吳 軍，汪洪星，談云志，黃龍波，胡莫珍

(三峽大學(xué) a.水電工程施工與管理湖北省重點實驗室； b.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室; c.特殊土土力學(xué)研究所，湖北 宜昌 443002)

腐殖酸對污泥固化土長期強度的劣化效應(yīng)

吳 軍a,b,c，汪洪星a,b,c，談云志a,b,c，黃龍波a,b,c，胡莫珍a,b,c

(三峽大學(xué) a.水電工程施工與管理湖北省重點實驗室； b.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室; c.特殊土土力學(xué)研究所，湖北 宜昌 443002)

研究腐殖酸對污泥固化土長期強度的影響具有重要意義。對有機質(zhì)含量較低的污泥分別添加0.5%,1.5%,3%,4.5%,6%的腐殖酸，基于水泥、偏高嶺土、石灰等固化劑進行固化，得到標準養(yǎng)護狀態(tài)下240 d污泥固化土的抗彎強度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及破壞應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律。研究結(jié)果表明：在外加腐殖酸和污泥固有有機質(zhì)緩釋腐殖酸的協(xié)同作用下，固化土初期抗彎強度急劇增加，隨后有不同程度的降低;腐殖酸添加量從0.5%到6%，各齡期固化土抗彎強度幾乎都有一定程度劣化，固化作用和腐殖酸侵蝕作用平衡點由180 d提前到60 d;高含量腐殖酸固化土的破壞模式呈“塑性→脆性→偏塑性”變化規(guī)律，腐殖酸含量越大，塑性破壞作用越明顯。

污泥固化土;腐殖酸；長期強度；應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；劣化效應(yīng)；破壞模式

1 研究背景

為保證航道的暢通，需對河流、湖泊、海洋等進行疏浚，由此產(chǎn)生大量的疏浚污泥[1-2]。疏浚污泥天然含水率一般達到150%以上，多為液限的2～3倍，黏粒含量大，排水性差，強度非常低[3]。如何高效處理和利用這些污泥，是建設(shè)過程中亟待解決的難題，海洋傾倒和陸地拋填等常規(guī)方法因不可避免地污染周邊環(huán)境而受到越來越多學(xué)者的質(zhì)疑，甚至有逐漸被拋棄的趨勢；因此，需要探索行之有效的污泥處置方法，以達到將污泥“變廢為寶”的最終目的。將污泥通過固化處理，轉(zhuǎn)化成為新型土工建筑材料，既可解決污泥堆積占地和環(huán)境污染等問題，又可緩解工程用土日益增長和建設(shè)成本不斷攀升的困境，且其成本較低、效率較高，是一種經(jīng)濟效益和社會效益兼顧的發(fā)展模式，因而受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-7]。當前研究主要通過添加不同配比固化材料，通過28 d齡期的無側(cè)限抗壓強度、壓縮屈服應(yīng)力、抗剪強度等參數(shù)來表征其強度。首先，固化污泥的強度與水泥添加量呈正比關(guān)系。水泥固化污泥過程中存在一個最低水泥添加量，小于此添加量時幾乎沒有固化效果[8]。其次是固化土的初始含水率，研究表明，水泥固化土的抗壓強度與土的初始含水率的平方呈反比關(guān)系[9]。含水率還會影響污泥的黏聚力，使土顆粒間作用力減弱。黃麗珊[10]的研究表明，污泥的黏聚力與液限和含水率之差呈正比，定量分析了含水率對污泥黏聚力的影響程度。

眾所周知，富含有機質(zhì)是污泥的一個顯著特征，污泥中有機質(zhì)的主要成分是腐殖物質(zhì)，腐殖物質(zhì)是經(jīng)微生物作用后，在土壤中新形成的一種特殊類型的高分子化合物，其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難為微生物所分解，有機質(zhì)中腐殖酸的存在影響著土體的性能[11]。試驗及實踐均證明，腐殖酸會對固化效果產(chǎn)生副作用，隨著有腐殖酸含量的增加，無側(cè)限抗壓強度會逐漸減小[12]。但是，當前絕大多數(shù)研究人員和工程技術(shù)人員十分關(guān)注固化后達到的即時效果，而淡化甚至忽略固化土的長期力學(xué)性能演化過程,從而導(dǎo)致一些固化土路基填料工程在驗收時符合工程技術(shù)標準，但在后期運營中卻發(fā)生沉降和失穩(wěn)等災(zāi)變現(xiàn)象。污泥自身富含的有機質(zhì)釋放的腐殖酸對固化土的長期力學(xué)強度有何影響？腐殖酸的含量對固化土的劣化效應(yīng)影響程度有多大？關(guān)于這方面的研究鮮有報道。

因此，本文采用在污泥中添加不同含量的腐殖酸，在標準狀態(tài)下進行長期養(yǎng)護，通過其抗彎強度、應(yīng)力-應(yīng)變、破壞強度等指標，研究不同有機質(zhì)含量污泥固化土的耐久性，為類似工程的設(shè)計提供參考。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

2.1.1 污 泥

試驗污泥取自湖北宜昌某湖泊清淤現(xiàn)場，污泥土為黑色、流塑狀,泥質(zhì)細膩、含少量有機質(zhì)及動植物殘體殘葉，經(jīng)高精度數(shù)顯pH計測量呈弱酸性?；疚锢硇再|(zhì)如表1，其中液塑限及粒度成分依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)[13]測定，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定?？梢娢勰喑跏己瘦^高，達到178%，細小顆粒含量較高，達到81.3%。

2.1.2 固化材料

固化材料為水泥、偏高嶺土、生石灰的混合物，其中水泥為葛洲壩水泥廠生產(chǎn)的三峽牌525普通硅酸鹽水泥，各項性能指標均滿足規(guī)范要求，其化學(xué)成分如表2，偏高嶺土為高嶺土在850 ℃下煅燒而成。

表1 污泥基本物理性質(zhì)指標

表2 普通硅酸鹽水泥的化學(xué)成分含量

圖1 預(yù)壓裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pre-pressing device

2.1.3 腐殖酸

腐殖酸為粉末狀，其中純腐殖酸占70%，黃腐酸占20%，灰分占10%，微溶于水，易溶于堿液。

2.2 試樣制備及養(yǎng)護

由于污泥天然含水率

較高，首先需降低污泥含水率，為了避免烘干翻曬對污泥中有機質(zhì)造成的破壞，采用預(yù)壓法進行降水，如圖1所示。先通過堆載砝碼將污泥的水分擠出，水分匯聚到壓縮室中央的排水孔;再通過導(dǎo)管流入密閉量筒中;最后讀取量筒示數(shù)可以精確計算出污泥含水率的變化情況,其計算公式為

(1)

式中：w1為實時含水率(%)；w0為污泥初始含水率(%)；m為污泥質(zhì)量(g)；ρ為污泥中水的密度(g/cm3)；v為量筒中水的體積(cm3)。

根據(jù)區(qū)內(nèi)工勘孔及有關(guān)調(diào)查資料，池州市中心城區(qū)地下水位埋深一般0.4～5.0 m，局部地下水位埋深為9.7 m(位置較高處)，地下水位埋深整體較淺，年變幅小于1 m。

將污泥含水率通過預(yù)壓法降至100%后，取一定質(zhì)量污泥按濕質(zhì)量比添加15%水泥、10%偏高嶺土和5%石灰，先通過攪拌棒初步拌合土樣，然后用小型攪拌機進行充分攪拌，將拌合均勻土樣平均分為5組，然后分別添加0.5%,1.5%,3%,4.5%,6%的腐殖酸粉末，再次用攪拌機拌合均勻。污泥的強度用抗彎強度進行表征，是因為腐殖酸主要對固化土化學(xué)膠結(jié)物產(chǎn)生侵蝕作用，其對土樣強度的影響程度可能沒有凍融循環(huán)或干濕循環(huán)作用明顯。因此，估計難以通過無側(cè)限抗壓強度反映出來(試驗誤差也許掩蓋了腐殖酸的作用)，抗彎強度試驗可以回避無側(cè)限抗壓強度試驗中的端部約束影響，而且能間接反映固化土的黏聚力大小。因此選擇彎曲強度反映腐殖酸對污泥固化土的長期侵蝕作用程度。

圖2 抗彎強度試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of bending strength test

抗彎強度試驗如圖2所示，試驗所用模具為定制梁式對開模，試樣尺寸為100 mm×25 mm×35 mm(長×寬×高)。試樣制作時，先在模具內(nèi)壁均勻涂抹少量凡士林，將拌合料按照濕密度為1.2 g/m3稱重一次性裝入對開模中，用千斤頂進行壓實，然后拆卸模具獲取梁式試樣。使用塑料保護套將試樣固定，然后編號用保鮮膜包裹后放置恒溫恒濕箱中養(yǎng)護，3 d后卸掉塑料保護套繼續(xù)養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為25 ℃，濕度為95%。

圖3 抗彎強度測試儀Fig.3 Photo of bending strength test apparatus

2.3 試驗過程

試樣測試齡期分別為7,14,28,60,120,180,240 d。養(yǎng)護至測試齡期后根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[14]進行抗彎強度試驗，每個齡期取3個試樣進行平行試驗，取其平均值作為最后的強度和變形情況。本試驗所用抗彎強度測試儀由無側(cè)限抗壓強度試驗儀改裝而成，如圖3所示，該設(shè)備由數(shù)顯測力計、加壓框架、電動升降設(shè)備組成，升降臺移動速度為1 mm/min。

抗彎強度計算公式為

(2)

式中：RS為抗彎強度(MPa)；P為荷載(N)；L為跨距，也就是兩支點間的距離(mm)；b為試樣寬度(mm)；h為試樣高度(mm)。

3 試驗結(jié)果

3.1 試驗現(xiàn)象

選取240 d齡期0.5%腐殖酸含量固化土和6%腐殖酸含量固化土彎曲破壞過程進行分析。如圖4(a)，在0.5%外加腐殖酸和污泥本身緩釋腐殖酸的雙重侵蝕作用下，試樣表面均勻分布有少數(shù)肉眼可見的微小孔洞，試樣破壞裂縫由中下部向左上部逐漸貫通，破壞后試樣的橫斷面凹凸不平，色澤均勻，有很多小孔隙；如圖4(b)，在6%外加腐殖酸和污泥本身緩釋腐殖酸的雙重侵蝕作用下，試樣表面孔洞明顯增多，破壞裂縫由右下部徑直向右上部貫通，破壞后試樣橫斷面相對平坦。同時由于受到高含量腐殖酸的侵蝕，膠結(jié)結(jié)構(gòu)破壞明顯，腐殖作用持續(xù)進行，試樣內(nèi)部會殘留一些黑色腐殖質(zhì)充填于損傷孔隙中，這種現(xiàn)象在試樣中部表現(xiàn)更為明顯。

圖4 試樣破壞形態(tài)

污泥固化土養(yǎng)護前期(7 d)、中期(120 d)、后期(240 d)的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain curves

從圖5可以看出，7 d時，腐殖酸的含量不同對污泥固化土的破壞強度和破壞應(yīng)變(試樣達到抗彎極限強度時對應(yīng)的應(yīng)變)的影響不明顯;隨著養(yǎng)護齡期的增加，至120 d時，0.5%腐殖酸固化土破壞強度明顯高于6%腐殖酸固化土的破壞強度，且其破壞應(yīng)變?yōu)?.98%，明顯<6%腐殖酸固化土的破壞應(yīng)變(2.34%);養(yǎng)護至240 d時，不同含量腐殖酸固化土的破壞強度和破壞應(yīng)變之間的差距進一步加大，0.5%腐殖酸固化土試樣在受荷初期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為直線，隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變增加相對緩慢，直至達到1.81%的破壞應(yīng)變，隨后試樣瞬間斷裂，應(yīng)力陡然下降,6%腐殖酸固化土受荷初期應(yīng)力-應(yīng)變呈指數(shù)關(guān)系增長，應(yīng)變增長率先快后慢，直至達到2.69%的破壞應(yīng)變。隨后試樣產(chǎn)生裂縫，應(yīng)力急劇下降但并未完全喪失，隨著破壞裂隙的逐漸貫通，應(yīng)力逐漸下降，應(yīng)變逐漸增大。由此可以看出，240 d時，0.5%腐殖酸污泥固化土的破壞模式為典型的脆性破壞模式，6%腐殖酸固化土在變形初期和末期呈一定的塑性破壞模式，但也呈現(xiàn)出一定的脆性特征，為偏塑性破壞模式。

不同腐殖酸含量不同齡期的破壞應(yīng)變?nèi)鐖D6。養(yǎng)護初期，由于固化劑的膠結(jié)作用，污泥固化土的強度逐漸增強，破壞應(yīng)變均有所減小，剛度逐漸增強；養(yǎng)護至后期，固化作用逐漸減弱，在外加腐殖酸與淤泥固有腐殖酸的緩釋作用下，污泥固化土膠結(jié)結(jié)構(gòu)持續(xù)被破壞，破壞應(yīng)變有所增加，剛度逐漸減小。對于高含量腐殖酸(4.5%,6%)破壞應(yīng)變后期增加顯著。在240 d時6%腐殖酸固化土破壞應(yīng)變達到2.69%，是0.5%腐殖酸破壞應(yīng)變的1.5倍左右。

圖6 破壞應(yīng)變與養(yǎng)護齡期的關(guān)系

3.3 抗彎強度發(fā)展規(guī)律

各腐殖酸含量污泥固化土抗彎強度如圖7。腐殖酸含量對7 d齡期強度影響不大，都在350 kPa左右，養(yǎng)護至28 d時，差異開始凸顯，0.5%腐殖酸固化土抗彎強度達到701.2 kPa，6%腐殖酸固化土抗彎強度也達到了586.9 kPa。高腐殖酸含量固化土樣抗彎強度明顯低于低腐殖酸含量固化土樣，隨著養(yǎng)護的繼續(xù)進行，抗彎強度趨于平穩(wěn)，但在后期有所劣化，其中0.5%,1.5%腐殖酸固化土強度劣化始于180 d，3%,4.5%腐殖酸固化土劣化始于120 d，6%腐殖酸劣化始于60 d。

圖7 固化土的抗彎強度

3.4 試驗結(jié)果分析

圖8 固化土長期強度劣化示意Fig.8 Diagram of long-term strength deterioration of solidified soil

根據(jù)試驗結(jié)果，可以看出：由于腐殖酸的介入，低含量腐殖酸固化土(0.5%,1.5%)隨齡期增長基本呈“塑性→脆性”破壞模式；高含量腐殖酸固化土(4.5%,6%)污泥固化土隨齡期增長基本呈“塑性→脆性→偏塑性”的破壞模式，固化土強度呈“大幅增長→趨于穩(wěn)定→略有降低”的趨勢。養(yǎng)護初期，固化劑中的石灰在高含水率的污泥中水解生成Ca(OH)2，水泥水解產(chǎn)物也為弱堿性，會中和部分腐殖酸，但腐殖酸仍有殘留;28 d齡期內(nèi)，一方面固化劑會對污泥進行高效固化，另一方面外加腐殖酸會緩慢破壞膠結(jié)物結(jié)構(gòu)，故外加腐殖酸含量高的固化土28 d強度低于低含量腐殖酸固化土。隨著養(yǎng)護的進行，污泥固有的有機質(zhì)會緩慢釋放腐殖酸，協(xié)同外加殘留腐殖酸對膠結(jié)物進行進一步侵蝕，同時膠結(jié)作用也持續(xù)進行，當污泥固化土中的膠結(jié)物引起的強度增長量和腐殖酸的侵蝕作用引起的強度劣化量相等時，固化土強度處于動態(tài)平衡狀態(tài)，稱這一時刻為“強度平衡點”。養(yǎng)護后期，膠結(jié)作用趨于停止，但外加腐殖酸和污泥緩釋腐殖酸對膠結(jié)作用的侵蝕作用并未停止，故其強度開始緩慢下降。0.5%，6%的腐殖酸含量固化土的腐殖酸侵蝕作用和固化劑膠結(jié)相等點分別為180，60 d，可知淤泥初始腐殖酸含量越高，污泥固化土強度耐久性越差，污泥固化土長期強度劣化過程如圖8。

4 結(jié) 論

(1) 在外加腐殖酸和污泥本身賦存有機質(zhì)緩釋腐殖酸的協(xié)同作用下，污泥固化土強度隨養(yǎng)護齡期變化規(guī)律為“大幅增長→趨于穩(wěn)定→略有降低”。其中強度平衡點隨腐殖酸含量增加而提前。

(2) 在外加腐殖酸和污泥本身賦存有機質(zhì)緩釋腐殖酸的協(xié)同作用下，低含量腐殖酸為“塑性→脆性”破壞模式，高含量腐殖酸污泥固化土為“塑性→脆性→偏塑性”破壞模式。腐殖酸含量越高，養(yǎng)護后期塑性變化越明顯。

(3) 腐殖酸含量對污泥固化土短期強度影響不明顯，但由于污泥內(nèi)賦存的有機質(zhì)在漫長養(yǎng)護期內(nèi)會持續(xù)緩慢釋放腐殖酸，故其長期強度會有一定程度的劣化。換言之，作為路基填料時會影響其耐久性，工程設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選用低腐殖酸含量污泥作為固化對象。

[1] SIGUA G C.Current and Future Outlook of Dredged and Sewage Sludge Materials in Agriculture and Environment[J].Dredged and Sewage Sludge Materials,2005，5(1)：50-52.

[2] QIAO D，QIAN J，WANG Q，etal.Utilization of Sulfate-rich Solid Wastes in Rural Road Construction in the Three Gorges Reservoir Resources[J].Conservation and Recycling,2010，54(12)：1368-1376.

[3] 朱 偉，張春雷，劉漢龍，等.疏浚泥處理再生資源技術(shù)的現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，25(4)：39-41.

[4] 羅 麗，劉文白，王曉琳，等.固化疏浚泥室內(nèi)滲透試驗研究[J].長江科學(xué)院院報，2016，33(3)：89-92.

[5] MAHER A，DOUGLAS W S，JAFARI F.Field Placement and Evaluation of Stabilized Dredged Material(SDM)from the New York/New Jersey Harbor[J].Mar Georesour Geotechnol，2006，24(4)：251-263.

[6] KAMALI S，BERNARD F.ABRIAK N E，etal.Marine Dredged Sediments as New Material Resource for Road Construction[J].Waste Management，2008，28(5)：910-928.

[7] 王東星，徐衛(wèi)亞.固化淤泥長期強度和變形特性試驗研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，44(1)：332-339.[8] 湯怡新，劉漢龍，朱 偉.水泥固化土工程特性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2000，22(5)：549-554.

[9] TANG Y X，MIYAZAKI Y，TSUEHIDA T.Practices of Reused Dredgings by Cement Treatment[J].Soils and Foundations，2001，41(5)：129-143.

[10]黃麗珊.淺析飽水淤泥和粘性土的粘聚力[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2005，19(2)：201-203.

[11]曹 凈，余再西，劉海明，等.富里酸對紅黏土水泥土復(fù)合體的侵蝕性試驗研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，40(1)：35-39.

[12]陳惠娥.有機質(zhì)影響水泥加固軟土效果的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2006.

[13]JTG E40—2007，公路土工試驗規(guī)程[S]. 北京：人民交通出版社，2007.

[14]JTG E51—2009,公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2009.

(編輯：占學(xué)軍)

Degradation Effect of Humic Acid on Long-term Strengthof Solidified Sludge Soil

WU Jun1,2，3，WANG Hong-xing1,2，3，TAN Yun-zhi1,2，3，HUANG Long-bo1,2，3，HU Mo-zhen1,2，3

(1.Hubei Provincial Key Laboratory of Construction and Management in Hydropower Engineering, China Three Gorges University,Yichang 443002,China ;2. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area under Ministry of Education, China Three Gorges University,Yichang 443002,China； 3.Institute of Problematic Soil Mechanics, China Three Gorges University, Yichang 443002,China)

Studies on the effect of humic acid on the long-term strength of solidified sludge soil, are of great importance. In this research, sludge with low organic matter content was solidified by mixtures of cement, metakaolin,and lime, etc. On this basis, humic acid in proportion of 0.5%, 1.5%, 3% and 4.5%, 6%, respectively, was added into the sludge. The development laws of bending strength, stress-strain relationship and failure strain of solidified sludge soil under standard curing condition for 240 days were obtained.Results revealed that 1) under the joint actions of humic acid and inherent humic acid slowly released from organic matters of the sludge, the initial bending strength of solidified soil increased rapidly and then decreased to different extents; 2) when humic acid content increased from 0.5% to 6%, the bending strength of solidified soil at different ages almost degraded to a certain degree, and the balance between solidification and humic acid erosion occurred in advance, from the 180th day to the 60th day; 3) the failure mode of solidified soil with high content of humic acid experienced the tendency from plastic failure to brittle failure, and then to partial plastic failure, and the bigger content of humic acid is, the more obvious the action of plastic failure is.

solidified sludge soil; humic acid;long-term strength; stress-strain relationship;degradation;failure mode

2016-05-23；

2016-11-03

水電工程施工與管理湖北省重點實驗室(三峽大學(xué))開放課題(2014ksd14)；三峽大學(xué)博士科研啟動基金(KJ201413036)；三峽大學(xué)科研創(chuàng)新基金(2015CX035)

吳 軍(1990-)，男，湖北黃岡人,碩士研究生，主要從事軟土加固試驗研究，(電話)18871730575(電子信箱)76258949@qq.com。

汪洪星(1983-)，男，湖北咸寧人,講師，博士，主要從事軟土加固及土體本構(gòu)模型研究，(電話)13986829679(電子信箱)wanghongxinglih@126.com。

10.11988/ckyyb.20160501

2017,34(8):130-134

TU411

A

1001-5485(2017)08-0130-05