灞河河道疏浚底泥固化力學(xué)特性試驗(yàn)研究

雷 穎，高德彬，馬學(xué)通，李同錄

(長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

近年來(lái)，西安市不斷推進(jìn)河道綜合治理工程，由此產(chǎn)生了大量的河道疏浚底泥。由于河道疏浚底泥具有含水率高、壓縮性大、強(qiáng)度低、滲透性能差等特點(diǎn)[1]，采用異地處理方法，會(huì)造成處理成本較高且不易運(yùn)輸，采用物理方法處置，若處理不當(dāng)易引發(fā)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，造成二次污染[2]。若對(duì)河道疏浚底泥進(jìn)行固化改性，使其可以就地回填應(yīng)用，既可以降低工程成本，同時(shí)也可為河道疏浚底泥的處置提供新的途徑。目前眾多學(xué)者對(duì)底泥的固化進(jìn)行了大量的研究。如陳娟等[3]采用不同的加壓模式研究了淤泥中氨氮的釋放特性，并定量評(píng)價(jià)了含氮淤泥沉積物對(duì)地下水氮輸入的貢獻(xiàn);劉哲等[4]利用屬性識(shí)別模型研究了運(yùn)河杭州段底泥的污染程度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)底泥表層污染程度高于底層；Meng等[5]以水泥、粉煤灰及石膏為固化材料對(duì)淤泥進(jìn)行了固化處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥對(duì)淤泥的固化效果起主導(dǎo)作用；Wang等[6]采用MKPC固化河道疏浚底泥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著MKPC摻量與養(yǎng)護(hù)齡期的增加，底泥顆粒間相互連接得更加緊密，其抗壓強(qiáng)度明顯提高；Zhou等[7]研究了礦渣凝膠材料的固化特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V渣凝膠材料摻量為12.5%時(shí)，可極大程度地減少淤泥中的孔隙；趙麗華等[8]以水泥為主要固化劑，對(duì)中原油田污泥進(jìn)行了固化處理和多因素試驗(yàn)研究，提出了固化淤泥的最優(yōu)配比方案；王臻華等[9]以水泥、高分子吸水樹(shù)脂(SAP)為固化材料對(duì)淤泥進(jìn)行了固化處理以及干濕循環(huán)試驗(yàn)和滲出試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥可改善淤泥耐久性和重金屬穩(wěn)定性；程福周等[10]通過(guò)水泥加SAP、粉煤炭、水泥雙摻固化試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SAP可一定程度延緩固化底泥含水率的降低，使得水泥的水化反應(yīng)更加充分；Shirazi等[11]研究發(fā)現(xiàn)石灰、粉煤灰與水泥復(fù)合固化時(shí)，前兩者可明顯消除水泥土收縮開(kāi)裂的現(xiàn)象；王臻華[12]對(duì)比了水泥、SAP等固化材料對(duì)淤泥的固化效果，并給出了復(fù)合固化劑的最優(yōu)配比設(shè)計(jì)方案；李磊等[13]研究了不同摻量的水泥和養(yǎng)護(hù)齡期條件下底泥的壓縮特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥摻量高于臨界值時(shí)，底泥的壓縮指數(shù)趨于穩(wěn)定。大量研究表明，底泥固化后的強(qiáng)度與固化劑的摻入比例有著直接的關(guān)系。為了減少主要固化劑的使用量，眾多學(xué)者嘗試在固化劑中加入其他材料。如吳王正[14]通過(guò)在水泥固化底泥中加入了三乙醇胺(TEA)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TEA的摻入可有效提高底泥的早期強(qiáng)度；唐曉博等[15]研究發(fā)現(xiàn)加入TEA后水泥漿體的流動(dòng)性降低，使其強(qiáng)度得到了極大的提升；孔祥明等[16]通過(guò)總有機(jī)碳(TOC)分析的方法測(cè)定了水化水泥漿體液相中TEA濃度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TEA的消耗主要發(fā)生在水泥水化加速期，且水化早期水泥強(qiáng)度明顯提高。

由于不同地區(qū)的河道疏浚底泥力學(xué)性質(zhì)差異較大，因此需要設(shè)計(jì)有針對(duì)性的固化方案，以使其可安全、可靠、合理、經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于工程建設(shè)中。基于此，本文結(jié)合灞河右岸岸坡生態(tài)環(huán)境綜合治理工程實(shí)踐，選用水泥、高分子吸水樹(shù)脂(SAP)和三乙醇胺(TEA)對(duì)該綜合治理工程中清除的灞河河道疏浚底泥進(jìn)行固化力學(xué)特性試驗(yàn)研究，為其應(yīng)用于濱河沙坑回填等工程實(shí)踐提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)選用灞河右岸岸坡底部的河道疏浚底泥為原材料，該試驗(yàn)底泥呈灰褐色—灰黑色，底泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)及物質(zhì)含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，底泥的粒度分析曲線見(jiàn)圖1。

表1 試驗(yàn)底泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)及物質(zhì)含量測(cè)試結(jié)果

圖1 試驗(yàn)底泥的粒度分析曲線

1.2 試驗(yàn)方案

由于灞河河道的疏浚底泥含水量較高、流動(dòng)性較大，故本試驗(yàn)選用高分子吸水樹(shù)脂(SAP)作為固化材料，其可吸附孔隙中的自由水，同時(shí)還可起到保水作用，使得水泥的水化反應(yīng)更加充分；而三乙醇胺(TEA)具有促凝作用，且可減少液面張力，可使水泥顆粒與水分充分接觸，使得水泥水化程度得以提升，進(jìn)而提升固化改性底泥的早期強(qiáng)度。

本試驗(yàn)僅研究固化材料對(duì)河道疏浚底泥固化效果的影響，控制底泥含水率為30%，底泥試樣干密度為1.65 g/cm3。由于TEA存在雙臨界摻量值[17]，當(dāng)TEA摻入量較大時(shí)，其被吸附于水化產(chǎn)物表面，會(huì)影響水化產(chǎn)物的成核與C3S的水化，導(dǎo)致水泥土早期強(qiáng)度降低[18]；當(dāng)TEA摻入量較小時(shí)，將有利于水泥土早期強(qiáng)度的提升，因而本試驗(yàn)取TEA的摻入量為0.03%。而SAP的摻入量根據(jù)室內(nèi)抗壓試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)選取0.5%。本試驗(yàn)底泥固化材料的具體配比方案，見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)底泥固化材料配比方案(單位：%)

首先，在75℃恒溫條件下將底泥烘干，而后碾碎過(guò)2 mm方孔篩；然后，采用壓實(shí)法制備試樣，試樣制備完成后采用聚乙烯膜密封(見(jiàn)圖2)，并將試樣放入保濕器中按齡期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(見(jiàn)圖3)；最后，采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(見(jiàn)圖4)對(duì)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，采用WG型單杠固結(jié)儀(見(jiàn)圖5)對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)底泥試樣的密封

圖3 試驗(yàn)底泥試樣的養(yǎng)護(hù)

圖4 ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀

圖5 WG型單杠固結(jié)儀(高壓)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 直剪試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同固化底泥試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線，見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 固化底泥試樣黏聚力隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線

圖7 固化底泥試樣內(nèi)摩擦角φ隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線

由圖6和圖7可見(jiàn)：在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，固化底泥試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均表現(xiàn)為先快速增大而后趨于穩(wěn)定；不同固化劑固化底泥試樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力均較純底泥有所增大，其中20%水泥與0.03%TEA復(fù)合固化底泥試樣的黏聚力最大。

不同養(yǎng)護(hù)齡期固化底泥試樣的直剪試驗(yàn)τ-σ關(guān)系曲線，見(jiàn)圖8。

圖8 不同養(yǎng)護(hù)齡期固化底泥試樣的直剪試驗(yàn)τ-σ 關(guān)系曲線

由圖8(a)可見(jiàn)，短期內(nèi)不同配比及種類(lèi)的固化劑均可明顯增強(qiáng)固化底泥試樣的抗剪強(qiáng)度τ。隨著水泥含量的增加，固化底泥試樣的抗剪強(qiáng)度不斷增大；而SAP的摻入降低了固化底泥試樣的抗剪強(qiáng)度，有負(fù)面影響，這可能是由于SAP在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中不斷釋水使固化底泥體積收縮導(dǎo)致的；而TEA的摻入明顯增強(qiáng)了固化底泥試樣的抗剪強(qiáng)度，其主要原因是TEA可促進(jìn)水化硅酸鈣和鈣礬石的形成，使得固化底泥試樣的抗剪強(qiáng)度增大。

由圖8(b)可見(jiàn)，與養(yǎng)護(hù)齡期為3 d[見(jiàn)圖8(a)]的固化底泥試樣相比，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，各固化底泥試樣的抗剪強(qiáng)度均有所增大，摻入外加固化劑的固化底泥試樣的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于純底泥試樣。其中，10%水泥與0.5%SAP復(fù)合固化的試樣抗剪強(qiáng)度較單摻10%水泥固化的試樣抗剪強(qiáng)度降低了1.8%～14.2%；而摻入TEA的固化底泥試樣抗剪強(qiáng)度沒(méi)有因?yàn)樗鄵饺肓康牟煌憩F(xiàn)出明顯的差異，說(shuō)明當(dāng)水泥含量為10%時(shí)，0.03%TEA充分發(fā)揮了其促凝作用，可有效地提高固化底泥試樣的抗剪強(qiáng)度。

由圖8(c)可見(jiàn)，10%水泥與SAP復(fù)合固化的底泥試樣較單摻10%水泥固化的底泥試樣抗剪強(qiáng)度降低了3.3%～13.0%，說(shuō)明類(lèi)似于SAP這種具有一定吸水能力但無(wú)法與水反應(yīng)生成膠結(jié)物的固化材料用于底泥固化的適用性較差；20%水泥、10%水泥與0.03%TEA復(fù)合固化的底泥試樣抗剪強(qiáng)度較為接近，說(shuō)明這兩種固化方案對(duì)底泥的固化效果基本相同，即表明加入TEA可以有效地提高水泥水化效率，降低水泥的用量。

2.2 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步探究固化改性底泥的變形規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行側(cè)限壓縮試驗(yàn)，探究不同固化材料和養(yǎng)護(hù)齡期的固化改性底泥孔隙比與豎向固結(jié)壓力的關(guān)系，試驗(yàn)選用的是快速固結(jié)試驗(yàn)，并以100～200 kPa豎向固結(jié)壓力范圍內(nèi)固化底泥試樣的壓縮系數(shù)a1-2來(lái)表征固化底泥的壓縮特性[19]。

不同養(yǎng)護(hù)齡期固化底泥試樣的快速固結(jié)試驗(yàn)e-p關(guān)系曲線，見(jiàn)圖9。

圖9 不同養(yǎng)護(hù)齡期固化底泥試樣的快速固結(jié)試驗(yàn)e -p關(guān)系曲線

由圖9可見(jiàn)：不同固化底泥試樣的孔隙比e均隨著豎向固結(jié)壓力p的增大而減小，且在低壓條件下固化底泥試樣的孔隙比下降更快；同時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)齡期下純底泥試樣的孔隙比總是大于固化底泥試樣，其e-p曲線斜率也明顯大于固化底泥試樣。

各固化底泥試樣的壓縮系數(shù)a1-2隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線，見(jiàn)圖10。

圖10 各固化底泥試樣的壓縮系數(shù)a1-2隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線

由圖10可見(jiàn)：固化底泥試樣中加入0.5%SAP試樣的壓縮系數(shù)最大，這是由于SAP在制樣初期大量吸水，受壓力作用后不斷排水收縮導(dǎo)致試樣的孔隙比增大，抗剪強(qiáng)度減弱；摻入TEA后，水泥固化底泥試樣的壓縮系數(shù)有所降低，這是由于TEA加速了水泥水化反應(yīng)過(guò)程，提高了水泥水化反應(yīng)的效率[16]；10%水泥與0.03%TEA復(fù)合固化的底泥試樣的壓縮系數(shù)較單摻20%水泥固化的底泥試樣的壓縮系數(shù)小，由此可見(jiàn)TEA可取代部分水泥，使得底泥的固化效果更佳；相同摻量TEA時(shí)，固化底泥試樣的壓縮系數(shù)隨著水泥摻量的增大而減小，且不同養(yǎng)護(hù)齡期摻入TEA后固化底泥試樣的孔隙比變化量基本相同，這說(shuō)明TEA在水泥水化反應(yīng)中主要起催化作用；此外，純底泥、水泥與0.5%SAP復(fù)合固化的底泥試樣的壓縮系數(shù)a1-2在0.1～0.5 MPa-1范圍內(nèi)，屬于中壓縮性土，而單摻水泥固化底泥試樣和水泥與0.03%TEA復(fù)合固化底泥試樣的壓縮系數(shù)a1-2小于0.1 MPa-1,屬低壓縮性土。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合灞河河道右岸生態(tài)環(huán)境綜合治理工程實(shí)踐，選用水泥、高分子吸水樹(shù)脂(SAP)和三乙醇胺(TEA)作為對(duì)河道疏浚底泥進(jìn)行工程改性的再生填筑材料，開(kāi)展了室內(nèi)直剪試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)純底泥、水泥與0.03%TEA復(fù)合固化底泥、水泥與0.5% SAP復(fù)合固化底泥的固化力學(xué)特性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，固化底泥的峰值抗剪強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增大；水泥與0.5%SAP復(fù)合固化的底泥抗剪強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)；水泥與0.03%TEA復(fù)合固化的底泥抗剪強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，固化改性后的底泥峰值抗剪強(qiáng)度均呈增大趨勢(shì)，而其壓縮系數(shù)則呈減小趨勢(shì)。

(2) 由于TEA在一定程度上促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，使其生成較多的凝膠產(chǎn)物，提高了單一水泥的固化效果，因而水泥與0.03%TEA復(fù)合固化底泥的壓縮系數(shù)小于單一水泥固化底泥。

(3) 10%水泥與0.03%TEA復(fù)合固化的底泥試樣壓縮系數(shù)小于單摻20%水泥的底泥試樣，大于20%水泥與0.03%TEA復(fù)合固化的底泥試樣。綜合對(duì)比，選用10%水泥與0.03%TEA的配比方案對(duì)灞河河道疏浚底泥進(jìn)行固化處理更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。