桂 躍，余志華，劉海明，丁祖德，張 慶

昆明理工大學土木學院，昆明 650051

0 引言

淤泥固化是在淤泥中添加水泥等固化劑，處理成填土材料的技術(shù)，是實現(xiàn)淤泥資源化利用的重要手段［1－2］。固化淤泥重塑土是當淤泥的固化攪拌與澆筑施工在時間和空間上不能同步時，先將淤泥進行固化處理后置于臨時堆放場中，待有工程需要時再先將其破碎，運至目的地然后壓實填筑的土，簡稱重塑土。

固化淤泥重塑技術(shù)是固化技術(shù)的重要補充，是淤泥固化中又一研究課題。目前國內(nèi)外已開展相關的理論及工程運用研究。日本最早開展淤泥固化及重塑技術(shù)的研究：宮本健兒［3］報道了固化土破碎后再用作填土材料壓實重塑的工程實例；石井克己［4］通過室內(nèi)試驗明確了重塑土的無側(cè)限抗壓強度與摻灰比的關系，采用靜力觸探研究了重塑土中錐尖阻力與入土深度的關系，證明了固化處理泥炭質(zhì)土重塑土用作河堤填筑材料是可行的；佐藤厚子［5］通過對石灰和粉煤灰固化土的試驗，明確了固化淤泥與重塑土的無側(cè)限抗壓強度的關系，并指出重塑土的黏聚力和內(nèi)摩擦角可以用其無側(cè)限抗壓強度來表示。在國內(nèi)：黃英豪、朱偉等［6－8］分析了固化淤泥重塑土力學性質(zhì)并分析了其強度來源；桂躍等［9］通過對生石灰固化改良后的疏浚淤泥進行室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)重塑時機的不同會導致?lián)魧嵑蟮墓袒倌嗤翉姸炔町愶@著。

由于固化的效果主要由水泥等固化劑材料的在土中的膠結(jié)作用形成，因此重塑將不可避免地破壞固化淤泥膠結(jié)強度。從固化過程中發(fā)生化學反應的角度看，當淤泥中摻入水泥進行拌合后，隨著時間的發(fā)展發(fā)生系列化學反應，其中水泥的水化反應數(shù)小時內(nèi)完成，而火山灰反應甚至會持續(xù)數(shù)年以上［9］。隨著反應時間的延長，淤泥固化土的性質(zhì)逐步改變。因此，淤泥固化土何時破碎再壓實重塑比較適宜？重塑時機不同對淤泥固化重塑土的力學性質(zhì)有何影響？重塑后的固化淤泥土強度怎樣恢復？這些均是淤泥固化工程實踐中必須明確的問題。筆者從應用性出發(fā)，系統(tǒng)地研究了淤泥固化重塑土在不同時機重塑（壓實），經(jīng)一定的養(yǎng)護齡期后的強度特性，明確了重塑時機選擇對固化淤泥強度折減及后期重塑土強度恢復的影響，有助于工程實踐中選擇合適的施工時機。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

在云南昆明地區(qū)，有“高原明珠”之稱的滇池正進行大規(guī)模的疏浚工作。滇池治理的目標是到2020年實現(xiàn)草海水體穩(wěn)定達到Ⅴ類水質(zhì)，外海水體穩(wěn)定達到Ⅳ類水質(zhì)。至今已經(jīng)從滇池及周邊河流中疏浚出1 000萬m3的淤泥，但這僅占到湖區(qū)淤泥預計總量的1/10左右，預計還有8 000萬～1.2億m3的淤泥待疏浚。疏浚出的淤泥經(jīng)過吹填區(qū)靜置、排水、機械脫水后，運至存泥場堆放，此過程耗時長、成本高，而且存泥場將長期大量占地。因此，探索有效的疏浚淤泥資源化利用方法具有重要的工程意義。

疏浚淤泥取自昆明滇池福保村淤泥吹填堆場，其基本物理性質(zhì)見表1。其中：液塑限依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》［10］測定；粒徑分析試驗采用Beckman Coulter公司產(chǎn)的LS13320型激光粒度儀；有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的測定采用重鉻酸鉀氧化法。根據(jù)土的工程分類標準，其屬于高液限黏土。作為固化劑的水泥為某水泥廠生產(chǎn)的42.5#普通硅酸鹽水泥。

表1 滇池湖疏浚淤泥試樣的物理性質(zhì)指標Table 1 Summary of the physical properties of dredged sludge from Dianchi Lake

1.2 試驗方法

試樣制備過程如下：稱取一定質(zhì)量的淤泥，按設計好的摻灰比加入水泥，參考前人研究成果，摻灰比（ac）依次為50、100、150、200kg/m3；倒入攪拌機攪拌10min至顏色均勻，將攪拌好的淤泥、水泥混合物分層裝入內(nèi)徑39.1mm、高度80.0mm的鋼模中，裝入每層土時都振動排除氣泡，裝前鋼模中均勻涂抹一層機油方便脫模；鋼模中的試樣在24h后脫出即成Ф39.1mm×80.0mm的圓柱體試樣，將試樣放入溫度為（20±2）℃、濕度大于90%的標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護至所需齡期，本次試驗設計了固化土的養(yǎng)護齡期1、3、7、14、28、90d；剩余的固化土則裝入聚乙烯塑料袋中，放在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護。重塑過程［7］是在預定的齡期到達時，將袋中剩余的固化土拿出破碎并過5mm篩，再用輕型擊實儀擊實。根據(jù)擊實得到的密度作為控制指標，稱取相應質(zhì)量的破碎固化土進行重塑土的制樣，制樣過程和普通土樣的重塑樣制樣程序一致。重塑樣制好后一部分立即進行試驗，另一部分放入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)生，養(yǎng)護齡期分別為1、3、7、14、28、90d。

分別對固化土和重塑土試樣進行了無側(cè)限抗壓強度試驗、直剪試驗。無側(cè)限抗壓強度試驗采用的是南京寧曦土壤儀器廠生產(chǎn)的YSH－2型石灰土無側(cè)限壓力儀，每組分別測定3個平行試樣，結(jié)果取其平均值。直剪試驗采用應變控制式直剪儀，試驗方法為快剪，剪切速率為0.8mm/min，4組法向應力分別取50、100、150、200kPa，抗剪強度參數(shù)的獲取按照規(guī)范［10］中的直線法進行。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同重塑時機引起的淤泥固化土強度折減分析

分析重塑時機就必須涉及到養(yǎng)護齡期。固化淤泥土只涉及到一個制樣后的養(yǎng)護齡期T，即試樣脫模后養(yǎng)護至試驗時經(jīng)歷的時長；重塑土則有2個齡期，即重塑前的養(yǎng)護齡期T前和重塑后的養(yǎng)護齡期T后。T前是淤泥和固化劑拌和完后養(yǎng)護至被重塑時所經(jīng)歷的時長，筆者在對比分析重塑導致的強度折減時，T和T前實質(zhì)上在時長上是相等的；T后是重塑樣制樣后再進行養(yǎng)護至試驗時所經(jīng)歷的時長。不同的養(yǎng)護齡期下對應不同的強度，為了后文表示方便，用qu，t代表養(yǎng)護齡期td固化土的無側(cè)限抗壓強度；用ˉqu，t代表重塑土的無側(cè)限抗壓強度，此處t代表的是重塑后的養(yǎng)護齡期T后。例如：固化土重塑之后不進行養(yǎng)護，立即進行無側(cè)限抗壓強度的測試，則其強度表示為ˉqu，0；重塑之后試樣養(yǎng)護28d再進行無側(cè)限抗壓強度測試，則其結(jié)果表示為ˉqu，28。為了更直觀地表述重塑土相對固化土在強度上的折減程度，引入無側(cè)限抗壓強度比λt＝ˉqu，t/qu，t，此值越小，表明強度折減越嚴重。

從圖1可以看出，qu、ˉqu，0均大致與ac呈線性增長的關系；說明無論是淤泥固化土還是它的重塑土，水泥摻灰比的增加都是對增強固化效果有利的。從圖1c可以看出：重塑土較固化土在強度上出現(xiàn)了顯著的折減，僅為固化土的20%～45%；而且在某一固定的重塑前養(yǎng)護齡期T前下，無側(cè)限抗壓強度比λ基本滿足隨著水泥摻灰比的增大而減小的規(guī)律。

從圖2a、b中可以看出：固化土無側(cè)限抗壓強度qu隨著養(yǎng)護齡期T的增大而增大，重塑土的無側(cè)限抗壓強度qu，0也是隨著重塑前的養(yǎng)護齡期T前增大而增大的，可知養(yǎng)護齡期同樣對固化效果影響顯著。圖2c顯示，隨著T前增大，無側(cè)限抗壓強度比λ減小，表明重塑導致的強度折減越來越嚴重。如水泥摻灰比ac＝200kg/m3時，λ從1d時的0.38下降至28d時的0.22。

經(jīng)以上分析基本可得出規(guī)律：固化淤泥土的ac越大、T前越長，重塑時導致的強度折減越嚴重。

2.2 重塑土的強度恢復分析

固化淤泥重塑土壓實（重塑后）的強度如何變化，直接關系到其在工程中發(fā)揮作用的過程，因此更值得探求。以下將對重塑土養(yǎng)護齡期T后分別為28、90d時的強度恢復規(guī)律進行分析。從圖3可以看出和ac基本呈線性增大的關系（圖3a）；重塑前的養(yǎng)護齡期T前越長越大（圖3b）。

圖1 固化土（a）、重塑土（b）無側(cè)限抗壓強度、無側(cè)限抗壓強度比（c）與水泥摻灰比關系Fig.1 Relationship between cement content and UCS of solidified soil（a）and remodeled soil（b）and strength ratio（c）

圖2 固化土（a）、重塑土（b）無側(cè)限抗壓強度、強度比（c）與（重塑前的）養(yǎng)護齡期關系Fig.2 Relationship between Tand UCS of solidified soil（a）and remodeled soil（b）and strength ratio（c）

再分析重塑土的無側(cè)限抗壓強度與固化土養(yǎng)護28d的無側(cè)限抗壓強度qu，28之比λ28。圖4a為λ28與ac的關系，從圖中可以看出λ28隨ac增大而減小。從圖4a可知，當T前＝28d，λ28從ac＝50kg/m3時的1.92降至ac＝200kg/m3時的0.91。這表明雖經(jīng)28d的養(yǎng)護，但大摻灰比的重塑土的強度恢復效果不理想。從圖4b中可以看出λ28與T前之間存在較好的線性增長的關系，表明重塑前的養(yǎng)護齡期越長，重塑土的28d強度恢復得越好。

從圖5a可以看出，在不同的T前下，重塑土與ac基本均呈線性增大的關系。從圖5b中可以看出不僅和T前有關，還和ac有關：當ac＝50、100kg/m3時二者呈線性增大的關系；而ac＝150、200kg/m3時呈線性減小的關系。分析λ90與ac、T前的關系可知：λ90大致滿足隨著ac增大而減小的規(guī)律（圖6a），此規(guī)律和重塑土28d時的λ28－ac關系（圖4a）相似；λ90與T前的關系也和ac有關（圖6b），不再是T前＝28d時單純增大的關系（圖4b），而是呈現(xiàn)2種規(guī)律，當ac＝50、100kg/m3時呈線性增大的關系，ac＝150、200kg/m3時呈線性減小的關系。

綜合分析重塑土28、90d的強度可知：ac≤100 kg/m3時的重塑土養(yǎng)護后強度相對于固化土的強度是增大的，即λ＞1，歸類為強度恢復效果較好的重塑土；而摻灰比ac＞100kg/m3的重塑土普遍λ＜1，表明強度難以恢復到固化土的水平。如在T前＝28 d的情況下：ac＝50kg/m3時，λ90＝1.416；ac＝100 kg/m3時，λ28＝1.13。

圖3 與ac（a）及T前（b）的關系Fig.3 Relationship betweenand cement content（a）or curing period before remodeled（b）

圖4 重塑土λ28與ac（a）及T前（b）的關系Fig.4 Relationship betweenλ28of remodeled soil and cement content（a）or curing period before remodeled（b）

圖5 重塑土養(yǎng)護90d無側(cè)限抗壓強度與水泥摻灰比（a）及重塑前的養(yǎng)護齡期（b）關系Fig.5 Relationship between 90day’s UCS of remodeled soil and cement content（a）or curing period before remodeled（b）

圖6 重塑土λ90與ac（a）及T前（b）的關系Fig.6 Relationship betweenλ90and cement content（a）or curing period before remodeled（b）

以上現(xiàn)象的原因可從養(yǎng)護齡期和重塑造成的強度折減角度進行解釋。重塑土T前＝28d的試樣，從水泥拌合到淤泥中至重塑土養(yǎng)護28d后進行強度測試，總的化學反應時長是T前＋T后，共計56d，是固化土的養(yǎng)護齡期T＝28d的2.00倍；對于重塑后養(yǎng)護90d的重塑土，T前＋T后為118d，是固化土養(yǎng)護齡期T＝90d的1.31倍。從化學反應的角度來看，固化淤泥中發(fā)生了水化反應、離子交換、火山灰反應和碳酸化反應［11－13］，反應持續(xù)的時間分別為數(shù)時、數(shù)日、數(shù)月甚至數(shù)年［12，14］，反應產(chǎn)物發(fā)生了膠結(jié)和骨架支撐作用，產(chǎn)物越多，發(fā)生的作用越顯著。因此總體反應時間越長，微觀上土的性質(zhì)改善程度越顯著，而且總養(yǎng)護齡期長的優(yōu)勢部分彌補了重塑過程帶來的強度折減。從試驗結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)λ90＜λ28的試樣組數(shù)增多，表明從長期強度來看，重塑前養(yǎng)護齡期T前延長帶來的總反應時間延長的優(yōu)勢逐漸不足以彌補推遲重塑過程帶來的強度折減增大。另外，前文分析得到的規(guī)律——小摻灰比固化土重塑時的強度折減程度小于大摻灰比的固化土，可以用來解釋小摻灰比重塑土強度恢復普遍好于大摻灰比重塑土的原因。

2.3 固化淤泥重塑土強度折減、恢復機理分析

采用直剪試驗測定固化土和重塑土的黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ），分析重塑導致強度折減及重塑后強度恢復的機理。

從圖7可以看出：固化土的黏聚力c隨養(yǎng)護齡期T的增加而增大；而重塑土中除ac＝200kg/m3外，其黏聚力c重亦基本滿足隨T前增加而增大的規(guī)律。同時還可以看出，c重相比c有了顯著的折減，僅為其5%～25%，說明黏聚力的減小是重塑過程帶來的強度折減的直接原因。

圖7 固化土（a）、重塑土（b）黏聚力與養(yǎng)護齡期關系Fig.7 Relationship between cohesion of solidified（a）or remodeled soil and curing period（b）

從圖8中可以看出：固化土的φ和ac及T之間并不存在明顯的相關性（圖8a）；而對于重塑土來說，可以看出隨著T前的增大，φ重基本上是增大的，且滿足隨著ac的增加，φ重也增大的規(guī)律（圖8b）。將固化土的φ和重塑土φ重進行比較可以發(fā)現(xiàn)，大部分情況下φ重是要略大于φ的，尤其是水泥摻灰比大的重塑土。如ac＝200kg/m3、T前＝28d時，重塑土φ重＝28.5°，固化土φ＝15.8°，前者提高了12.7°。文獻［6］在研究固化淤泥重塑土的內(nèi)摩擦角時，亦得出相似的結(jié)論。其機理可解釋如下：固化土的強度和土骨架結(jié)構(gòu)，主要來源于水泥水化和土中物質(zhì)發(fā)生化學反應生成膠結(jié)物質(zhì)，水泥摻灰比大和養(yǎng)護齡期長都使得膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)量大、固化效果顯著；而固化土重塑過程將這些膠結(jié)破壞，形成了大小不一的土團粒體，其間的黏聚力和內(nèi)摩擦，成為重塑土的強度來源，見圖9。而這些土團粒體的性質(zhì)是直接和母土（即固化土）的性質(zhì)相關的，母土屬于固化效果好的一類土時，土團粒表現(xiàn)出的脆硬性明顯，反之則以軟塑性為主。重塑（壓實）后，土團聚體間雖還存在一定的黏聚力，但相比固化土折減顯著；而微觀結(jié)構(gòu)上此時抵抗剪應力p的是以土團粒間的摩擦、咬合作用為主［6］，團粒體越脆硬，則土粒間的摩擦咬合作用越強，表現(xiàn)出來內(nèi)摩擦角相應越大。所以固化淤泥重塑土的剪切性是和水泥摻灰比ac及養(yǎng)護齡期T前有直接關系的：T前越長、ac越大，越有利于使土團粒體的塑性消弱、脆硬性增強，使得重塑土的內(nèi)摩擦角增大。

圖8 固化土（a）、重塑土（b）內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護齡期關系Fig.8 Relationship between internal fiction of solidified（a）or remodeled soil（b）and curing period

圖9 重塑土的來源示意圖［6］Fig.9 Sketch map of strength source of remolded solidified soil

對重塑土進行養(yǎng)護，土中的化學反應仍在持續(xù)，土的性質(zhì)會發(fā)生一定的改變。選擇4組有代表性的重塑土，分析c重、φ重與T后關系，如圖10所示。

圖10 重塑土的黏聚力（a）、內(nèi)摩擦角（b）與重塑后的養(yǎng)護齡期關系Fig.10 Relationship between cohesion（a）or internal fiction（b）of remodeled soil and curing period after remodeled

從圖10可以看出，隨著重塑后養(yǎng)護齡期T后的增大，重塑土的c重、φ重均相應有所增大。這表明破碎固化土重塑之后，土中發(fā)生的化學反應對土團聚體間的膠結(jié)及土團聚體的性質(zhì)改善仍發(fā)揮作用，使得重塑土的強度仍有一定的增大潛力。此外，還可以看出：ac＝50kg/m3時，在90d內(nèi)，黏聚力c重隨著T后的增大而增大；ac＝200kg/m3時，c重值的增大趨勢在T后到達28d后則有所減弱。φ重隨著重塑后的養(yǎng)護齡期增長，基本滿足增大規(guī)律。以上表明隨著時間增長，土中化學反應使得土的性質(zhì)得到了進一步改善。

3 固化土的最優(yōu)重塑時機

判別固化土的最優(yōu)重塑時機應綜合考慮重塑時的強度折減及重塑之后的強度恢復。從以上試驗結(jié)果來看：重塑時機的選擇對固化淤泥重塑土的強度折減程度有顯著的影響，重塑前的養(yǎng)護齡期T前越長，破碎過程帶來的強度折減越大；大致滿足水泥摻灰比ac越大、強度折減越大的規(guī)律。從強度恢復特性來看，小水泥摻灰比的重塑土經(jīng)過重塑后的養(yǎng)護，其強度恢復較好，對于大摻灰比的重塑土其強度則較難恢復至固化土的水平，并且重塑前的養(yǎng)護齡期T前越長，對強度恢復越不利。結(jié)合成本來考慮，筆者認為：對于工期不緊迫、有足夠堆放場地的工程，可以采用小水泥摻灰比、延長重塑前養(yǎng)護齡期的方法獲取較理想的固化土效果，且節(jié)約可觀的固化成本；而工期緊迫的情況下可以采用大摻灰比固化土早重塑的手段，盡可能減小重塑帶來的強度損失，獲得和固化土強度相當?shù)睦硐胩钔亮稀?/p>

4 結(jié)論與建議

1）固化土重塑時的強度折減，主要是由于破碎過程對固化土中膠結(jié)強度的損失。固化土水泥摻灰比越高，重塑前的養(yǎng)護齡期越長，重塑時的強度折減越嚴重。

2）從強度恢復特性來看，小水泥摻灰比的重塑土經(jīng)過重塑后的養(yǎng)護，其強度恢復較好，對于大摻灰比的重塑土其強度則較難恢復至固化土的水平，并且重塑前的養(yǎng)護齡期T前越長，對強度恢復越不利。

3）結(jié)合成本來考慮，對于工期不緊迫、有足夠堆放場地的工程，可以采用小水泥摻灰比、延長重塑前養(yǎng)護齡期的方法，即可獲取較理想的固化土效果，且節(jié)約可觀的固化成本；而工期緊迫的情況下可以采用大摻灰比固化土早重塑的手段，盡可能減小重塑帶來的強度損失，獲得和固化土強度相當?shù)睦硐胩钔亮稀?/p>

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