徐遠(yuǎn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310000)

浙江沿海發(fā)展迅速，城市建設(shè)加速推進(jìn)，推進(jìn)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(dòng)狀態(tài)，不僅不便于運(yùn)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(duì)復(fù)雜、成本高昂[1]。

針對(duì)上述問題，眾多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)固化劑選擇、強(qiáng)度特性、水分轉(zhuǎn)化等多方面進(jìn)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(duì)太湖清淤淤泥進(jìn)行固化研究，探討了固化淤泥水分轉(zhuǎn)化、早期強(qiáng)度等特性，發(fā)現(xiàn)礦物水變化量與抗壓強(qiáng)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(duì)高液限、高含水率淤泥進(jìn)行固化處理，提出了淤泥強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型；鄭少輝等[12]對(duì)不同水灰比水泥固化土的強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，解決部分因?yàn)轲ね令愋筒煌鸬膹?qiáng)度模型變異問題，同時(shí)表明水灰比不是影響固化土強(qiáng)度的唯一參數(shù)。因此，不同類型黏土、不同類型固化劑的強(qiáng)度特性并不完全相同。

基于目前對(duì)固化土強(qiáng)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(qiáng)度不夠經(jīng)濟(jì)合理等問題，筆者針對(duì)溫州沿海的吹填淤泥進(jìn)行固化試驗(yàn)，分析其抗壓強(qiáng)度、密度與固化劑摻量、水灰比的關(guān)系，并通過效果/費(fèi)用等方式分析固化合理性，為后期淤泥固化設(shè)計(jì)施工提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案

本文固化試驗(yàn)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(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)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(duì)疏浚淤泥的含水率、顆分、液塑限等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)分析。

土樣取自溫州沿海吹填淤泥，經(jīng)測(cè)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(qiáng)，強(qiáng)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(tuán)粒孔隙間，提高土體密實(shí)性，從而提高強(qiáng)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(jī)類膠凝材料，因此確定42.5硅酸鹽水泥、二級(jí)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(yàn)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(rùn)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(dòng)60下，每個(gè)配比做6 個(gè)平行試樣；5) 養(yǎng)護(hù)，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(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

1.3 固化方案

含水率、固化劑的摻量等與固化土的強(qiáng)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(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1和圖2可知，相同固化劑摻量時(shí)，無論7 d強(qiáng)度還是28 d強(qiáng)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(zhǎng)了約1.6倍，強(qiáng)度降低為初始含水率=70%時(shí)的20%～30%，說明淤泥初始含水率對(duì)強(qiáng)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(qiáng)度，從圖中可以了解，初始含水率增大，固化劑摻入對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)影響減小，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差值縮小，理論上水分越多，水化反應(yīng)會(huì)越充分，水化產(chǎn)物也會(huì)越多。但當(dāng)固化土中存在大量自由水時(shí)，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(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)減弱。

圖1 7 d強(qiáng)度與初始含水率關(guān)系圖

圖2 28 d強(qiáng)度與初始含水率關(guān)系圖

2.2 CFL摻量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖3和圖4為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與CFL摻量的關(guān)系圖，對(duì)于該吹填淤泥，其固化土的強(qiáng)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(shí)，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為100.8 kPa，而固化劑摻量增加到20%時(shí)，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了1.8倍，達(dá)到281.7 kPa；28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了2.28倍。

圖3 7 d強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系圖

圖4 28 d強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系圖

含水率小于90%時(shí)，7 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)與CFL摻量增長(zhǎng)基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系，表達(dá)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)物向土顆粒或土團(tuán)粒之間的孔隙聚集，當(dāng)摻量較小時(shí)，CFL固化土的pH值較小，不足以對(duì)固化土提供強(qiáng)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(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；隨著摻量的增加，固化土的pH值也相應(yīng)增加，在強(qiáng)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(shí)形成膠結(jié)產(chǎn)物明顯增多，強(qiáng)度增長(zhǎng)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(qiáng)度增加。

fcu=kAc+b

(1)

式(1)中：fcu為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；k,b取決于土性與固化劑摻量的經(jīng)驗(yàn)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(yàn)公式擬合常數(shù)(fcu-Ac)

2.3 CFL摻量對(duì)固化土濕密度的影響

對(duì)28 d齡期固化土進(jìn)行密度測(cè)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(duì)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(yàn)系數(shù)(表3)。

表3 不同含水率固化土的經(jīng)驗(yàn)公式擬合常數(shù)(ρ-Ac)

2.4 水灰比對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)度，得到強(qiáng)度預(yù)測(cè)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(yàn)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(qiáng)度與水灰比w/Ac呈現(xiàn)非線性關(guān)系，水灰比w/Ac越大，強(qiáng)度越低；含水率為70%和80%時(shí)，公式(2)能較好的描述CFL固化土7 d強(qiáng)度和28 d強(qiáng)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(shí)，28 d強(qiáng)度與水灰比的相關(guān)性更強(qiáng)，具體參數(shù)如表4所示。

圖6 7 d強(qiáng)度與水灰比關(guān)系圖

圖7 28 d強(qiáng)度與水灰比關(guān)系圖

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

3 淤泥固化效果評(píng)價(jià)

為了后期現(xiàn)場(chǎng)固化試驗(yàn)，僅僅考慮強(qiáng)度并不能滿足實(shí)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(fèi)用比反映在相同成本下的淤泥固化效果。一般現(xiàn)場(chǎng)固化試驗(yàn)采用7 d強(qiáng)度作為參考標(biāo)準(zhǔn)，因而筆者將計(jì)算CFL固化土的7 d強(qiáng)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(shí)，效果費(fèi)用比俱佳；當(dāng)含水率超過90%時(shí)，不同含水率、不同摻量的效果費(fèi)用比差異性縮小，間接說明高含水率淤泥處理時(shí)，達(dá)到相同效果費(fèi)用比時(shí)的固化成本高，固化處理性價(jià)比降低。根據(jù)各含水率的CFL固化土效果費(fèi)用比可以了解到，摻量的增加對(duì)效果增加不明顯，總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此對(duì)于吹填地基固化處理現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)固化土含水率為70%～80%、CFL固化劑摻量為5%～8%時(shí)，性價(jià)比最優(yōu)；當(dāng)含水率超過90%時(shí)，除特定應(yīng)用場(chǎng)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(qiáng)度與費(fèi)用關(guān)系

圖8 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與成本關(guān)系圖

4 結(jié) 論

基于室內(nèi)試驗(yàn)，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(qiáng)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(duì)各類固化土強(qiáng)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(qiáng)度降低。當(dāng)初始含水率為70%和80%時(shí)，強(qiáng)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(shí)，其線性相關(guān)性稍差。

3) 各類固化土強(qiáng)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(shí)，7 d齡期和28 d齡期的固化土強(qiáng)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(shí)，28 d齡期的相關(guān)性更強(qiáng)。

4) 各類淤泥固化土效果費(fèi)用比均大于1，處理效果良好，尤其對(duì)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(chǎng)固化土處理強(qiáng)度目標(biāo)前提下，當(dāng)含水率低于90%時(shí)，固化劑摻量為5%～8%的性價(jià)比最優(yōu)。