苗永紅，楊 淼

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

國內(nèi)外沿海地區(qū)海岸工程的大規(guī)模興起產(chǎn)生了大量的疏浚淤泥，對于淤泥處理有物理法和熱處理兩種傳統(tǒng)方法[1-3].物理法主要是陸地拋填、海洋傾倒，其會產(chǎn)生海洋污染環(huán)境、占用大量耕地等問題.熱處理主要采用脫水、燒結(jié)，但造價較高，且對大批量、高含水量的淤泥不適用.近些年淤泥固化技術(shù)由于固化效率高、效果好、成本低而受到廣泛關(guān)注.淤泥固化技術(shù)，一般采取固化和輕量化兩種方法來處理，這些方法既可有效解決淤泥占用土地和污染環(huán)境的問題，又可為沿海地區(qū)工程建設(shè)提供大量的工程填料.

傳統(tǒng)的固化材料以水泥為主要摻料，通過一定的配合比混合制成，固化效果不穩(wěn)定且造價較高[4-6].目前對于固化劑的探索，國內(nèi)外學(xué)者們不僅對無機(jī)復(fù)合材料展開了大量研究，還嘗試用高分子無機(jī)材料、生物酶等制備新型固化材料.

王東星等[7]基于傳統(tǒng)水泥和石灰固化處理方法，提出了利用大摻量低鈣粉煤灰、水泥和石灰固化劑進(jìn)行淤泥固化處理的方法.丁建文等[8]提出用水泥-磷石膏固化高含水率疏浚淤泥的方法，并通過一系列室內(nèi)試驗驗證了固化效果.Kolias等[9]使用水泥和粉煤灰固化黏土獲得了較好的固化效果，并研究了固化劑摻入量與固化強(qiáng)度的規(guī)律.

Seze A等[10]研究了摻入工業(yè)礦渣、石灰的黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律.高術(shù)森等[11]研究了海涂淤泥中摻入聚丙烯纖維對固化效果的影響，分析了聚丙烯纖維的固化機(jī)理. Hou[12]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，研究了EPS輕質(zhì)土優(yōu)化配方方案，給出了強(qiáng)度、密度和混合土的摻入量的經(jīng)驗公式.沙玲等[13]通過三軸試驗研究了EPS顆粒摻量、齡期對輕質(zhì)混合土的抗壓強(qiáng)度影響.曹玉鵬等[14]提出了用水泥-生石灰-高分子復(fù)合材料固化高含水率淤泥的方法，通過室內(nèi)試驗探討了各固化劑摻入比與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律. Lu等[15]研究了原位土中的細(xì)菌微生物對土壤的固化效果，實驗結(jié)果表明微生物可通過增加土壤內(nèi)部物質(zhì)的沉淀、凝固來提高抗壓強(qiáng)度.

綜上所述，針對淤泥土的固化還需展開大量的研究，本研究針對傳統(tǒng)的淤泥固化方法從輕質(zhì)、環(huán)保兩方面嘗試進(jìn)行改良，以期得到經(jīng)濟(jì)的新型土工材料.通過對新材料進(jìn)行強(qiáng)度試驗，分析不同固化材料摻量、不同齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，探討淤泥土固化的機(jī)理，并提出一個簡單、高效、經(jīng)濟(jì)的淤泥固化方案，試驗結(jié)果對同類工程具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義.

1 試驗設(shè)計

1.1 固化材料

試驗采用的淤泥土樣取自連云港東港區(qū).主要化學(xué)成分包括：SiO2、Al2O3及其他堿金屬氧化物.表1中的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表明，該土具有含水率高、滲透性差、壓縮性高的特點.

表1 淤泥土物理力學(xué)性質(zhì)特征

本試驗用到的材料包括：水泥、EPS、粉煤灰、礦渣、石灰、石膏、細(xì)砂.水泥為南京鐘山牌42.5#普通硅酸鹽水泥；發(fā)泡聚苯乙烯EPS顆粒粒徑范圍2～3 mm，密度為0.036 8 g/cm3，EPS材料具有良好的輕質(zhì)性，且具有一定的強(qiáng)度，主要用于輕量化處理；粉煤灰為煤燃燒后的煙氣中收集的細(xì)灰，主要的氧化物組成包括SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO；礦渣來自于工業(yè)生產(chǎn)中的廢料，含鐵量在93%以上，規(guī)格為0.2～2.0 mm；生石灰粉，主要成分CaO；石膏粉，主要化學(xué)成分CaSO4?2H2O；砂為SiO2含量不小于96%的天然硅砂，粒度范圍0.25～0.65 mm.

1.2 試驗方案

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是分析淤泥固化效果最重要也最直觀的力學(xué)性能指標(biāo).因此，為研究各摻料的固化效果進(jìn)行了一系列的室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗.試驗選取EPS顆粒為輕質(zhì)材料，水泥為主固化材料，粉煤灰、礦渣、砂、石灰、石膏等為輔助固化材料，其中石灰、石膏主要作為減水劑使用.首先對水泥單一固化材料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，再對摻入兩種或多種固化劑的新型土工材料進(jìn)行對比試驗.具體試驗方案見表2.

1.3 試樣制備

按照試驗方案的配合比，稱取一定量的淤泥倒入攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，再加入水泥，機(jī)械強(qiáng)制拌5 min后加入EPS顆粒及其他固化劑，攪拌均勻后將混合好的土工材料裝入直徑39.1 mm、高80 mm的三瓣模具中.模具內(nèi)壁涂抹機(jī)油以提高試件與試模內(nèi)壁之間的潤滑性.每組制作3個試樣進(jìn)行平行試驗.

制樣時按照《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)，將混合土分三層裝入三瓣模中.為排除試樣中的孔隙使試樣密實，采用分層壓實的方法，確保試樣不出現(xiàn)蜂窩、麻面.試樣制備好后置入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，24 h后脫模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(濕度95%，溫度20±2 ℃)中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、14、28、60 d.制備的試樣見圖1.

圖1 新型土工材料試樣 Fig.1 The new geotechnical material sample

2 結(jié)果及分析

圖2-圖5所示分別為不同的水泥、粉煤灰、礦渣、砂摻量下與淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線.試驗結(jié)果表明,在水泥、EPS摻量不變的條件下，增加粉煤灰、礦渣、砂的摻量，都可有效地提高抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度增長幅度分別為183%、165%、139%，并且隨著各種材料摻量的增大，強(qiáng)度增長速度越快.

另外，結(jié)果表明，粉煤灰、礦渣、砂與淤泥混合都會發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，從而生成具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)物，促進(jìn)新型土工材料強(qiáng)度的提高.對比圖3、圖4和圖5可知，對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度大小依次為粉煤灰、礦渣、砂.

表2 試驗方案

注：m1:水泥摻量;m2：EPS顆粒摻量；m3粉煤灰摻量；m4：礦渣摻量；m5：砂摻量；m6：石灰摻量；m7：石膏摻量

圖2 水泥摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 粉煤灰摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

在60 d齡期內(nèi)，各種摻料固化后的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化都隨著齡期的增長逐漸呈現(xiàn)增大趨勢，7 d至14 d齡期內(nèi)強(qiáng)度增長速度最快，28 d至60 d齡期內(nèi)強(qiáng)度增長趨緩.其中，圖3曲線表明試樣的抗壓強(qiáng)度在28 d齡期后仍有小幅度的提升，其原因可能是粉煤灰的火山灰效應(yīng)在養(yǎng)護(hù)28 d后才逐漸發(fā)揮效應(yīng)，試樣強(qiáng)度在28 d至60 d齡期內(nèi)最大增長速率為21.3%.

圖4 礦渣摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖6所示為EPS顆粒摻量與淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線.圖6中數(shù)據(jù)表明，EPS顆粒的最初加入量小于8 g時會導(dǎo)致試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會急劇減小，當(dāng)摻入量大于20 g，試樣的強(qiáng)度會有一定程度的提高，這是由于EPS顆粒之間呈現(xiàn)一定有序空間結(jié)構(gòu)排列，能夠在一定程度提高試樣的抗壓強(qiáng)度.由此可見，EPS顆粒雖然能夠大幅度減小固化淤泥土的質(zhì)量，但是過多地?fù)饺隕PS顆粒會影響新型土工合成材料的強(qiáng)度.

圖5 砂摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 EPS顆粒摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖7所示齡期與淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線.圖7中曲線表明，添加石灰、石膏會使無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大程度的增長，7 d至14 d齡期強(qiáng)度增加的幅度最大分別為98%、69%，28 d齡期后強(qiáng)度增長速度緩慢.因為石膏吸水后體積膨脹，強(qiáng)度降低，因此石灰的固化效果要好于石膏，在實際工程中可優(yōu)先選用石灰作為固化材料.

圖7 齡期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由于新型土工材料與水泥土在工程中的用途相似，因此固化材料的摻入比可參照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T233-2011)中規(guī)定：水泥摻入比宜取10%～25%.結(jié)合以上典型的試驗結(jié)果及工程經(jīng)濟(jì)性，取固化劑總的摻入比為10%±0.2%.

對淤泥固化劑配合比的研究成果[7-12]進(jìn)行總結(jié)分析，可知水泥、粉煤灰、礦渣的最佳配合摻入比占固化劑總量的20%～40%，發(fā)泡聚苯乙烯EPS顆粒占4%～8%.因此，結(jié)合本試驗結(jié)果得到每種固化材料的配合比范圍：發(fā)泡聚苯乙烯EPS顆粒為4%～6%，水泥為20%～25%，礦渣為10%～15%，粉煤灰為15%～20%，砂為15%～20%，石膏為5%～10%，石灰為5%～10%.

取最佳配合比范圍中的一組配比(聚苯乙烯泡沫EPS顆粒:4%;水泥:25%;礦渣:15%;粉煤灰:20%;砂:20%;石膏:6%;石灰:10%)，固化劑的總摻入比為10.2%制成試樣，通過實驗得到不同摻量比下齡期與抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系，并與表2中單一固化材料(固化劑的總體摻入量大致為10%)的試驗結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8所示.

圖8 不同摻量比下齡期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖8中曲線表明在最佳配比中取任意組合固化效果顯著，在最佳配合比下的試樣固化強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)齡期60 d時達(dá)到450 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一固化材料作用下的最大抗壓強(qiáng)度225 kPa.單一固化摻料作用下，28 d后輕質(zhì)土工材料強(qiáng)度增長較為緩慢，但在最佳摻量配比下材料強(qiáng)度仍有部分提高.這些結(jié)果表明，水泥的水化作用、粉煤灰的火山灰效應(yīng)、礦渣、石膏、石灰的水化作用等多種反應(yīng)過程能夠互相促進(jìn)，緊密連接形成一個統(tǒng)一的整體，從而有效地提高輕質(zhì)土工材料的后期強(qiáng)度.

3 固化機(jī)理探討

新型土工材料的強(qiáng)度形成是一個極為復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過程.淤泥中的SiO2、Al2O3和有機(jī)質(zhì)與水泥、EPS、粉煤灰、礦渣等材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的水化物交叉連接形成一個空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在土工材料內(nèi)部生成一定的水泥石骨架結(jié)構(gòu)，使土顆粒之間緊密的連接形成一個整體，從而起到固化的作用.

3.1 水泥固化

水泥使淤泥混合土強(qiáng)度增長的主要包括兩個階段：前期是水泥的水解和水化反應(yīng)生成的水泥石骨架結(jié)構(gòu)，從上述的試驗結(jié)果可以看出，這個時期強(qiáng)度增長較快;而后期為淤泥中的黏土顆粒與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生離子交換作用，這個過程強(qiáng)度增長較慢.不同于混凝土的化學(xué)反應(yīng)過程，水化作用生成水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)、水化鋁酸鈣(C-A-H凝膠).水泥除了自身發(fā)生水化反應(yīng)外，淤泥中的有機(jī)質(zhì)所含硅、鋁亦參與反應(yīng)，使得整個反應(yīng)過程更加復(fù)雜.

3.2 輔助固化劑與水泥共同作用的機(jī)理

粉煤灰、礦渣與水泥與水泥混合后都會發(fā)生水化作用生成C-S-H凝膠和C-A-H凝膠，不同之處在于：

粉煤灰對淤泥的固化作用分為兩個階段，前期主要是粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，反應(yīng)生成大量的細(xì)微顆粒和玻璃微珠，可以有效地填充淤泥土中的孔隙.后期是與水泥共同作用發(fā)生的火山灰效應(yīng).

礦渣主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3，除可與水泥混合發(fā)生水化作用外，還可生成高強(qiáng)度、難溶解的含水鋁硅酸鹽礦物(斜方硅鈣石等)，這種細(xì)微晶體強(qiáng)度高、難溶于水且熱力學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，使固化效果顯著.

淤泥中摻砂后抗壓強(qiáng)度明顯提高的原因是，淤泥內(nèi)部形成了以砂為粗骨料，水泥凝膠微粒作為填充、膠結(jié)材料的結(jié)構(gòu).砂骨料的強(qiáng)度遠(yuǎn)比水泥土凝膠微粒相互間吸附而形成的水泥土團(tuán)粒的強(qiáng)度高，因此可使混合土強(qiáng)度顯著提高.

生石灰粉與水泥固化機(jī)理相似，都是與淤泥中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生水化作用，但石灰粉的反應(yīng)速度相比水泥較慢，因此固化效果在齡期的后期較顯著.

石膏具有吸濕性好、凝結(jié)硬化快的特點，遇水后生成二水石膏膠體析出，并且伴隨著水化作用，淤泥土中的自由水不斷減少使微粒間的黏結(jié)力逐漸增強(qiáng).

結(jié)合本試驗結(jié)果可知，在該新型土工材料中水泥與粉煤灰、礦渣的水化作用構(gòu)成了材料強(qiáng)度的主要來源，其次是粉煤灰的火山灰效應(yīng)、礦渣生成的水硅酸鹽礦物和砂形成的粗骨料.

4 結(jié)論

通過以連云港港區(qū)海相淤泥為原料的新型土工材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，得出以下結(jié)論：

1)各摻料對軟土的固化程度的影響不同，影響最大的是水泥，其次是粉煤灰、礦渣、砂，影響最小的是石灰、石膏.綜合考慮固化效果并結(jié)合工程造價，試驗得出的新型土木材料的最佳配比為：發(fā)泡聚苯乙烯EPS顆粒為4%～6%，水泥為20%～25%，礦渣為10%～15%，粉煤灰為15%～20%，砂為15%～20%，石膏為5%～10%，石灰為5%～10%.

2)在最佳配合比范圍內(nèi)，新型土工材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單一固化材料的強(qiáng)度值.固化過程中的多種物理化學(xué)反應(yīng)能夠相輔相成，互相促進(jìn)，使混合土內(nèi)部緊密連接形成一個統(tǒng)一的整體.

3)分析軟土的固化機(jī)理可知，該新型土工材料中水泥與粉煤灰、礦渣的水化作用構(gòu)成了材料強(qiáng)度的主要來源，其次是粉煤灰的火山灰效應(yīng)、礦渣生成的水硅酸鹽礦物和砂形成的粗骨料.