高含水率疏浚底泥固化及強(qiáng)度預(yù)測模型

馬學(xué)通，高德彬，雷 穎，嚴(yán)耿升

（1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054；2.黃土高原水循環(huán)與地質(zhì)環(huán)境教育部野外科學(xué)觀測研究站，甘肅正寧 745399；3.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065）

0 引 言

城市河網(wǎng)疏浚會產(chǎn)生大量的疏浚底泥，疏浚底泥力學(xué)性質(zhì)差，因此目前常用的處理措施是就近堆填，這不僅會侵占大量的土地，同時底泥中的污染物可能會對環(huán)境造成二次污染［1，2］。在綠色低碳發(fā)展背景下，固化工藝作為一種可以固定底泥中有害物質(zhì)并提高底泥強(qiáng)度的處理工藝而被廣泛應(yīng)用。眾多類型的底泥固化劑，如硅酸鹽水泥、石灰、高爐礦渣、水泥窯灰、粉煤灰、稻殼灰、電石渣及活性氧化鎂等均已廣泛用于底泥固化改性領(lǐng)域。張偉等［3］采用粉煤灰、爐渣作為固化劑，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了固化底泥強(qiáng)度預(yù)測模型。杭天飛等［4］根據(jù)單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果指出粉煤灰的摻入可以有效提高固化底泥的后期強(qiáng)度。丁慧等［5］探討了采用粉煤灰及礦粉固化疏浚底泥的可行性。崔勇濤等［6］采用水泥、石灰組成的復(fù)合固化劑對底泥進(jìn)行改良，結(jié)果表明隨著齡期及固化劑含量增大，固化底泥滲透系數(shù)明顯變小。Horpibulsuk 等［7］研究表明，水泥摻量與水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線具有明顯分區(qū)，當(dāng)水泥摻量小于分界摻量時，水泥固化土強(qiáng)度增長較為緩慢。H.J.H.BROUWERS等［8］指出水泥和生石灰對疏浚底泥中有害成分的消解呈現(xiàn)互補(bǔ)效應(yīng)。章榮軍等［9］、鄭少輝等［10］指出，當(dāng)水泥摻量較小時，固化高含水率海泥的強(qiáng)度隨水泥摻量的增加呈非線性增大，當(dāng)摻量較大時，其呈線性增大。由于水泥、生石灰等屬于鈣基材料，容易對環(huán)境造成破壞，而Cheng［11］、王東星［12］、何晶等［13］指出堿性材料可以有效提高固化劑活性，增強(qiáng)材料固化后的力學(xué)強(qiáng)度，同時可以有效減少鈣基材料的使用，且在高性能混凝土中得到廣泛應(yīng)用，但其在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用尚未推廣。基于此，本文結(jié)合“西安市全域治水工程”實(shí)踐，通過正交試驗(yàn)研究了不同摻量水泥、生石灰、礦渣、聚丙烯及高分子吸水樹脂對灞河河道疏浚底泥的固化效果，并建立了固化底泥強(qiáng)度預(yù)測模型，為疏浚底泥用于濱河沙坑回填、路基填筑、異地填埋處置等的強(qiáng)度預(yù)測提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用灞河右岸岸坡底部的疏浚底泥，呈暗黃色。底泥物理性指標(biāo)及其他物質(zhì)含量測試結(jié)果見表1?？梢钥闯觯啄嗵烊缓食^液限，屬高壓縮性黏性土。同時，與其他陸相沉積的土體存在明顯的差異，即底泥含有機(jī)質(zhì)、磷鉀及重金屬等物質(zhì)。試驗(yàn)用的固化劑選擇普通硅酸鹽水泥、生石灰、聚丙烯、礦渣及高分子吸水樹脂等5種材料。

表1 試驗(yàn)用土物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)?zāi)康氖菫榇_定復(fù)合疏浚底泥固化劑中各因素水平對固化疏浚底泥的固化效果，以水泥摻量（A）、生石灰摻量（B）、聚丙烯摻量（C）、礦渣摻量（D）及高分子吸水樹脂摻量（E）作為正交試驗(yàn)的5 個因素，每個因素選取5 種水平，選用L25（55）正交表見表2。

表2 正交試驗(yàn)各因素水平 %Tab.2 Levels of factors in orthogonal test

1.2.2 試樣制備

根據(jù)表1中天然含水率將試樣含水率設(shè)定為50%。試驗(yàn)前將疏浚底泥以75 ℃烘干后用木碾碾散且過2 mm 篩，并加水?dāng)嚢杞?4 h 以上，而后將固化劑摻入疏浚底泥中攪拌均勻后制樣。

由于試樣含水率較高，采用擊實(shí)法制樣會導(dǎo)致試樣的含水率在制樣過程中發(fā)生變化而影響試驗(yàn)結(jié)果，因此本文選用振動密實(shí)法進(jìn)行室內(nèi)制樣。首先將攪拌好的混合土裝入內(nèi)徑50 mm、高度100 mm 的圓柱形樣盒內(nèi)，再放置于混凝土振動臺上振動5 min 以密實(shí)試樣。試樣制備完成后稱量試樣質(zhì)量，以確保試樣密度保持相同。最后在溫度20±2 ℃條件下，將試樣放入保濕器中養(yǎng)護(hù)1 d 脫模，并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期（7 和28 d）進(jìn)行試驗(yàn)。強(qiáng)度試驗(yàn)選用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀進(jìn)行強(qiáng)度測試，加載速率1.0 mm/min。為了減少試驗(yàn)誤差，取每組3 個試樣的平均值作為該組試樣的最終抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3 可知，不同固化材料組合的固化試樣的28 d 抗壓強(qiáng)度均大于7 d。7 d 養(yǎng)護(hù)時間條件下，試驗(yàn)編號22（A5B2C1D5E4）對應(yīng)的復(fù)合固化試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，其抗壓強(qiáng)度為1 461.5 kPa，同等試驗(yàn)條件下，28 d養(yǎng)護(hù)期所對應(yīng)的最大強(qiáng)度為3 544.2 kPa，且為同一試驗(yàn)編號，表明在該編號對應(yīng)的固化材料組合條件下，各固化材料可較其他組合大程度地發(fā)揮其固化效應(yīng)，該固化效應(yīng)具協(xié)同性，使得固化試樣抗壓強(qiáng)度整體增大，且具有持續(xù)性，不會隨著養(yǎng)護(hù)時間的變化存在差異性。因此，該組固化材料配比為最優(yōu)水平組合，其最優(yōu)配比為：水泥（A）∶生石灰（B）∶聚丙烯（C）∶礦渣（D）∶高分子吸水樹脂（E）=2 000∶400∶10∶1 100∶8。

表3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of unconfined compressive strength

2.2 極差及方差分析

通過計算正交試驗(yàn)各因素的極差并構(gòu)建方差統(tǒng)計量F，分析不同固化劑對固化底泥強(qiáng)度的影響主次關(guān)系，計算結(jié)果見表4、5。

表4 7 d正交試驗(yàn)分析結(jié)果Tab.4 Analysis results of 7 d orthogonal test

表5 28 d正交試驗(yàn)分析結(jié)果Tab.5 Analysis results of 28 d orthogonal test

由表4、5 可知，礦渣摻量對固化疏浚底泥的強(qiáng)度影響程度最大，其次為水泥及生石灰。另外發(fā)現(xiàn)，聚丙烯與高分子吸水樹脂的影響次序發(fā)生變化，高分子吸水樹脂在養(yǎng)護(hù)后期對固化試樣抗壓強(qiáng)度的增長有促進(jìn)作用，而聚丙烯僅在養(yǎng)護(hù)前期較高分子樹脂對固化強(qiáng)度的增長略有優(yōu)勢，這可能與高分子吸水樹脂的特性有關(guān)。

由圖1 可以看出，各固化劑對底泥固化強(qiáng)度的影響程度順序?yàn)镈＞A＞B＞C＞E。即礦渣＞水泥＞生石灰＞聚丙烯＞高分子吸水樹脂。同時，各固化劑對底泥固化強(qiáng)度的影響程度不完全一致。底泥的固化強(qiáng)度隨著礦渣（D）和水泥（A）摻量的不斷增加不同程度地增大，其中，固化強(qiáng)度隨著礦渣摻量的增大呈現(xiàn)較陡的增長趨勢，而水泥增長趨勢相對較緩，D5、A5分別為兩者的最佳摻量；底泥固化強(qiáng)度隨生石灰（B）、聚丙烯（C）、與高分子吸水樹脂（E）摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，表明該3種固化材料存在最佳摻量值，其分別為B2、C1和E1。

圖1 正交試驗(yàn)分析結(jié)果Fig.1 Analysis results of orthogonal test

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的可能原因分析如下：①聚丙烯、高分子吸水樹脂不與底泥成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其中聚丙烯僅是利用了纖維自身的抗拉性能以改善土體開裂等問題，因而對固化土的抗壓強(qiáng)度影響較小［14］。②高分子吸水樹脂僅起到保水及釋水作用，從而增大固化底泥的強(qiáng)度［15］。③而水泥、生石灰與底泥中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一系列的水化產(chǎn)物，且該水化產(chǎn)物具黏結(jié)性大及強(qiáng)度高等特點(diǎn)，并消耗了底泥中的自由水及孔隙水，從而固化強(qiáng)度在宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度增大；同時，對底泥中有害物質(zhì)的固化作用也顯著提升［8］。④礦渣作為堿性材料，除了發(fā)生與水泥、生石灰類似的水化反應(yīng)外，還可以提供足夠的堿性環(huán)境，有效促進(jìn)水泥、生石灰與底泥之間的化學(xué)反應(yīng)［8，13］，因此，礦渣的摻入對底泥強(qiáng)度的提升有促進(jìn)作用。

由此可知，底泥固化除了采用物理方法降低高含水率疏浚底泥外，還可以采用化學(xué)固化方法，該方法可有效封閉底泥中的有害物質(zhì)。另外，可以節(jié)省大量的運(yùn)輸成本，減少占地面積，同時，其處理規(guī)模較其他固化工藝大，也積極響應(yīng)了“資源再利用型社會”的號召。

3 固化底泥強(qiáng)度預(yù)測模型

為了建立底泥強(qiáng)度的預(yù)測公式，根據(jù)自變量的顯著性排序，基于逐步法進(jìn)行多元線性回歸［16］。每次引入一個具有統(tǒng)計學(xué)意義的自變量，由少至多依次進(jìn)行線性回歸分析，并對引入的所有自變量進(jìn)行檢驗(yàn)，若其無統(tǒng)計學(xué)意義則剔除該自變量，直到納入無統(tǒng)計學(xué)意義的因素為止，該過程中變量的引入和剔除交替進(jìn)行。預(yù)測結(jié)果見表6、7，預(yù)測公式中A、B、C、D分別為水泥、生石灰、礦渣和聚丙烯纖維摻入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，E為高分子吸水樹脂摻入質(zhì)量千分比，預(yù)測公式R2如圖2所示。

表6 7 d多元回歸分析步驟及結(jié)果Tab.6 Steps and results of 7 d multiple regression analysis

表7 28 d多元回歸分析步驟及結(jié)果Tab.7 Steps and results of 28 d multiple regression analysis

圖2 回歸公式R2變化趨勢Fig.2 Trend of R2

由圖2可以看出，7 d和28 d預(yù)測公式R2的變化趨勢基本一致。同時，基于礦渣（D）、水泥（A）、生石灰（B）3 種材料形成的復(fù)合固化劑建立的預(yù)測公式即可有效地預(yù)測不同齡期固化底泥的抗壓強(qiáng)度，這與前述極差及方差分析結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

依托“西安市全域治水工程”的灞河河道綜合治理工程實(shí)踐，選用水泥、生石灰、聚丙烯、礦渣及高分子吸水樹脂等材料對疏浚底泥工程固化開展了室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出了以下結(jié)論：

（1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果表明，復(fù)合固化材料的最優(yōu)配比：水泥（A）∶生石灰（B）∶聚丙烯（C）∶礦渣（D）∶高分子吸水樹脂（E）=2 000∶400∶10∶1 100∶8。

（2）通過極差及方差分析可知，礦渣摻量對固化底泥的強(qiáng)度影響最為顯著，其次為水泥、生石灰，而聚丙烯和高分子吸水樹脂摻量對底泥固化的強(qiáng)度影響不顯著。

（3）根據(jù)固化材料摻量及不同齡期的固化底泥的抗壓強(qiáng)度的多元回歸結(jié)果表明，基于礦渣、水泥和生石灰3種固化劑建立的預(yù)測公式即可較好地預(yù)測不同齡期固化底泥的強(qiáng)度。

值得指出的是，即使是同一個河道的疏浚底泥，其顆粒成分、含水率、有機(jī)質(zhì)及重金屬含量等也具有區(qū)段性差異，因此文中建立的預(yù)測模型適用于具有相同或相似條件下疏浚底泥固化強(qiáng)度預(yù)測，而選用的復(fù)合固化劑對河道疏浚底泥固化強(qiáng)度的影響具有普遍參考意義。