凍融循環(huán)對(duì)伊通河固化淤泥力學(xué)性質(zhì)的影響分析

豐小華

(中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司 河北石家莊 050000)

1 引言

隨著我國(guó)河道治理工程的不斷開展，隨之而來愈來愈多的淤泥需要處理，將淤泥進(jìn)行資源化利用既保護(hù)了環(huán)境也節(jié)約了資源，將淤泥固化從而轉(zhuǎn)化為土方資源，是淤泥眾多處理中最為重要的一種。由于自然因素(極端氣溫、長(zhǎng)期降雨等)導(dǎo)致的固化土力學(xué)性質(zhì)改變的問題，如何將其穩(wěn)定化、無害化處理后進(jìn)行資源化利用的問題，這些是亟需解決的。

凍融循環(huán)對(duì)固化土力學(xué)性質(zhì)影響的問題作為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者僅此開展了一系列的研究，并取得了一定的成果。王海濤等[1]通過單軸動(dòng)態(tài)抗壓性能試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)條件下固化土特性變化規(guī)律；研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)與固化土質(zhì)量損失為二次曲線。宋玉普等[2]通過雙軸壓的試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)作用下混凝土特性；研究表明，在不同加載比例下，固化土受力變形特性變化明顯。王天亮等[3]以水泥及石灰改良土為例，對(duì)其開展靜力試驗(yàn)，研究了凍融條件對(duì)改良土靜力特性的影響。研究表明，水泥土主要為脆性破壞，石灰土主要為塑性破壞，凍融次數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致改良土粘聚力減小。鄭鄖等[4]試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)對(duì)土結(jié)構(gòu)性影響。研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)土影響主要原因是水分遷移、水分相變和冰晶生長(zhǎng)對(duì)孔隙存在反作用力。楊成松等[5]通過試驗(yàn)分析了土體含水量和干容重在凍融條件下的變化規(guī)律；研究發(fā)現(xiàn)土體在凍融條件下的含水率變大。Tebaldi等[6]研究了凍融循環(huán)對(duì)石灰穩(wěn)定土力學(xué)性能的影響。研究表明，凍融循環(huán)能改善石灰穩(wěn)定土的力學(xué)性能。Jamshidi等[7]對(duì)不同含水率的固化土開展凍融試驗(yàn)；研究表明，凍融條件下，固化土含水率的增加會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度。Wang等[8]以石膏廢料固化軟黏土為研究對(duì)象，開展了凍融循環(huán)試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果顯示試樣在5次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。方秋陽等[9]以固化鹽漬土為研究對(duì)象，分析了凍融循環(huán)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響。胡田飛等[10]、許雷等[11]、王澍[12]同樣通過凍融循環(huán)試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)對(duì)固化土力學(xué)性質(zhì)的影響。

本文以伊通河淤泥為研究對(duì)象，選擇生石灰和粉煤灰來固化淤泥，通過試驗(yàn)分析了低溫和凍融循環(huán)條件下粉煤灰與生石灰摻量及配比對(duì)淤泥固化后力學(xué)特性影響。

2 工程概況

伊通河發(fā)源于伊通滿族自治縣河源鎮(zhèn)青頂山北麓，河道全長(zhǎng)342.5 km，在長(zhǎng)春境內(nèi)有232 km，是長(zhǎng)春的母親河，對(duì)長(zhǎng)春市的建設(shè)和發(fā)展起著重要的作用。長(zhǎng)春市的快速發(fā)展使得伊通河成為排放生活污水、工業(yè)廢水和降雨的重要途徑。本文依托伊通河北北段生態(tài)綜合治理項(xiàng)目，項(xiàng)目南起四化閘，北至萬寶攔河閘，河道長(zhǎng)度約13 km。由于河道內(nèi)流速緩慢，污染匯入量大，河道內(nèi)囤積了大量不同污染程度的淤泥，直接污染河道內(nèi)河水，污染狀況的惡化，大量堆積的厭氧污泥淤積，水體惡臭，生態(tài)環(huán)境的惡化極大地影響了周邊的環(huán)境，嚴(yán)重影響了周邊居民的身體健康，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用淤泥于2019年12月取自長(zhǎng)春市伊通河北北段，自制的取樣工具為直徑0.15 m、高度1.5 m的圓筒結(jié)構(gòu)，取樣器如圖1所示。

圖1 淤泥取樣器

現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)，借助挖掘機(jī)協(xié)同取樣器將淤泥試樣取出，取樣器中泥柱長(zhǎng)度約0.8 m，將其分上下兩層處理，其中上層泥柱約0.3 m，下層泥柱約0.5 m，并做好標(biāo)記分開存放。取樣結(jié)束后將淤泥試樣運(yùn)至試驗(yàn)室，將淤泥試樣用保鮮膜密封存放在室內(nèi)陰涼處，防止其水分蒸發(fā)，淤泥取樣如圖2所示。

圖2 淤泥試樣

在對(duì)伊通河淤泥進(jìn)行試驗(yàn)研究前，首先應(yīng)該明確淤泥的基本性質(zhì)指標(biāo)，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)，對(duì)伊通河淤泥進(jìn)行了含水率、密度、液限、塑限和pH等試驗(yàn)，測(cè)試得到淤泥基本性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。現(xiàn)場(chǎng)清除的淤泥含水率較高，在進(jìn)行固化處理前，首先對(duì)其物理脫水，將淤泥運(yùn)至附近的翻曬場(chǎng)，待其含水率降至40%左右后進(jìn)行固化處理。

表1 淤泥的基本性質(zhì)指標(biāo)

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的室內(nèi)存放，淤泥試樣含水率降低，在進(jìn)行淤泥固化試驗(yàn)前，需要對(duì)淤泥進(jìn)行處理，將現(xiàn)有淤泥試樣充分混合，挑出淤泥中塑料、石子等雜質(zhì)，并攪拌均勻，測(cè)定其含水率，然后按設(shè)計(jì)的初始含水率加水?dāng)嚢杈鶆蛎芊鈧溆谩?/p>

本試驗(yàn)中使用的粉煤灰是由吉林某電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，滿足I級(jí)粉煤灰品質(zhì)所需的成分含量，其具體成分見表2。

表2 粉煤灰主要技術(shù)性能

本試驗(yàn)中使用的是工業(yè)生石灰，其中MgO與CaO的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于80%。

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 低溫淤泥剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置6個(gè)溫度梯度(-3、-6、-9、-12、-15、-18℃)，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。每組試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)垂直壓力(100、200、300、400 kPa)，試樣總數(shù)為144個(gè)，試樣分批制作，為嚴(yán)格控制凍結(jié)時(shí)間，減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)溫度需要試樣24個(gè)。

將溫度傳感器插入制備好的試樣中，通過溫度傳感器實(shí)時(shí)對(duì)凍結(jié)過程中淤泥試樣內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)控，待凍結(jié)12 h后取出試樣，立即施加100、200、300、400 kPa的豎向應(yīng)力快速剪切。

3.2.2 固化淤泥抗凍試驗(yàn)

分別按照10%、15%、20%比例，將生石灰和粉煤灰摻入淤泥中(含水率30%)，在每一比例下，生石灰和粉煤灰的比例分別為5∶5和3∶7，制備50 mm×50 mm固化淤泥試樣6組共72個(gè)試樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，養(yǎng)護(hù)14 d后，再進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。凍融循環(huán)試驗(yàn)參考美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM D560/D560M-15進(jìn)行，單次凍融循環(huán)持續(xù)48 h，在-20℃和20℃條件下進(jìn)行24 h的養(yǎng)護(hù)。隨后開展不同次數(shù)的凍融循環(huán)(0、2、4、6、8 次)，試樣每?jī)?2 次和融2次后先通過核磁共振檢測(cè)其孔徑分布和孔隙率，然后測(cè)試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.3 試驗(yàn)步驟

(1)試驗(yàn)開始前，取出標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試樣，并進(jìn)行編號(hào)處理，然后用保鮮膜包裹放在封閉的塑料盒內(nèi)，以避免水分蒸發(fā)。同時(shí)取出一組對(duì)照試樣，測(cè)試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和孔徑分布，作為試驗(yàn)的基準(zhǔn)值，其余試樣繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

(2)凍結(jié)試驗(yàn)箱預(yù)先設(shè)置為-20℃，待其溫度穩(wěn)定后將試驗(yàn)組試樣放入凍結(jié)試驗(yàn)箱中，凍結(jié)24 h后取出，放入20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)融化24 h，為一次凍融循環(huán)。

(3)在進(jìn)行2次凍融循環(huán)后，取出一組試驗(yàn)組試樣和一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的對(duì)照組試樣，觀察試驗(yàn)組固化淤泥試樣的外觀變化，拍照記錄，然后測(cè)試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和孔徑分布，試驗(yàn)組與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析。第4次、6次、8次、10次凍融循環(huán)后的試驗(yàn)過程同上。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 低溫淤泥剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

從現(xiàn)場(chǎng)采樣的淤泥制成50 mm×50 mm試樣，試樣放入冰箱進(jìn)行干凍，在設(shè)定溫度下凍結(jié)12 h后，通過低場(chǎng)核磁共振(NMR)檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)試樣的孔隙率?？紫堵孰S溫度變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著溫度的降低，淤泥的孔隙率迅速降低，當(dāng)溫度降低到-15℃后，孔隙率基本保持不變。這表明，降溫初期淤泥孔隙中大量的自由水結(jié)成冰，使得核磁檢測(cè)到的水含量降低，隨著溫度的進(jìn)一步降低，淤泥孔隙中的游離水進(jìn)一步因結(jié)冰而減少，孔隙率下降的幅度逐漸減小，而處于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖3 孔隙率隨溫度變化曲線

圖4為淤泥粘聚力隨溫度變化曲線圖。由圖可知，隨著溫度的降低，淤泥的粘聚力逐漸減小，當(dāng)溫度降低到-15℃后，淤泥的粘聚力開始快速增加，說明在低溫的影響下，淤泥內(nèi)部完全凍結(jié)，因此其粘聚力增加。若在冬季進(jìn)行河道清淤作業(yè)，當(dāng)溫度降低到-15℃后，由于淤泥凍結(jié)導(dǎo)致的粘聚力提高，會(huì)降低挖掘機(jī)的工作效率，因此在寒區(qū)冬季采用干式清淤方式清理河道淤泥，溫度選擇在-6～15℃之間為宜，這期間淤泥中的水90%以上凍結(jié)成冰，淤泥的抗剪性能還沒有因凍結(jié)而顯著增加，有力于清淤工作的開展。

圖4 淤泥粘聚力隨溫度變化曲線

4.2 淤泥固化凍融試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)14 d，經(jīng)不同次數(shù)凍融循環(huán)后，對(duì)試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖可知:不同二灰摻量和生石灰與粉煤灰配比條件下，固化淤泥試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。試驗(yàn)過程中，試樣在凍脹融縮以及水-冰轉(zhuǎn)換作用下，土顆粒間的膠結(jié)作用和膠合作用被破壞，進(jìn)而弱化或破壞內(nèi)部骨架顆粒間的化學(xué)和物理連接，即降低了試樣抗壓強(qiáng)度。當(dāng)固化淤泥的二灰摻量為15%，且生石灰與粉煤灰配比為3∶7、5∶5時(shí)，試樣在0次凍融循環(huán)時(shí)抗壓強(qiáng)度分別為163.8、217.9 kPa，而8次凍融循環(huán)后試樣抗壓強(qiáng)度分別降低23.87%和20.3%，即各降至124.7、173.6 kPa。對(duì)于生石灰與粉煤灰配比為3∶7試樣，二灰摻量10%、15%、20%試驗(yàn)，未經(jīng)過凍融循環(huán)試樣的抗壓強(qiáng)度分別為98.5、163.7、233.7 kPa。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為8次時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度分別下降至70.5、124.6、198.5 kPa，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度損失率達(dá)到28.39%、23.87%、15.6%。以上分析表明:提高二灰摻量和生石灰與粉煤灰配比，可增強(qiáng)固化淤泥試樣抵抗凍融循環(huán)破壞的性能。

圖5 固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)關(guān)系

4.2.2 凍融循環(huán)作用下固化淤泥孔隙變化

圖6和圖7分別是二灰摻量15%的固化淤泥凍融0次和8次后的孔徑分布。由圖6、圖7可知，試樣的孔隙半徑集中分布在0.01～0.02 μm之間，占總孔隙比例均超過63%。凍融0次時(shí)0.04～0.08 μm之間的孔徑占總孔隙比例為23%，凍融8次后，這一比例提高到25.5%；0.2～0.4 μm之間占總孔隙比例均在5%以上。說明試樣經(jīng)過8次凍融循環(huán)后，淤泥試樣的孔徑有變大的趨勢(shì)，特別是3～6 μm之間的孔徑占總孔隙比例提高了1.54%，這也是導(dǎo)致試樣凍融后受壓強(qiáng)度降低的主要原因。其他摻量的試樣檢測(cè)數(shù)據(jù)分析也有類似的規(guī)律。

圖6 固化淤泥凍融0次后的孔徑分布

圖7 固化淤泥凍融8次后的孔徑分布

5 結(jié)論

本文以伊通河淤泥為研究對(duì)象，選擇生石灰和粉煤灰來固化淤泥，通過試驗(yàn)分析了低溫和凍融循環(huán)條件下粉煤灰與生石灰摻量及配比對(duì)淤泥固化后力學(xué)特性影響。主要獲得以下結(jié)論:

(1)隨著溫度的降低，淤泥的孔隙率迅速降低，粘聚力逐漸減小，當(dāng)溫度降低到-15℃后，孔隙率基本保持不變，粘聚力開始快速增加。

(2)不同二灰摻量和生石灰與粉煤灰配比條件下，固化淤泥試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

(3)對(duì)于生石灰與粉煤灰配比為3∶7試樣，二灰摻量10%、15%、20%試驗(yàn)，未經(jīng)過凍融循環(huán)試樣的抗壓強(qiáng)度分別為98.5、163.7、233.7 kPa。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為8次時(shí)，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度損失率達(dá)到28.39%、23.87%、15.6%?？梢?，提高二灰摻量和生石灰與粉煤灰配比，可增強(qiáng)固化淤泥試樣抵抗凍融循環(huán)破壞的性能。