淤泥材料的力學(xué)和工程特性，從而滿足路基填筑的相關(guān)要求，對于淤泥的合理與環(huán)保處置至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域針對淤泥固化的研究較多，多集中于淤泥和軟土相關(guān)固化劑固化效果的研究，而且研究基本在室內(nèi)試驗條件下開展，雖然取得了對于淤泥質(zhì)土良好的固化效果，但仍存在固化劑摻量較大、固化效果不穩(wěn)定、固化劑成分存在污染與固化后含水量過大等諸多問題，在實際工程應(yīng)用中無法得到良好的應(yīng)用，高含水量和高有機質(zhì)含量在一定程度上削弱了固化劑的淤泥固化效果。同時，現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范缺少對于淤泥質(zhì)土固化處理工藝和施工要點要求，施工控制指標(biāo)也尚未涉及，相關(guān)規(guī)定僅限于換填、拋石擠淤、超載預(yù)壓與反壓護道等處治方法，而且并未給出高含水量淤泥質(zhì)土的固化施工標(biāo)準及相應(yīng)的施工質(zhì)量控制指標(biāo)，在一定程度上延緩了淤泥質(zhì)土的資源化利用及綠色處置的發(fā)展。

國內(nèi)外研究人員和學(xué)者針對淤泥質(zhì)土的處置和資源化利用展開了一定的研究。如，河海大學(xué)朱偉[3]將疏浚淤泥作為研究對象，采用固化的方式將淤泥制備成為土工材料，并對制備的固化土工材料的各項性能進行了測試，最終提出了經(jīng)濟合理的疏浚淤泥處置工藝，為實體工程應(yīng)用提供了相關(guān)參考依據(jù)。寧波大學(xué)林安珍[4]借助力學(xué)性能試驗、溶出試驗和微細觀表征，明確了固化劑對于疏浚淤泥的作用機制和影響規(guī)律，確定了疏浚淤泥作為路基填出材料的可行性。姬鳳玲[5]采用淤泥固化劑制備含有不同摻量固化劑的固化淤泥試件，分析固化劑摻量對于淤泥無側(cè)限抗壓強度等力學(xué)指標(biāo)的影響規(guī)律，并對淤泥固化和強度的產(chǎn)生機制進行了探討。梁靜[6]、朱偉和相關(guān)人員[7]深入研究了養(yǎng)護齡期和摻配比例對于水泥固化淤泥強度與力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，提出了相關(guān)了淤泥質(zhì)土處置方案和施工要點。范公俊[8]確定了淤泥質(zhì)土固化后的試件體積參數(shù)與含水率的相關(guān)關(guān)系，并給出了相關(guān)計算方法和預(yù)測指標(biāo)。梁松[9]提出了不同類型淤泥質(zhì)土固化后的強度預(yù)測公式，確定了預(yù)測公式中不同因素的相關(guān)關(guān)系，并通過28d強度對90d強度做出了合理的預(yù)測。范昭平[10]和焦志斌[11]分別與各自的研究人員通過對不同有機物含量的固化試驗揭示了有機質(zhì)含量對淤泥固化的效果影響的規(guī)律，并提出了對于高有機質(zhì)淤泥采用水泥-石膏進行固化的方法。劉振杰與相關(guān)研究人員[12]對比分析了泥灰漿液混合吹填的沉積土與攪拌混合土之間的強度及力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)吹填混合土具備更優(yōu)的強度和力學(xué)性質(zhì)，工程應(yīng)用價值更高。李志威、朱書景[13]和周旻分別與各自的研究人員[14]針對新型淤泥固化劑的應(yīng)用開展了相應(yīng)研究，并將固化淤泥成功應(yīng)用于工程建設(shè)?，F(xiàn)有研究已取得了相應(yīng)的研究成果，但固化材料的相關(guān)效果存在較大差異，而且效果穩(wěn)定性不良，因此，亟需研發(fā)固化效果穩(wěn)定、力學(xué)性能改善效果優(yōu)良的淤泥固化材料，從而滿足淤泥資源化利用的實際需求。

因此，在以往研究的基礎(chǔ)上，本文優(yōu)選新型固化改性材料，制備不同類型復(fù)合固化淤泥試件，通過擊實試驗確定復(fù)合固化淤泥的最佳含水量和最大干密度，基于無側(cè)限抗壓強度試驗、抗壓回彈模量試驗與CBR試驗，評價復(fù)合固化淤泥材料的力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上，借助透射電鏡試驗表征固化淤泥的微觀結(jié)構(gòu)與形貌，為新型復(fù)合淤泥固化劑的應(yīng)用和推廣提供了科學(xué)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

1.1.1 固化添加劑

為了降低淤泥的含水率和有機質(zhì)含量，采用甲基纖維素和蛭石粉進行復(fù)配制備復(fù)合固化劑(質(zhì)量比3∶1)，在淤泥中的摻加量約為淤泥質(zhì)量的1%～4%。蛭石粉細度為100目(約0.15mm)。甲基纖維素技術(shù)性能和蛭石粉的化學(xué)組成如表1和表2所示。

表1 甲基纖維素技術(shù)性能指標(biāo)

表2 蛭石粉化學(xué)組成

1.1.2 水泥

采用普通硅酸鹽水泥作為淤泥固化的強度補充材料，標(biāo)號為C425，3d和28d的抗壓強度分別不小于17MPa和42.5MPa，3d和28d抗折強度分別不小于3.5MPa和6.5MPa。所用普通硅酸鹽水泥初凝時間不得早于45min，終凝時間不得遲于10h。水泥摻加量約為淤泥質(zhì)量的8%。

1.1.3 淤泥

淤泥初始含水率過高，界限含水率偏大，無法直接應(yīng)用于工程實際，需采取相應(yīng)的降水處治措施。同時，淤泥中含有的部分化學(xué)鹽類會對固化劑產(chǎn)生腐蝕作用，嚴重固化材料的淤泥固化效果。基于此，本文針對所取用的淤泥材料進行測試，主要獲取技術(shù)指標(biāo)如表3和表4所示。

表3 淤泥技術(shù)性能指標(biāo)

表4 淤泥含鹽量/(mmol/kg)指標(biāo)

1.2 試驗方法

1.2.1 擊實試驗

將施工現(xiàn)場提供的淤泥質(zhì)土進行風(fēng)干處置，待淤泥質(zhì)土風(fēng)干完成后，將其進行粉碎處理成相應(yīng)土顆粒，將粉碎后的土顆粒過篩(5mm)，然后將過篩后的淤泥土裝入潔凈的容器中。在淤泥土顆粒中取一定質(zhì)量試樣，對試樣的含水量進行測試，然后15%～28%等6個含水率制備相應(yīng)的淤泥擊實試件，并采用噴水壺往淤泥土表面均勻撒布預(yù)定的水量，然后攪拌均勻后裝入塑料袋內(nèi)浸潤24h。依照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)，采用重型Ⅱ法進行。

1.2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

在擊實試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，依據(jù)最大干密度推算單個固化淤泥試件的質(zhì)量，取相應(yīng)質(zhì)量的淤泥進行悶料，然后將完成悶料的材料倒入高度和直徑為10cm的試模中，然后將試模放置在萬能壓力機上進行試件制備。采用保鮮膜將制備完成含有不同摻量固化劑的固化淤泥試件進行包裹，然后將包裹好的固化淤泥試件放入標(biāo)準養(yǎng)護箱進行標(biāo)準條件的養(yǎng)護7d和28d，養(yǎng)生完成后對固化淤泥試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗，從而通過無側(cè)限抗壓強度評價固化劑對于淤泥質(zhì)土的實際固化效果。

1.2.3 抗壓回彈模量試驗

借助抗壓回彈模量試驗評價固化后淤泥的力學(xué)性能，從力學(xué)性能角度衡量固化劑的固化功效?？箟夯貜椖Ａ吭囼灢捎媚＞叱叽鐬橹睆?0cm，高度10cm的圓筒狀試模，將固化淤泥制備成相應(yīng)尺寸試件后放入養(yǎng)護箱，在標(biāo)準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護89d，然后進行浸水處理1d，將處理好試件放置于測試設(shè)備上測定其抗壓回彈模量，取抗壓強度的60%～70%作為回彈模量測定時的計算單位壓力，記錄每次加載卸載完成后千分表的讀數(shù)，計算固化淤泥試件的抗壓回彈模量。

1.2.4 微觀形貌分析

為了明確固化劑和淤泥質(zhì)土之間的反應(yīng)機制與微觀形貌，采用透射電鏡(TEM)對不同類型固化淤泥的微觀結(jié)構(gòu)及形貌進行表征，分析淤泥顆粒與固化劑之間的結(jié)合狀況與界面分散狀態(tài)。TEM分析采用JEM-3010高分辨透射電子顯微鏡(TEM)，固化淤泥試樣采用無水乙醇進行分散。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 固化淤泥擊實特性研究

按照15%，18%，20%，23%，25%，28%等含水量制備擊實試驗試樣，采用重型擊實進行擊實試驗。復(fù)合固化劑固化淤泥擊實試驗結(jié)果和對比分析如圖1所示。

根據(jù)圖1中不同復(fù)合固化劑摻量的固化淤泥擊實曲線分析可知，隨著含水量逐漸增加，不同固化劑摻量的固化淤泥干密度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，而最大干密度所對應(yīng)的含水量存在一定差異。

圖1 固化淤泥擊實曲線及對比分析

當(dāng)固化劑摻量為1%和2%，干密度在含水量18%處達到最大值，分別為1.82g/cm3和1.80g/cm3；而當(dāng)固化劑摻量繼續(xù)增大，最大干密度對應(yīng)的含水量也明顯增大，固化劑含量為3%和4%的固化淤泥在含水量20%處取得最大干密度，分別為1.76g/cm3和1.73g/cm3。同時，固化劑摻量的增加還在一定程度上縮小了固化淤泥的最大干密度。由圖2分析可知，在固化劑摻量較低時，降水效果不明顯，最佳含水量提高較小，隨著摻量增加，降水幅度開始增大，但當(dāng)固化劑摻量由3%增加到4%時，降水效果不再明顯。固化劑在摻量較小(3%)的情況下，最佳含水量達到22%，降水效果較為明顯。

圖2 固化淤泥最佳含水量及最大干密度變化規(guī)律

2.2 固化淤泥無側(cè)限抗壓強度研究

固化淤泥試件無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 固化淤泥抗壓強度變化曲線

固化劑摻量從0增加到4%時，淤泥的7d抗壓強度提高了約250%，而28d抗壓強度則相應(yīng)提高了約100%，這表明固化材料的摻入能夠顯著提高固化淤泥的強度。同時復(fù)合固化淤泥的抗壓強度均能滿足規(guī)范的相關(guān)強度要求，可初步確定固化摻加材料的摻量為2%～3%。

2.3 CBR試驗分析

不同壓實度固化淤泥的CBR試驗結(jié)果如圖4。由圖4試驗結(jié)果可知，隨著固化材料摻量的增加，不同壓實度條件下固化淤泥的CBR值逐漸增大；在固化材料摻量較低時，摻量增加對于固化淤泥CBR值的提升速率影響較大，但當(dāng)固化材料摻量超過3%后，CBR值的增長逐漸趨于平緩，同時，壓實度的增大可在一定程度上提高固化淤泥的CBR值?；贑BR試驗結(jié)果，可將固化材料的最佳摻加量定在3%左右。

圖4 固化淤泥CBR試驗結(jié)果

2.4 固化淤泥抗壓回彈模量試驗

固化淤泥抗壓回彈模量試驗結(jié)果如圖5所示。由固化淤泥抗壓回彈模量試驗結(jié)果可知，在摻量較低的情況下，隨固化劑摻量的增加抗壓回彈模量增加明顯，隨后變化逐漸趨于平緩；固化劑摻量從1%增加到2%時，抗壓回彈模量增加了約27%，而當(dāng)固化劑摻量由3%增加到4%時，抗壓回彈模量僅僅增加了約5%，增大速率和幅度顯著降低，這表明固化劑的摻量超過3%后，其對固化淤泥抗壓回彈模量的影響不再明顯。因此，從提高固化淤泥抗壓回彈模量方面考慮，宜將固化材料的摻量定為3%。

圖5 固化淤泥抗壓回彈模量變化曲線

2.5 固化淤泥微觀結(jié)構(gòu)表征

對淤泥和固化淤泥分別進行透射電鏡分析，分析淤泥土的微觀形貌，在不同分辨率條件下淤泥及固化淤泥試件的TEM試驗結(jié)果，如圖6所示。

圖6 風(fēng)干淤泥TEM圖

從圖6中可以看出，淤泥土顆粒形狀不規(guī)則，尺寸大小不一，分散不均勻，并存在明顯的團聚現(xiàn)象。對樣品進一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)淤泥土顆粒的表面形貌紋理不清晰，呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，這表明淤泥土的微觀結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并無規(guī)則的形貌和分界。

從圖7中可以看出，當(dāng)淤泥土與固化材料共混后，固化材料能溝均勻分布于淤泥土顆粒周圍，而分散均勻的固化劑還可將淤泥土顆粒進行包裹，并進一步形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。同時，在固化材料的摻加后，淤泥土顆粒尺寸明顯減小，而且土粒團聚現(xiàn)象明顯減少，這可能由于固化劑吸收了淤泥土中的水分，降低了淤泥土顆粒之間的粘結(jié)力。

圖7 固化淤泥TEM圖

3 結(jié) 語

在固化劑摻量較低時，降水效果不明顯，最佳含水量提高較小，隨著摻量增加，降水幅度開始增大，但當(dāng)固化劑摻量由3%增加到4%時，降水效果不再明顯。

固化材料的摻入能夠顯著提高固化淤泥的強度。同時復(fù)合固化淤泥的抗壓強度均能滿足規(guī)范的相關(guān)強度要求，可初步確定固化摻加材料的摻量為2%～3%。

在固化材料摻量較低時，摻量增加對于固化淤泥CBR值、抗壓回彈模量的提升速率影響較大，但當(dāng)固化材料摻量超過3%后，CBR值和抗壓回彈模量的增長逐漸趨于平緩。

在固化材料的摻加后，淤泥土顆粒尺寸明顯減小，而且土粒團聚現(xiàn)象明顯減少，這可能由于固化劑吸收了淤泥土中的水分，降低了淤泥土顆粒之間的粘結(jié)力。