范惜輝, 侯志強(qiáng), 甘雅雄, 朱 偉,4
(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,南京 210098; 2.中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司,廣東深圳 518102;3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710075; 4.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,南京 210098)
為了改變江河湖庫(kù)水質(zhì)日益惡化、河道泄洪能力下降、水庫(kù)庫(kù)容萎縮等日益嚴(yán)重的局面,我國(guó)近年來(lái)在內(nèi)陸河流湖泊等地相繼開(kāi)展了清淤工程. 杭州的西湖[1]、江蘇的太湖[2]等內(nèi)陸湖泊為了改善水質(zhì),緩解越來(lái)越嚴(yán)重的藍(lán)藻暴發(fā),均開(kāi)展了大規(guī)模的清淤工程. 江蘇太湖據(jù)推測(cè)其底泥的總存儲(chǔ)量超過(guò)1.912 億m3,其中需要疏浚的接近3500萬(wàn)m3[2].
固化處理的方法就是往淤泥中添加固化材料,通過(guò)一系列的物理化學(xué)反應(yīng),使得疏浚淤泥的力學(xué)性質(zhì)得到改良的目的. 該處理方式經(jīng)濟(jì)環(huán)保,施工周期短,適合普遍應(yīng)用于大規(guī)模的疏浚淤泥處理的工程當(dāng)中,并在深圳、無(wú)錫等地進(jìn)行了淤泥固化筑堤、填海的示范應(yīng)用[3-6]. 在傳統(tǒng)的淤泥固化處理過(guò)程中,采用的固化材料與普通硅酸鹽水泥為主,輔助材料摻有礦渣、粉煤灰、石膏等工業(yè)廢棄材料[7-9]. 同時(shí)對(duì)一些新固化材料的研究也在不斷進(jìn)行,例如新型的磷基固化劑[10]、HAS淤泥固化劑[11]等. 大部分固化淤泥的強(qiáng)度發(fā)展較為緩慢,使得固化處理施工的周期加長(zhǎng),影響了施工的工期,并延長(zhǎng)了固化淤泥堆場(chǎng)的周轉(zhuǎn)效率.
為提高淤泥固化的效率,甘雅雄等[5]采用硫鋁酸鹽水泥加速淤泥固化的進(jìn)程,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等參數(shù)明顯提升. 而將固化淤泥堆填時(shí),其三軸強(qiáng)度是計(jì)算其安全系數(shù)的最重要參數(shù)[12]. 硫鋁酸鹽水泥早期強(qiáng)度的增加受水泥熟料中無(wú)水硫鋁酸鈣、硫酸鈣的迅速反應(yīng),生成鈣礬石和鋁膠有關(guān)[13-15]. 李磊等[16-17]從固化產(chǎn)物水分轉(zhuǎn)化的角度研究了固化污泥的強(qiáng)度、壓縮性質(zhì)與水分形態(tài)轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系,從另一方面探求強(qiáng)度增長(zhǎng)的機(jī)理.
本文以深圳某地所取的淤泥作為研究對(duì)象,使用普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行固化處理,對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變、三軸強(qiáng)度,特別是反應(yīng)過(guò)程中的水分轉(zhuǎn)化進(jìn)行了試驗(yàn)研究,為淤泥固化的工程應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)意義.
試驗(yàn)淤泥來(lái)自深圳某工地,其基本物理性質(zhì)測(cè)試參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]測(cè)定,具體物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1. 試驗(yàn)用固化材料為海螺牌32.5#普通硅酸鹽水泥(OPC)和硫鋁酸鹽水泥(SAC). 兩種固化材料的主要成分見(jiàn)表2. 硫鋁酸鹽水泥的礦物成分以無(wú)水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主,在固化施工中有明顯的早強(qiáng)效果,可以提高固化體的早期強(qiáng)度[19].
表1 試驗(yàn)污泥的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic properties of the silt
表2 兩種水泥的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of the two cements
試樣制備[20];將試驗(yàn)所取淤泥過(guò)2 mm篩以去除淤泥中較大的雜質(zhì). 水泥添加量按每立方淤泥中添加的水泥質(zhì)量計(jì)算. 將淤泥按表3中的配合比混合,并用手持式攪拌器將其攪拌均勻. 然后將攪拌均勻的土樣分三層裝入鋼制模具中(三軸試樣模具的內(nèi)徑為3.91 cm,高8.00 cm;水分離心模具內(nèi)徑為3.5 cm,高6.0 cm).將裝好土樣的模具密封后放入恒溫恒濕箱養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)1 d后脫模,并將脫模后的試樣繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).
表3 淤泥固化試驗(yàn)方案Tab.3 Test scheme of silt solidification
三軸試驗(yàn):固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠TSZ-1型應(yīng)變控制三軸儀. 固結(jié)應(yīng)力分別是50、100、150 kPa,試驗(yàn)過(guò)程按照中華人民共和國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T 50123—1999[18]進(jìn)行試驗(yàn).
水分測(cè)定試驗(yàn)[20]:水泥水化過(guò)程不僅是水化產(chǎn)物的生成過(guò)程,也是淤泥中水分形態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程. 水分按照與土體的結(jié)合勢(shì)能,大體上可以分為自由水、結(jié)合水、礦物水,其水分分界的勢(shì)能分別是pF=3.8和7.0,因此可以通過(guò)離心機(jī)的離心力將孔隙水中的自由水mpF=3.8(0<pF<3.8)排除;將剩余土樣在105 ℃條件下烘至恒重,可以認(rèn)為其土水結(jié)合勢(shì)能pF=7,則結(jié)合水mbw=m(pF=7.0)-m(pF=3.8)在該過(guò)程中排除. 而礦物水在礦物晶體中以穩(wěn)定的H+和OH-1存在,不會(huì)在105 ℃下?lián)]發(fā). 通過(guò)上述方法將自由水、結(jié)合水和礦物水分離. 淤泥固化過(guò)程中,自由水通過(guò)水化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水和礦物水,因此水化反應(yīng)前后自由水的變化量Δmfw等于結(jié)合水的增量Δmbw和礦物水的增量之和Δmhw. 所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單位淤泥的水分量表示.
3 d 養(yǎng)護(hù),圍壓100、150、200 kPa 條件下,OPC 和SAC 添加摻量為150 kg/m3固化淤泥試樣的應(yīng)力應(yīng)變(σ1-σ3)~εa~u 關(guān)系曲線,如圖1、圖2 所示. 從圖中可知,試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系一開(kāi)始是應(yīng)變硬化,偏應(yīng)力在軸向應(yīng)變?yōu)?%時(shí)達(dá)到頂峰,隨后基本保持不變. 不同圍壓下,總偏應(yīng)力差異不大,但是孔隙壓力差異較為明顯. 固化淤泥的應(yīng)變性質(zhì)接近強(qiáng)超固結(jié)土,存在一定的剪脹性. 孔隙水應(yīng)力隨偏應(yīng)力而增加,在接近(σ1-σ3)max時(shí),超靜孔隙水應(yīng)力開(kāi)始減小. 對(duì)于這種剪脹性,SAC固化淤泥表現(xiàn)得更加明顯. 這種類(lèi)似超強(qiáng)固結(jié)土的性質(zhì)并不是由于應(yīng)力歷史的原因,而是由于水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用,使得固化淤泥具有明顯的結(jié)構(gòu)性[9],在剪切過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的剪脹性.
圖1 (σ1-σ3)~εa~u關(guān)系(OPC 摻量150 kg/m3,養(yǎng)護(hù)齡期3 d)Fig.1 Relation of(σ1-σ3)-εa~u(OPC dosage is 150 kg/m3,and curing time is 3 days)
圖2 (σ1-σ3)~εa~u關(guān)系(SAC 摻量150 kg/m3,養(yǎng)護(hù)齡期3 d)Fig.2 Relation of(σ1-σ3)-εa~u(SAC dosage is 150 kg/m3,and curing time is 3 days)
隨著材料添加量的增加,固化淤泥中的水化產(chǎn)物不斷增多,使得固化淤泥中膠結(jié)物質(zhì)不斷增多. 在固結(jié)不排水試驗(yàn)中,固結(jié)壓力的取值為50~150 kPa,并不會(huì)使得固化淤泥內(nèi)部的膠結(jié)結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服狀態(tài),因此試樣在不排水剪切過(guò)程中所測(cè)得的強(qiáng)度主要是膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞和土顆粒之間的摩擦兩個(gè)部分. 為分析養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)試樣強(qiáng)度的影響,對(duì)所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理.
圖3是固化淤泥有效內(nèi)摩擦角隨齡期的變化. 以材料摻量為150 kg/m3為例,SAC固化淤泥的有效內(nèi)摩擦角φ′在47.4°~60.5°之間變化,并且在前14 d隨著齡期的增加而增加,但是在隨后的14 d內(nèi),φ′不再呈上升趨勢(shì). 而對(duì)應(yīng)的OPC固化淤泥的有效內(nèi)摩擦角在42.8°~47.1°之間,其值均要小于相同條件下SAC固化淤泥的有效內(nèi)摩擦角φ′.
圖4是固化淤泥有效黏聚力隨齡期的變化. 以材料摻量為150 kg/m3為例,SAC固化淤泥的有效黏聚力c′隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而不斷增大,其值在66.4~109.3 kPa之間變化,而對(duì)應(yīng)的普通硅酸鹽水泥固化淤泥的有效黏聚力遠(yuǎn)低于SAC固化淤泥. 由于隨著齡期的增長(zhǎng),SAC固化淤泥仍在不斷地進(jìn)行水化反應(yīng),形成更多的水化產(chǎn)物,使得水化產(chǎn)物與土顆粒之間的膠結(jié)作用不斷地增強(qiáng). 并且在養(yǎng)護(hù)到14 d后,固化淤泥中水化產(chǎn)物與土顆粒之間的膠結(jié)作用不斷地增強(qiáng),早強(qiáng)型材料固化淤泥試樣在不排水剪切過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的剪脹現(xiàn)象,導(dǎo)致了固化淤泥的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).
圖3 有效內(nèi)摩擦角隨齡期的變化Fig.3 Variation of effective friction angle with curing time
圖4 有效黏聚力隨齡期的變化Fig.4 Variation of effective cohesion force with curing time
正常淤泥并不存在黏聚力,只存在內(nèi)摩擦角[21]. 淤泥的水化產(chǎn)物不僅將淤泥的各個(gè)顆粒聯(lián)系在一起,使得黏聚力大為提高,同時(shí)結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)摩擦角也提高很多. 因此水化產(chǎn)物的生成與強(qiáng)度參數(shù)存在重要關(guān)系.
對(duì)于固化淤泥在添加固化材料之前,由于顆粒與顆粒之間主要有自由水的存在,使得顆粒與顆粒之間并沒(méi)有形成相對(duì)穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了原泥呈現(xiàn)出流動(dòng)狀態(tài). 而在添加固化材料后,由于固化材料的水化反應(yīng)形成的水化產(chǎn)物取代了原泥中自由水所在的孔隙以及其他微小孔隙,并且水化產(chǎn)物將土顆粒包裹起來(lái),形成較大粒徑的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),使得土顆粒之間的連接作用得到增強(qiáng). 因此,固化土中水化產(chǎn)物量和形態(tài)將直接影響固化土顆粒間的內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化.
圖5、圖6 分別是結(jié)合水增量對(duì)有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角的影響. 從圖中可以看出,有效黏聚力隨結(jié)合水增量的上升,呈現(xiàn)明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì). 在相同的材料添加量的情況下,硫鋁酸鹽水泥SAC 所對(duì)應(yīng)的結(jié)合水增量要高于普通硅酸鹽水泥,對(duì)應(yīng)的固化土的有效內(nèi)摩擦角和有效黏聚力均要高于普通硅酸鹽水泥. 在水化反應(yīng)的過(guò)程中,自由水同時(shí)向結(jié)合水和礦物水進(jìn)行轉(zhuǎn)化,因此凝膠態(tài)產(chǎn)物和結(jié)晶態(tài)的水化產(chǎn)物同時(shí)產(chǎn)生,淤泥顆粒與固化材料顆粒接觸,材料水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物將淤泥顆粒包裹起來(lái),早強(qiáng)型材料(SAC)所對(duì)應(yīng)的結(jié)合水增量要高于普通硅酸鹽水泥,說(shuō)明其水化產(chǎn)物的量也高于普通硅酸鹽水泥.
圖5 結(jié)合水增量與有效黏聚力的關(guān)系Fig.5 Relation of increase of bound water and effective cohesive force
圖6 結(jié)合水增量與有效內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.6 Relation of increase of bound water and effective friction angle
圖7、圖8分別是礦物水增量對(duì)固化淤泥有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角的影響. 從圖中可以看出,相同摻量下,SAC 固化淤泥的礦物水含量高于OPC 固化淤泥. 內(nèi)摩擦角與礦物水增量呈現(xiàn)更顯著的正相關(guān)關(guān)系.結(jié)合水的增加主要反應(yīng)水化硅酸鈣凝膠態(tài)產(chǎn)物的多少,而礦物水可以表征反應(yīng)生成的鈣礬石的多少[5]. 在水化反應(yīng)的過(guò)程中,自由水同時(shí)向結(jié)合水和礦物水進(jìn)行轉(zhuǎn)化,因此凝膠態(tài)產(chǎn)物和結(jié)晶態(tài)的水化產(chǎn)物同時(shí)產(chǎn)生,水化硅酸鈣凝膠在將土顆粒包裹的過(guò)程中,結(jié)晶態(tài)水化產(chǎn)物(鈣礬石)不斷地往外形成,不斷地填充土顆粒之間的孔隙,并且使得土顆粒之間的膠結(jié)作用不斷地增強(qiáng),使得土顆粒之間的咬合程度不斷地增強(qiáng). 由前文的分析可知,SAC 固化土破壞時(shí)呈現(xiàn)出很明顯的剪脹特性,說(shuō)明早強(qiáng)型材料(SAC)固化土顆粒之間的咬合程度較普通硅酸鹽水泥要高. 故早強(qiáng)型材料(SAC)固化土所對(duì)應(yīng)的有效內(nèi)摩擦角要高于普通硅酸鹽水泥.
圖7 礦物水增量與有效黏聚力的關(guān)系Fig.7 Relation of increase of bound water and effective cohesive force
圖8 礦物水增量與有效內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.8 Relation of increase of bound water and effective friction angle
總體趨勢(shì)上,早強(qiáng)型固化淤泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角均高于OPC固化淤泥,且表現(xiàn)出較為明顯的早強(qiáng)性.水化速率及水化產(chǎn)物對(duì)固化淤泥強(qiáng)度的影響非常復(fù)雜[22],內(nèi)在的機(jī)理有待進(jìn)一步研究.
1)由早強(qiáng)型(SAC)和普通硅酸鹽水泥(OPC)固化淤泥的(σ1-σ3)~εa~u關(guān)系曲線可知,兩種固化淤泥在不排水剪切試驗(yàn)的過(guò)程中均出現(xiàn)了剪脹的現(xiàn)象,且SAC固化淤泥的剪脹性更加明顯.
2)早強(qiáng)型(SAC)材料固化淤泥的黏聚力隨著材料摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大,內(nèi)摩擦角則隨著材料摻量的增加而增加,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的變化規(guī)律. 而普通硅酸鹽水泥固化土所對(duì)應(yīng)的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著養(yǎng)護(hù)齡期和材料摻量的增加而增大,并且其對(duì)應(yīng)值的大小始終要小于早強(qiáng)型材料(SAC)固化淤泥.
3)固化污泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)受水泥水化產(chǎn)物生成的影響,與結(jié)合水和礦物水的生成正相關(guān)關(guān)系.