疏浚淤泥固化強度特性研究及效果評價

徐遠杰，田 充，史燕南，張 瑞，胡曉明

(1. 中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000；3. 浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，浙江 杭州 310000)

浙江沿海發(fā)展迅速，城市建設(shè)加速推進，推進過程中產(chǎn)生的大量疏浚淤泥，直接拋棄或堆填處理不利于浙江的發(fā)展。淤泥處理處置并非易事，常見的疏浚淤泥，含水率高、孔隙比大、可壓縮性高、固結(jié)排水困難，一般呈流動狀態(tài)，不僅不便于運輸，而且不利于后續(xù)的資源化利用，因此常采用物理排水或化學(xué)固化處理，然而固化處理工藝相對復(fù)雜、成本高昂[1]。

針對上述問題，眾多國內(nèi)外學(xué)者對固化劑選擇、強度特性、水分轉(zhuǎn)化等多方面進行了大量的研究[1-7],發(fā)現(xiàn)含水率是影響淤泥加固效果的關(guān)鍵因素。其中，甘雅雄等[3]對太湖清淤淤泥進行固化研究，探討了固化淤泥水分轉(zhuǎn)化、早期強度等特性，發(fā)現(xiàn)礦物水變化量與抗壓強度基本呈線性關(guān)系；章榮軍等[8-9]、王文軍等[10]、丁建文等[11]采用水泥對高液限、高含水率淤泥進行固化處理，提出了淤泥強度預(yù)測模型；鄭少輝等[12]對不同水灰比水泥固化土的強度進行歸一化處理，解決部分因為黏土類型不同引起的強度模型變異問題，同時表明水灰比不是影響固化土強度的唯一參數(shù)。因此，不同類型黏土、不同類型固化劑的強度特性并不完全相同。

基于目前對固化土強度特性的研究仍沒有統(tǒng)一定論[12]，單純依靠增加固化劑摻量或減少含水率來提高固化土抗壓強度不夠經(jīng)濟合理等問題，筆者針對溫州沿海的吹填淤泥進行固化試驗，分析其抗壓強度、密度與固化劑摻量、水灰比的關(guān)系，并通過效果/費用等方式分析固化合理性，為后期淤泥固化設(shè)計施工提供理論指導(dǎo)。

1 試驗方案

本文固化試驗的材料主要由溫州沿海吹填淤泥土和CIF固化劑組成。

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗淤泥土

淤泥的粒度、含水率是反映底泥物理性質(zhì)的主要指標(biāo)，含水率高低和粒度與固化劑選型有非常密切的關(guān)系。筆者對疏浚淤泥的含水率、顆分、液塑限等參數(shù)進行檢測分析。

土樣取自溫州沿海吹填淤泥，經(jīng)測試，淤泥含水率為68.8%，濕密度為1.62 g/cm3，干密度為0.96 g/cm3，液限37.1%，塑限22.8%，粒徑小于0.005 mm土粒含量為37.2%，粒徑為0.075～0.005 mm的土粒占62.8%，凝聚力為12 kPa，摩擦角為13.8°，pH值為7.2。

1.1.2 固化劑

一般情況下，疏浚淤泥的含水率高，孔隙比大，可壓縮性強，強度低，需要引入高吸水性、高膨脹性的材料，產(chǎn)生水化反應(yīng)，并填充于土顆?；蛲翀F粒孔隙間，提高土體密實性，從而提高強度。淤泥固化屬于土壤固化范疇，固化劑種類非常豐富，常用的有水泥、石灰、粉煤灰等無機類膠凝材料，因此確定42.5硅酸鹽水泥、二級粉煤灰、石灰(CaO≥75%)、三乙醇胺等材料為本文的主要固化劑(CFL)。

1.2 試驗方法

將淤泥風(fēng)干、碾碎、過2 mm篩備用。淤泥固化的具體操作步驟如下：1) 準(zhǔn)備試模,將5 cm×5 cm×5 cm的三聯(lián)試模擦凈，四周刷一薄層潤滑油；2) 準(zhǔn)備泥樣,稱一定質(zhì)量淤泥，調(diào)節(jié)成為目標(biāo)含水率的淤泥，攪拌均勻備用；3) 固化土拌合,固化劑CFL采用干拌方式，分三層平鋪于泥樣，攪拌3～5 min至均勻；4) 成型，分三層置入試模，每層振動60下，每個配比做6 個平行試樣；5) 養(yǎng)護，試件成型完畢，用濕布覆蓋表面，以防水分蒸發(fā)。在室溫為20 ℃左右靜置1 d脫模后放入養(yǎng)護箱進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。

1.3 固化方案

含水率、固化劑的摻量等與固化土的強度、穩(wěn)定性有著密不可分的關(guān)系，一般情況下，含水率越高，固化劑的最佳摻量越大[13-14]。淤泥固化土配比方案具體如表1所示，疏浚淤泥的初始含水率初步定為70%至110%，為液限的1.89倍至2.96倍，固化劑的摻量為5%至20%，其中，固化劑摻量的百分比以干土質(zhì)量為基準(zhǔn)。

表1 固化土配比方案

2 結(jié)果分析與討論

2.1 初始含水率對無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖1和圖2可知，相同固化劑摻量時，無論7 d強度還是28 d強度，與初始含水率呈反比，均隨著含水率的增加而逐漸降低；初始含水率從70%增至110%，含水率增長了約1.6倍，強度降低為初始含水率=70%時的20%～30%，說明淤泥初始含水率對強度的影響較大。固化劑的摻入可以通過物理吸水、化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化水和水化產(chǎn)物作用等3種方式增加固化土的強度，從圖中可以了解，初始含水率增大，固化劑摻入對強度增長影響減小，無側(cè)限抗壓強度差值縮小，理論上水分越多，水化反應(yīng)會越充分，水化產(chǎn)物也會越多。但當(dāng)固化土中存在大量自由水時，單位體積內(nèi)水占比也就增多，水化產(chǎn)物占比相應(yīng)減少，導(dǎo)致固化劑的摻入不能構(gòu)成有效的骨架結(jié)構(gòu)，因此對強度貢獻減弱。

圖1 7 d強度與初始含水率關(guān)系圖

圖2 28 d強度與初始含水率關(guān)系圖

2.2 CFL摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響

圖3和圖4為無側(cè)限抗壓強度與CFL摻量的關(guān)系圖，對于該吹填淤泥，其固化土的強度隨著固化劑摻量的增加而增大，兩者呈正比關(guān)系，當(dāng)含水率為70%、固化劑摻量為5%時，7 d無側(cè)限抗壓強度為100.8 kPa，而固化劑摻量增加到20%時，其7 d無側(cè)限抗壓強度增加了1.8倍，達到281.7 kPa；28d無側(cè)限抗壓強度增長了2.28倍。

圖3 7 d強度與固化劑摻量關(guān)系圖

圖4 28 d強度與固化劑摻量關(guān)系圖

含水率小于90%時，7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度的增長與CFL摻量增長基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系，表達式見公式(1)。當(dāng)含水率超過90%，其線性相關(guān)性稍差，主要由于固化土的微觀組織結(jié)構(gòu)特性，固化劑在土中的水化產(chǎn)物向土顆?；蛲翀F粒之間的孔隙聚集，當(dāng)摻量較小時，CFL固化土的pH值較小，不足以對固化土提供強堿環(huán)境而激發(fā)固化劑發(fā)生火山灰反應(yīng)，水化產(chǎn)物無法形成骨架結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致強度增長緩慢；隨著摻量的增加，固化土的pH值也相應(yīng)增加，在強堿環(huán)境下部分活性氧化硅和活性氧化鋁開始發(fā)生火山灰反應(yīng)，此時形成膠結(jié)產(chǎn)物明顯增多，強度增長速率加快[15]，在黏土顆粒間形成了有效的骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致固化土強度增加。

fcu=kAc+b

(1)

式(1)中：fcu為無側(cè)限抗壓強度，kPa；k,b取決于土性與固化劑摻量的經(jīng)驗系數(shù)(表2)；Ac為固化劑摻量，%。

表2 不同含水率固化土的經(jīng)驗公式擬合常數(shù)(fcu-Ac)

2.3 CFL摻量對固化土濕密度的影響

對28 d齡期固化土進行密度測試(圖5)，研究發(fā)現(xiàn)，固化土密度隨著含水率增加而降低，在同一含水率下，固化土密度與固化劑摻量呈二次函數(shù)關(guān)系。從表3可以看出，式(2)對不同含水率情況的固化土密度適應(yīng)性較好，擬合系數(shù)基本在0.8～0.99，擬合性較好。

圖5 28 d濕密度與固化劑摻量關(guān)系圖

(2)

式(2)中：ρ為固化土密度,g/cm3；k1，k2，c分別為固化土密度與摻量的經(jīng)驗系數(shù)(表3)。

表3 不同含水率固化土的經(jīng)驗公式擬合常數(shù)(ρ-Ac)

2.4 水灰比對無側(cè)限抗壓強度的影響

已有研究表明，水灰比w/Ac是影響固化土的重要控制參數(shù)，因此采用w/Ac來研究固化土的無側(cè)限抗壓強度，得到強度預(yù)測公式,即

fcu=λ/(w/Ac)μ

(3)

式(3)中：λ，μ分別取決于土性與水灰比的經(jīng)驗系數(shù)(表4)；w為固化土含水率，%；Ac為固化劑摻量，%。

從圖6和圖7可以看出，整體上，強度與水灰比w/Ac呈現(xiàn)非線性關(guān)系，水灰比w/Ac越大，強度越低；含水率為70%和80%時，公式(2)能較好的描述CFL固化土7 d強度和28 d強度，擬合系數(shù)R2基本大于0.9；當(dāng)CFL固化土含水率為90%和100%時，28 d強度與水灰比的相關(guān)性更強，具體參數(shù)如表4所示。

圖6 7 d強度與水灰比關(guān)系圖

圖7 28 d強度與水灰比關(guān)系圖

表4 不同含水率固化土的經(jīng)驗公式擬合常數(shù)(fcu-w/Ac)

3 淤泥固化效果評價

為了后期現(xiàn)場固化試驗，僅僅考慮強度并不能滿足實際需求，因此將成本、固化性能一起綜合考慮作為下階段的篩選條件。CFL固化土的效果費用比反映在相同成本下的淤泥固化效果。一般現(xiàn)場固化試驗采用7 d強度作為參考標(biāo)準(zhǔn)，因而筆者將計算CFL固化土的7 d強度與成本的比值(表5和圖8)。從結(jié)果中可以了解，相同摻量下，當(dāng)含水率低于90%時，效果費用比俱佳；當(dāng)含水率超過90%時，不同含水率、不同摻量的效果費用比差異性縮小，間接說明高含水率淤泥處理時，達到相同效果費用比時的固化成本高，固化處理性價比降低。根據(jù)各含水率的CFL固化土效果費用比可以了解到，摻量的增加對效果增加不明顯，總體上呈現(xiàn)下降趨勢，因此對于吹填地基固化處理現(xiàn)場，當(dāng)固化土含水率為70%～80%、CFL固化劑摻量為5%～8%時，性價比最優(yōu)；當(dāng)含水率超過90%時，除特定應(yīng)用場景外，一般不推薦直接添加固化劑。

表5 7 d無側(cè)限抗壓強度與費用關(guān)系

圖8 7 d無側(cè)限抗壓強度與成本關(guān)系圖

4 結(jié) 論

基于室內(nèi)試驗，研究了7 d和28 d齡期的淤泥固化土與固化劑摻量、初始含水率關(guān)系，主要得到以下結(jié)論：

1) 7 d和28 d齡期固化土的無側(cè)限抗壓強度與固化劑摻量呈正比，與初始含水率呈反比。

2) 初始含水率對各類固化土強度影響顯著，初始含水率增加導(dǎo)致固化土中單位體積水化產(chǎn)物減少，強度降低。當(dāng)初始含水率為70%和80%時，強度與固化劑摻量線性相關(guān)性較好；當(dāng)初始含水率超過90%時，其線性相關(guān)性稍差。

3) 各類固化土強度與水灰比w/Ac呈冪次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)初始含水率為70%和80%時，7 d齡期和28 d齡期的固化土強度與水灰比w/Ac函數(shù)關(guān)系擬合較好；當(dāng)含水率超過90%時，28 d齡期的相關(guān)性更強。

4) 各類淤泥固化土效果費用比均大于1，處理效果良好，尤其對于含水率小于90%的固化土處理效果更為突出；在滿足現(xiàn)場固化土處理強度目標(biāo)前提下，當(dāng)含水率低于90%時，固化劑摻量為5%～8%的性價比最優(yōu)。