楊俊釗，張廣鑫，陳偉，蔣云飛

（1.中交天航（大連）浚航工程有限公司，遼寧 大連 116033；2.武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430072）

0 引言

海底淤泥是由沉積作用而形成的一類海洋沉積物，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)多呈絮狀或蜂窩狀，由于其高含水率、高滲透性、高孔隙率和低強(qiáng)度的特點(diǎn)[1]，不能直接用作建筑工程的填筑材料。

通過向海底淤泥中摻入合適的固化劑，可以充分激發(fā)淤泥活性，再經(jīng)過水化、結(jié)晶或離子交換等一系列化學(xué)反應(yīng)后得到具有滿足工程特性的固化土[2]。目前淤泥固化劑按照成分組成和反應(yīng)機(jī)理的不同大致可分為4類[3]：一是無機(jī)類，該類固化劑多為粉末狀，以水泥、石灰等為主要原料，通過水化反應(yīng)將淤泥中的自由水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水達(dá)到固化目的；二是有機(jī)類，該類固化劑一般呈液態(tài)，通過離子交換作用改變淤泥的親水特性，再經(jīng)夯實(shí)、振動(dòng)提高密實(shí)度；三是生物酶類，該類固化劑屬于蛋白質(zhì)多酶基產(chǎn)品，利用生物酶素的催化作用和外力擠壓減少孔隙率，從而增加材料強(qiáng)度；四是復(fù)合類，該類固化劑由主固化劑和激發(fā)劑組成，可調(diào)制不同配合比以針對(duì)不同特性的淤泥，達(dá)到最佳固化效果。

目前國內(nèi)對(duì)于傳統(tǒng)淤泥固化劑的研究較為普及，包括對(duì)水泥[4]、石灰以及對(duì)摻入工業(yè)廢渣甚至添加分散劑、膨潤土、苛性鈉、三乙醇胺等外加劑的定量研究，已經(jīng)取得了一定的科研成果[5-8]，而對(duì)新型復(fù)合固化劑的研發(fā)尚處于起步階段。

本文研究的新型硅鋁基復(fù)合固化劑，以某海域海底淤泥和海水為原材料，按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，制備系列固化土試件，在不同配合比情況下，分析了混合料漿泵送性能和固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響因素，以及淤泥液塑性指數(shù)對(duì)固化效果的影響規(guī)律；同時(shí)對(duì)比了其他固化劑的固化效果，并評(píng)價(jià)了固化土對(duì)環(huán)境的影響。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用固化劑為自主研發(fā)的JCW軟土固化劑[9]，為保證拌和均勻性，使用前需加水將其調(diào)制成固化劑料漿備用。

試驗(yàn)所用全部原泥取自同一海域海底，屬于低液限有機(jī)質(zhì)淤泥，特性指標(biāo)隨取樣深度有所變化：含水率 45%～60%、濕密度 1.6～1.75 g/cm3、液限45%～60%、塑限25%～32%、液性指數(shù)0.8～1.1、塑性指數(shù)13～39、有機(jī)質(zhì)含量6.2%～6.5%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用水泥膠砂攪拌機(jī)、數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀、有機(jī)玻璃筒等試驗(yàn)設(shè)備。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 固化土的制備方法

按一定配合比將固化劑、淤泥和海水調(diào)制成具有流動(dòng)性的固化土樣品（直徑39.1 mm、高度79 mm的圓柱體），取標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行標(biāo)養(yǎng)，分別在養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、14 d、28 d、90 d和180 d進(jìn)行固化土的泵送性能、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、不同類型固化產(chǎn)品效果以及固化土的重金屬浸出濃度等幾項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)試。

1.3.2 固化土的流動(dòng)度測(cè)試方法

試驗(yàn)采用日本JHS A313—1992標(biāo)準(zhǔn)中流動(dòng)度指標(biāo)來表征淤泥固化土的初始流動(dòng)特性及泵送性能。其測(cè)定程序?yàn)椋簩⑼坑蟹彩苛值挠袡C(jī)玻璃筒置于水平玻璃板上，澆入并搗實(shí)固化土，垂直提起模具，坍塌體底邊直徑的平均值即為流動(dòng)度測(cè)定值，cm。

2 固化土泵送性能影響因素

2.1 水固比

水固比指固化土混合料漿中水的含量與固體物干料的質(zhì)量比。試驗(yàn)在不同固化劑摻量（干態(tài)質(zhì)量）下分別制備了不同水固比的混合料漿，即時(shí)檢測(cè)流動(dòng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 水固比-流動(dòng)度曲線Fig.1 Curve ofwater-solid ratio and fluidity

由圖1，隨著水固比由0.80上升至1.00，混合料漿流動(dòng)度平均由8.65 cm提升至9.84 cm，增長幅度為13.8%。通過擬合公式可判定流動(dòng)度隨水固比的提高呈二次函數(shù)型增長。對(duì)于該試驗(yàn)固化劑，增加水固比能夠顯著提升固化土的泵送性能。

2.2 固化劑摻量

為探究該固化劑摻量對(duì)混合料漿泵送性能的影響，考察了在不同水固比下，固化劑摻量由30 kg/m3提升至100 kg/m3過程中混合料漿流動(dòng)度的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著固化劑摻量的提高，混合料漿流動(dòng)度的變化規(guī)律并不明顯。固化劑摻量與流動(dòng)度之間并無直接的相關(guān)關(guān)系，宏觀表現(xiàn)為流動(dòng)度不隨固化劑摻量的增減而變化。

圖2 固化劑摻量-流動(dòng)度曲線（水固比0.80～1.00）Fig.2 Curve of curing agent dosage and fluidity(Water-solid ratio 0.80-1.00）

3 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素

3.1 固化劑摻量

在水固比為 0.80、0.85、0.90、0.95和 1.00的基礎(chǔ)上，分別制備不同固化劑摻量的固化土標(biāo)準(zhǔn)試件，標(biāo)養(yǎng)28 d后檢測(cè)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，選取水固比為0.80的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為代表得出固化劑摻量-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線如圖3所示。

圖3 水固比0.80的固化劑摻量-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.3 Curve ofcuring agent dosage with water-solid ratio 0.80 and unconfined compressive strength

由圖3可知，隨著固化劑摻量由30 kg/m3逐步提升至100 kg/m3，固化土的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈二次函數(shù)型增長趨勢(shì)。強(qiáng)度曲線的變化表明，固化劑摻量是影響固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的最主要因素，摻量決定了固化土中由水化膠凝物作骨架所形成膠結(jié)結(jié)構(gòu)的致密性[10]，宏觀上表現(xiàn)為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量提高而顯著增長。

3.2 水固比

試驗(yàn)在固化劑摻量為30～100 kg/m3的范圍內(nèi)，制備不同水固比的標(biāo)準(zhǔn)試件，并于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后檢測(cè)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

結(jié)果表明，當(dāng)摻量大于60 kg/m3時(shí)，水固比和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間有著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水固比提高而降低；當(dāng)摻量小于60 kg/m3時(shí)，水固比變化對(duì)固化土強(qiáng)度影響較小。固化劑摻量為30 kg/m3和40 kg/m3時(shí)，變量之間無相關(guān)性，選取固化劑摻量為80 kg/m3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為代表得出水固比-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線如圖4所示。

圖4 固化劑摻量80 kg/m3的水固比-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.4 Curve ofwater-solid ratio of80 kg/m3 curing agent and unconfined compressive strength

3.3 養(yǎng)護(hù)齡期

伴隨著水化、凝聚、結(jié)晶等化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，固化土內(nèi)部逐漸形成致密穩(wěn)定的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為固化土的整體強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而不斷增長[11]。在保證泵送性能的前提下，試驗(yàn)在水固比0.80時(shí)分別制備了不同固化劑摻量標(biāo)準(zhǔn)試件，不同齡期抗壓強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)齡期-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.5 Curve ofcuring age and unconfined compressive strength

由圖5可知，當(dāng)固化劑摻量為30 kg/m3和40 kg/m3，試件強(qiáng)度于28 d基本停止增長；當(dāng)固化劑摻量為60 kg/m3和80 kg/m3，試件強(qiáng)度于90 d基本停止增長；當(dāng)固化劑摻量為100 kg/m3，試件的強(qiáng)度在180 d內(nèi)均有明顯增長，并達(dá)到2 266 kPa。這表明固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加呈對(duì)數(shù)型增長趨勢(shì)，并且摻量越高，反應(yīng)完成所需時(shí)間越長，強(qiáng)度增長速率和極限強(qiáng)度也越高。

3.4 原泥塑性指數(shù)

為驗(yàn)證固化劑對(duì)不同性質(zhì)淤泥的適應(yīng)性，篩選了不同位置的海底淤泥。在完成原泥液塑限的測(cè)定后，試驗(yàn)以不同淤泥為原料，在固化劑摻量為80 kg/m3和水固比0.80的條件下，檢測(cè)固化土不同養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)土的塑性指數(shù)IP計(jì)算公式：IP=ωL-ωP

式中：IP為塑性指數(shù)；ωL為液限，%；ωP為塑限，%。

繪制出原泥塑性指數(shù)-固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 原泥塑性指數(shù)-固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between raw mud plasticity index and unconfined compressive strength ofsolidified soil

結(jié)合圖6的擬合曲線，得到原泥塑性指數(shù)Ip與固化土7 d、14 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的關(guān)系函數(shù)，分別為：y=-0.41x2+31.81x-179.49、y=-0.85x2+58.76x-418.61和y=-0.76x2+57.81x-270.90。通過求導(dǎo)得到各曲線極值點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別為x=38.8、34.6以及38.0，相對(duì)應(yīng)的極值分別為 437.5 kPa、596.9 kPa和 828.4 kPa。

這表明對(duì)于摻量80 kg/m3、水固比0.80的淤泥固化土，固化劑對(duì)塑性指數(shù)IP大于34.6的海底淤泥固化效果最好，適應(yīng)性最強(qiáng)。而對(duì)于黏土，塑性指數(shù)大說明土的塑性高，表現(xiàn)為土體黏粒含量多、礦物親水性強(qiáng)以及結(jié)合水含量大[12]，這些均有利于固化劑通過水化等反應(yīng)消耗土體顆粒中的水分形成致密、穩(wěn)定的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成固化土的整體強(qiáng)度。

4 不同類型固化產(chǎn)品效果對(duì)比

試驗(yàn)另選取市面上常用的固化劑A和B作原料，3種固化劑在摻量65 kg/m3和水固比0.75的配合比下制作標(biāo)準(zhǔn)試件，檢測(cè)不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同固化產(chǎn)品固化效果對(duì)比曲線Fig.7 Comparison curves ofcuring effect of different cured products

由圖7可知，在3類固化劑之中，固化劑B屬于早強(qiáng)型，試件的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高達(dá)317 kPa，但后續(xù)強(qiáng)度增長緩慢甚至停滯，28 d時(shí)達(dá)到361 kPa；另兩種固化土試件在擁有較高早期強(qiáng)度的同時(shí)，后續(xù)增長趨勢(shì)顯著，尤其是新型硅鋁基固化劑試件，28 d強(qiáng)度達(dá)到469 kPa，較固化劑A和B所成型的同齡期固化土分別高16%和30%。

得到如下結(jié)論：在一定配合比和養(yǎng)護(hù)條件下，新型硅鋁基固化劑制備的固化土強(qiáng)度增長速率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于其他傳統(tǒng)固化產(chǎn)品制備的固化土。

5 環(huán)境友好性

為驗(yàn)證新型硅鋁基固化劑是否具有良好的環(huán)境友好性，試驗(yàn)制備了一批固化劑摻量80 kg/m3、水固比為0.80的淤泥固化土，對(duì)28 d齡期固化土的重金屬浸出濃度指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果對(duì)照《疏浚物海洋傾倒分類標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)程序》[13]中第三類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 28 d齡期固化土重金屬浸出濃度檢測(cè)結(jié)果Table 1 Testresults ofleaching concentration ofheavy metals in the solidified soilat 28 d

由表1可知，28 d齡期該固化土的重金屬浸出濃度值全部低于檢出限且低于原泥檢測(cè)的浸出值，說明新型硅鋁基固化劑的添加未引入新的重金屬污染源，且對(duì)原狀淤泥中的重金屬存在一定“穩(wěn)定化”作用，降低了重金屬浸出濃度，從而驗(yàn)證了其良好的環(huán)境友好性。

6 結(jié)語

1）水固比是影響泵送性能的最主要因素，且流動(dòng)度隨水固比的提高呈二次函數(shù)型增長，固化劑摻量對(duì)泵送性能的影響甚微。

2）固化劑摻量是影響該固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的最主要因素，在相同的制備和養(yǎng)護(hù)條件下，固化土的強(qiáng)度隨摻量增加呈二次函數(shù)型增長。

3）在相同水固比和固化劑摻量一定條件下，隨著原泥塑限和液限的提高，不同齡期的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增加，該新型硅鋁基固化劑對(duì)于高塑限、高液限淤泥的固化效果要優(yōu)于低塑限、低液限淤泥。

4）該新型硅鋁基固化劑的添加并未引入新的重金屬污染源，且能有效降低固化土的重金屬浸出濃度，表明其具有良好的重金屬穩(wěn)定作用和環(huán)境友好性。