王國(guó)才，吳旻炯

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

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灘涂淤泥固化土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

王國(guó)才，吳旻炯

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：為進(jìn)一步了解固化材料的種類和摻量等因素對(duì)固化土力學(xué)特性的影響，采用常規(guī)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)對(duì)水泥為主固化劑、氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰、高爐礦渣和減水劑等為外摻劑配制而成的固化劑固化灘涂淤泥的固化效果和固化土力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.結(jié)果表明：在水泥基準(zhǔn)摻量的基礎(chǔ)上，摻入一定量的氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰和高爐礦渣后，灘涂淤泥固化土的強(qiáng)度得到了一定的提高，但摻量超過一定值后，其強(qiáng)度反而隨著外摻劑摻量的增加而變小.

關(guān)鍵詞：灘涂淤泥；固化；三軸試驗(yàn)；力學(xué)特性

我國(guó)沿海灘涂資源十分豐富，是沿海地區(qū)重要的土地后備資源.灘涂圍墾可有效緩解沿海地區(qū)用地緊張問題.然而，灘涂淤泥含水量高，強(qiáng)度低，工程性質(zhì)很差，在開發(fā)利用前必須對(duì)其進(jìn)行處理.對(duì)深厚淤泥進(jìn)行處理的常用方法主要有物理脫水、加熱燒結(jié)和化學(xué)固化三種.其中，化學(xué)固化是通過向淤泥中加入固化材料對(duì)其進(jìn)行固化從而改善其工程特性的方法，具有處理量大、施工簡(jiǎn)便靈活等優(yōu)點(diǎn).這項(xiàng)技術(shù)可充分利用工業(yè)廢石膏、廢石灰和廢棄礦渣和粉煤灰等廢棄物，對(duì)環(huán)境保護(hù)、廢棄物再生利用和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等具有重要的意義[1-5].陳慧娥[1]通過直剪試驗(yàn)及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)不同地區(qū)軟土經(jīng)水泥加固后的強(qiáng)度形成特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，從試樣的粒度成分、有機(jī)質(zhì)含量及加固后試樣的微觀結(jié)構(gòu)特征等方面解釋了加固土力學(xué)性質(zhì)的差異.黃雨[2]采用XRD和SEM方法對(duì)原狀土、摻入石膏的水泥加固土和不摻入石膏的水泥加固土進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)研究，探討了導(dǎo)致這種加固效果差異的微觀機(jī)理.周麗萍[4]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了硅粉、天然浮石粉、鈉鹽以及表面活性劑等外摻劑對(duì)水泥土改性效果的影響.

為進(jìn)一步了解固化材料的種類和摻量等對(duì)固化土力學(xué)特性的影響，采用常規(guī)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)對(duì)水泥為主固化劑、氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰、高爐礦渣和減水劑等為外摻劑配制而成的固化材料固化灘涂淤泥的固化效果和固化土力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析不同主固化劑和外摻劑摻量下的灘涂淤泥固化土的應(yīng)力應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律，分析各因素對(duì)固化土力學(xué)特性的影響規(guī)律，探討摻入氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰和高爐礦渣等外摻劑對(duì)提高灘涂淤泥固化土強(qiáng)度的影響及摻量范圍.

1試驗(yàn)材料及方案

1.1試驗(yàn)材料

制備灘涂淤泥固化土所用原料有灘涂淤泥、水泥、外摻劑和水等，其中原料土為浙江省沿海地區(qū)的灘涂淤泥，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[3]，水泥采用杭州“錢潮”有限公司生產(chǎn)的#32.5硅酸鹽水泥，氫氧化鈉采用杭州化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的片狀氫氧化鈉，三乙醇胺采用無錫海碩生物有限公司生產(chǎn)的三乙醇胺，減水劑選用杭州宏基混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的減水劑，粉煤灰選用浙江紹興濱海熱電廠產(chǎn)生的細(xì)粒粉煤灰，高爐礦渣采用南京營(yíng)輝建材商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的?；郀t礦渣，水則采用普通自來水.

1.2試驗(yàn)方案

為研究水泥、氫氧化鈉、三乙醇胺、減水劑、粉煤灰和高爐礦渣等的摻量對(duì)灘涂淤泥固化土力學(xué)特性的影響，以水泥摻量為6%、水灰比為0.5作為基準(zhǔn)摻量，分別摻入不同摻量的水泥、三乙醇胺、減水劑、氫氧化鈉、粉煤灰和高爐礦渣.其中，減水劑、三乙醇胺和氫氧化鈉的摻量分別為各自質(zhì)量與水泥質(zhì)量之比，而水泥、粉煤灰和高爐礦渣摻量為各自質(zhì)量與被加固灘涂淤泥質(zhì)量之比.每種摻物的摻量水平有4個(gè)，平行試驗(yàn)3個(gè)，這樣每種固化劑或外摻劑需制樣12個(gè).單摻試驗(yàn)配料方案如表1所示.

表1　單摻實(shí)驗(yàn)配料方案

試樣的制備分為稱料、混合攪拌、入模和養(yǎng)護(hù)4個(gè)步驟，其中制樣模具采用直徑為39.1 mm、高為80 mm的銅質(zhì)飽和器.試樣制備好后，放在溫度為(20±5) ℃、濕度在95%以上的II級(jí)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到規(guī)定的齡期后進(jìn)行試驗(yàn).本次養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)為14 d.

當(dāng)試樣養(yǎng)護(hù)到規(guī)定的齡期后，拆模.將試樣放到南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的TSZ-II全自動(dòng)三軸儀中并按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)的規(guī)定和要求進(jìn)行不固結(jié)不排水多級(jí)剪切試驗(yàn).剪切時(shí)，剪切速率為0.08 mm/min，個(gè)別情況下可取為0.04 mm/min，圍壓則設(shè)定為600，1 000，1 500 kPa.

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1各因素對(duì)灘涂淤泥固化土強(qiáng)度特性的影響

證明 若0<α> <1, [0,1]且β≠α,則s(α,β)≤α*,其中α*=α∨(1-α), s(α,β)=(α→0 β)∧(β→0α)。因此,對(duì)任意的(0,1)均為孤立點(diǎn),繼而,對(duì)任意的(0,1),{x}均為開集,且α

2.1.1水泥摻量的影響

將齡期設(shè)為14 d，水泥摻入比分別固定為6%，8%，10%，12%，制作4組試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸多級(jí)剪切試驗(yàn)，其結(jié)果如圖1所示.

圖1　不同水泥摻量下灘涂淤泥固化土試樣應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1　The stress-strain relationship of the stabilized beach soil under different cement content

由圖1可知：在水泥摻量一定時(shí)，灘涂淤泥固化土的最大主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增大而增大，到峰值后開始減??；隨著水泥摻量的增加，灘涂淤泥固化土的最大主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線變得更陡，表明：灘涂淤泥固化土的強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增大，尤其是在水泥摻量從6%增大到8%，其增幅最大.從圖1還可看出：不同水泥摻量下的灘涂淤泥固化土的最大主應(yīng)力差變化范圍為450～1 200 kPa之間；灘涂淤泥固化土的峰值出現(xiàn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變值隨水泥摻量增大而減小，其變化范圍為1.65%～1.20%之間，其破壞形式呈現(xiàn)出脆性斷裂.上述現(xiàn)象可解釋為：水泥摻入到灘涂淤泥中，與灘涂淤泥和水發(fā)生了一系列水解及水化反應(yīng)，生成新的化合物，這些產(chǎn)物有的繼續(xù)發(fā)展成為土體中的支撐結(jié)構(gòu)，有的則和土體中的物質(zhì)相互作用，這些因素共同作用形成了灘涂淤泥固化土.

2.1.2氫氧化鈉摻量的影響

在水泥摻量為6%、水灰比0.5的基準(zhǔn)摻量基礎(chǔ)上，分別摻入0.4%，0.6%，0.8%，1.0%的氫氧化鈉，制作4組試樣并養(yǎng)護(hù)到14 d后進(jìn)行不同圍壓下的不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，其結(jié)果如圖2所示.

圖2　不同氫氧化鈉摻量下灘涂淤泥固化土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2　The stress-strain relationship of stabilized soil under different sodium hydroxide content

從圖2可看出：在相同軸向應(yīng)變的情況下，隨著氫氧化鈉摻量的增加，固化土的最大主應(yīng)力差逐漸增加.隨著軸向應(yīng)變的增加，固化土的主應(yīng)力差也在增加.灘涂淤泥固化土的峰值變化范圍在800～1 200 kPa，相應(yīng)地其峰值應(yīng)變變化范圍為1.2%～1.05%，屬于脆性破壞.這是由于摻入氫氧化鈉后，改變了固化土的PH值，促進(jìn)了水泥在土體中的水化反應(yīng)，從而提高了灘涂淤泥固化土的強(qiáng)度.

圖3是水泥摻量為6%、水灰比為0.5的基準(zhǔn)摻量基礎(chǔ)上，再分別摻入0.02%,0.05%,0.08%,0.11%三乙醇胺后灘涂淤泥固化土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線.由圖3可知：隨著三乙醇胺摻量的增加，灘涂淤泥固化土的最大主應(yīng)力差先增加后減小，在三乙醇胺摻量水平為0.05%時(shí)達(dá)到最大值.這可解釋為：作為一種高效的混凝土早強(qiáng)劑，三乙醇胺雖然不改變水泥的水化生成物，但能使水泥水化所生成膠體的活性加強(qiáng)，對(duì)周圍產(chǎn)生壓力，阻塞毛細(xì)管通道，加劇吸附、濕潤(rùn)和微粒分散等的作用，促使鋁酸三鈣與石膏之間形成水化硫鋁酸鈣的反應(yīng)，從而提高水泥土的密實(shí)性、抗?jié)B性和抗凍性，起早強(qiáng)和提高強(qiáng)度的作用.

圖3　不同三乙醇胺摻量下的灘涂淤泥固化土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different triethanolamine content

2.1.4減水劑摻量的影響

在水泥固化土中摻入減水劑可以使被水泥與水反應(yīng)產(chǎn)生的絮凝結(jié)構(gòu)包裹的水釋放出來，并使水泥顆粒分散從而提高水泥的比表面積，使水泥與土的反應(yīng)更充分.為說明灘涂淤泥固化土中摻入減水劑對(duì)其強(qiáng)度的影響，圖4給出了不同減水劑摻量下灘涂淤泥固化土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線.由圖4可看出：不管減水劑摻量如何，當(dāng)軸向應(yīng)變小于0.25%時(shí)，曲線幾乎完全重合，表明小應(yīng)變情況下減水劑摻量對(duì)固化土強(qiáng)度影響不大；但當(dāng)軸向應(yīng)變超過0.25%后，減水劑摻量分別為1%和1.5%時(shí)的曲線幾乎相同；當(dāng)減水劑摻量超過2%時(shí)，其曲線在應(yīng)變較小時(shí)幾乎完全重合，當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)最大主應(yīng)力差則有所不同，但與減水劑摻量小于等于1.5%的情形相差較大，尤其在應(yīng)變較大時(shí)其差異更明顯.

圖4　不同減水劑摻量下灘涂淤泥固化土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different water reducing agent content

2.1.5粉煤灰摻量的影響

由于粉煤灰是活性材料，含有大量的氧化硅、氧化鋁等，同時(shí)也含有氧化鈣等物質(zhì).因此，在與水反應(yīng)后，氧化硅與氧化鋁可以和CH進(jìn)行火山灰反應(yīng)，生成的產(chǎn)物為水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，使土體的強(qiáng)度增強(qiáng).

為說明摻入粉煤灰對(duì)灘涂淤泥固化土強(qiáng)度的影響，圖5給出了不同粉煤灰摻量下灘涂淤泥固化土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線.由圖5可見：隨著粉煤灰摻量的增大，固化土最大主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增大先是變大，后變小.當(dāng)摻量水平達(dá)8%時(shí)，其值達(dá)到最大值，之后逐漸減小.

圖5　不同粉煤灰摻量下灘涂淤泥固化土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different fly ash content

2.1.6高爐礦渣摻量的影響

與粉煤灰一樣，高爐礦渣里也同樣含有大量的活性氧化硅、活性氧化鋁等，同樣可參與水泥的水化水解反應(yīng)，與氫氧化鈉反應(yīng)生產(chǎn)水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣.圖6給出了不同高爐礦渣摻量下灘涂淤泥固化土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線.由圖6可見：隨著高爐礦渣摻量的增大，固化土的曲線幾乎重合.對(duì)于高爐礦渣摻量從6%增加到12%，其最大主應(yīng)力差變化范圍為1 714 kPa增大到1 741 kPa，其增量為27 kPa，其增量幾乎可以忽略不計(jì)，但跟僅摻入10%水泥的基準(zhǔn)摻量情況相比，其強(qiáng)度增加了70%左右.從圖6還可看出：摻入高爐礦渣后的固化土峰值應(yīng)變變小，約為0.175%左右，同樣屬于脆性破壞.

圖6　不同高爐礦渣摻量下灘涂淤泥固化土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different blast furnace slag content

2.2抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

在土體穩(wěn)定分析、地基和樁基承載力設(shè)計(jì)與計(jì)算等時(shí)，需要提供土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo).為分析水泥、氫氧化鈉、粉煤灰和高爐礦渣等因素對(duì)固化土強(qiáng)度指標(biāo)的影響，對(duì)圍壓分別為600，1 000，1 500 kPa，摻入不同摻量的水泥、粉煤灰、高爐礦渣和氫氧化鈉的灘涂淤泥固化土試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水多級(jí)剪試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制摩爾應(yīng)力圓，得到應(yīng)力圓的強(qiáng)度包線，從而得到固化土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ的值，其結(jié)果如表2所示.

由表2可見：不同固化劑摻量水平下的灘涂淤泥固化土強(qiáng)度指標(biāo)值是不相同的.對(duì)于僅摻入水泥時(shí)的固化土強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增加.水泥摻量越高，其粘聚力和內(nèi)摩擦角越大.摻入氫氧化鈉可大大提高固化土的粘聚力和內(nèi)摩擦角值，且其值要比僅摻入6%水泥的基準(zhǔn)摻量下值要大的多.摻入三乙醇胺同樣可大大提高固化土的粘聚力值，且隨著三乙醇胺摻量水平的提高而增大，到達(dá)0.08%摻量水平后，其粘聚力和內(nèi)摩擦角值隨三乙醇胺摻量的增多而變小，但其粘聚力值比基準(zhǔn)摻量下的值要大，內(nèi)摩擦角值則比基準(zhǔn)摻量下的值稍微小些，說明三乙醇胺摻量水平超過一定值后對(duì)內(nèi)摩擦角值的的增加不但沒有貢獻(xiàn)，反而會(huì)降低其值.摻入減水劑可在一定程度上提高固化土強(qiáng)度指標(biāo)，但過多的減水劑反而會(huì)降低固化土強(qiáng)度指標(biāo)，只有減水劑摻量在到1.0%～2.0%時(shí)，固化土的粘聚力和內(nèi)摩擦角才是呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)的.摻入粉煤灰和高爐礦渣可大大提高固化土的強(qiáng)度，粘聚力值比基準(zhǔn)摻量下分別提高了1～1.7倍和1.2～1.4倍，但摻入粉煤灰后其內(nèi)摩擦角相應(yīng)地則變小了，摻入高爐礦渣后的內(nèi)摩擦角比基準(zhǔn)摻量下增大了2.5倍左右.從表2中還可看出：摻入不同摻量的高爐礦渣后，其固化土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化不大，說明高爐礦渣摻量多少對(duì)提高固化土抗剪強(qiáng)度值不是十分明顯.

表2　灘涂淤泥固化土UU試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)

3結(jié)論

通過室內(nèi)常規(guī)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)對(duì)水泥為主固化劑，氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰、高爐礦渣和減水劑等為外摻劑配制而成的固化材料固化灘涂淤泥的固化效果和固化土力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析不同主固化劑和外摻劑摻量下的灘涂淤泥固化土的應(yīng)力應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律，分析各因素對(duì)固化土力學(xué)特性的影響規(guī)律，探討摻入氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰和高爐礦渣等外摻劑對(duì)提高灘涂淤泥固化土強(qiáng)度的影響及摻量范圍.因此，在淤泥地基固化處理時(shí)，應(yīng)采用最佳摻量的固化材料和外摻劑以提高固化土的力學(xué)特性從而減少費(fèi)用，增加經(jīng)濟(jì)效果.

參考文獻(xiàn)：

[1]陳慧娥,王清.水泥加固不同地區(qū)軟土的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2007,28(2):423-426.

[2]黃雨,周子舟,柏炯,等.石膏添加劑對(duì)水泥攪拌法加固軟土地基效果影響的微觀試驗(yàn)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(8):1179-1183.

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[4]周麗萍,申向東,白忠強(qiáng).外摻劑對(duì)水泥土改性效果的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2009,39(7):74-78.

[5]王珊珊,盧成原,孟凡麗.水泥土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(4):456-459.

(責(zé)任編輯：陳石平)

An experimental study on the mechanical properties of solidified beach silt soil

WANG Guocai, WU Minjiong

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:To further understand the effects of the type and dosage of solidified materials on the mechanical properties of solidified soil, a traditional unconsolidated-undrained tri-axial test was conducted on the solidification effects of beach silt soil with cement as a main solidified agent and sodium hydroxide, triethanolamine, fly ash, blast furnace slag, and water reducing agent as additive agents and on the mechanical properties of solidified beach silt soil. The results indicated that, for a given content of cement, the strength of solidified beach silt soil is improved to a certain extent by adding a certain amount of sodium hydroxide, triethanolamine, fly ash, and blast furnace slag. When the dosage exceeds a certain value, however, the strength of solidified beach silt soil will decrease with the dosage.

Keywords:beach silt soil; solidification; tri-axial test; mechanical properties

文章編號(hào)：1006-4303(2015)04-0468-05

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：王國(guó)才(1971—)，男，安徽天長(zhǎng)人，教授，研究方向?yàn)榈鼗幚?，E-mail: wgc@zjut.edu.cn.

基金項(xiàng)目：浙江省科技廳項(xiàng)目(2012C31007)

收稿日期：2015-02-10