摘 要：普通的混凝土粒料與水泥土攪拌制成的復(fù)合地基處理技術(shù)，既可以在軟基處理、擋土墻回填、邊坡治理等方面發(fā)揮重要作用，又能有效減少?gòu)U棄混凝土導(dǎo)致的環(huán)境污染。該方案能有效地處理水泥漿料的重復(fù)使用，并節(jié)省了大量的砂石和其他填充材料。為了實(shí)現(xiàn)混凝土-水泥固化淤泥試樣的基本力學(xué)特性的目標(biāo)，本項(xiàng)目將對(duì)上述特點(diǎn)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，普通的混凝土粒料與水泥土攪拌制成的復(fù)合土的機(jī)械性質(zhì)有很大改善，說明將其應(yīng)用于實(shí)際工程中是切實(shí)可行的方法。

關(guān)鍵詞：混凝土顆粒料；淤泥固化；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU 43" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 問題現(xiàn)狀與工程概況

我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)用地需求不斷增加。隨著中國(guó)沿海及長(zhǎng)江三角洲區(qū)域的快速發(fā)展、人口密集、用地緊缺等原因，大量的濱海灘涂開墾、圈地開發(fā)利用，以擴(kuò)大國(guó)土資源。隨著沿海圍墾、港口、航道等工程的推進(jìn)，每年都會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的挖泥。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)年產(chǎn)生的污泥總量約為1億噸[1]，此外，因其含水率較高，承重性能較差，在其上行走和施工很困難[2]。大量挖泥任意堆放，對(duì)周圍的生態(tài)造成了嚴(yán)重的污染。因此，對(duì)其進(jìn)行有效利用，是目前的一個(gè)熱門課題。

目前，在我國(guó)的道路施工項(xiàng)目中，大量的砼沒有得到充分處理。城市污水排放不僅破壞了城市的生態(tài)，給城市的建筑造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也帶來了很多的社會(huì)矛盾。因此，采用經(jīng)濟(jì)環(huán)保的方式處理混凝土，是目前須解決的問題。

本課題提出采用摻入水泥土的方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)特征和對(duì)固化土性質(zhì)的要求，通過添加聚合物纖維、石膏和礦粉等輔助增強(qiáng)劑，改善其固化效果。首先把水泥磨成骨料，其次按照一定的粒徑過篩，最后摻入水泥中，改善其固化性能。該方案既能避免淤泥、水泥等堆積物對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生污染，又能節(jié)約大量的砂礫等材料，達(dá)到資源回收利用的目的。

本課題依托2000噸級(jí)沅水常德-鯰魚口航道建設(shè)，按照2000噸級(jí)航道規(guī)格，采用3m×75m×550m（水深×航寬×550m）的沅水常德-鲇魚口213 km航道，建設(shè)包括航道疏浚、填槽、切咀、護(hù)岸、航道處及錨地管理區(qū)的建設(shè)、防撞加固橋梁6座，全線配備內(nèi)河一類航標(biāo)，同步建設(shè)和購(gòu)置相應(yīng)的配套設(shè)施。其中，疏浚工程（含切咀）515.87萬(wàn)m3、填槽修復(fù)工程422.96萬(wàn)m3、護(hù)岸初設(shè)總長(zhǎng) 17.305km。

2 混凝土顆粒料-水泥固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性研究

2.1 試驗(yàn)材料及研究

本文采用的粉土取自湖南常德一條河道吹填沖淤場(chǎng)地（常德港段），各項(xiàng)物理、機(jī)械特性參數(shù)見表1。利用激光粒度儀對(duì)樣品進(jìn)行了粒度分析，得出了樣品的尺寸分布及粒徑分布規(guī)律，見表2。常德地區(qū)的土樣按《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50145—2017）劃分，屬于高液限黏性土。利用09 Empyreanx射線衍射分析技術(shù)對(duì)常德泥質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，常德泥質(zhì)中的礦物組成以石英為主，此外還有大量的伊利石，并伴有蒙脫石、云母等。采用加水的方法，將未處理過的污泥含水量控制在要求的125%內(nèi)。

本次試驗(yàn)中所用的水泥為P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥化學(xué)成分見表3。

本研究采用的是取自某中學(xué)公路改建項(xiàng)目的砼，采用顎式破碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行粉碎，獲得具有各種尺寸的混凝土粒料，通過篩分獲得大小為0～2.36 mm及2.36～4.75 mm的再生砼粒料，并對(duì)其進(jìn)行干燥處理，如圖1所示，混凝土顆粒料性能指標(biāo)見表4（水：試驗(yàn)過程中所用到的水為普通自來水）。

2.2 試驗(yàn)方法

本項(xiàng)目以普通粉煤灰為研究對(duì)象，以粉煤灰為主要研究對(duì)象，采用不同摻量（水泥用量分別為10%、12%、14%和16%），兩種不同尺寸的粉煤灰分別為9%、12%、15%、18%，在室內(nèi)設(shè)置水分125%，在恒溫水體中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。例如7d，14d，28d，49d等。本項(xiàng)目以2種顆粒級(jí)配混凝土為研究對(duì)象，制備32組，各4個(gè)齡段，加控制組432個(gè)，利用TSZ-1A自動(dòng)三軸機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試樣的制備過程如下。1）在進(jìn)行樣品配制之前，要按照污泥的自然含水量和設(shè)置的含水量來確定用水量，按照配比來確定摻入的水泥和混凝土粒料的用量。將其放置于30℃的恒溫水體中，分別設(shè)置7d、14d、28d、49d。2）向污泥中添加計(jì)量稱好的水、水泥和混凝土顆粒料，在攪拌器內(nèi)攪動(dòng)2min～3min后，用刮板將攪拌盆的底面及周圍的泥土挖出，人工再次攪拌2 min，之后用攪拌機(jī)攪拌2min～3 min，讓水泥、水、混凝土顆粒料完全地結(jié)合在一起，攪拌好后的淤渣，攪拌之后的淤泥固化土如圖2所示。3）試驗(yàn)的模具用PVC管（內(nèi)徑36mm，高80mm）代替（如圖3所示），裝樣前在PVC管內(nèi)壁涂抹一層凡士林，以方便后期試樣脫膜。4）將攪拌好的混合土分層裝入試模中，每層經(jīng)振動(dòng)排除空氣后再裝入下一層，直到裝滿試模為止，并用切土刀將表面刮平，裝模完畢的試樣如圖4所示。5）將已裝入的樣品放進(jìn)密閉袋中，進(jìn)行封口，并做好標(biāo)識(shí)，將密閉袋中的氣體排放干凈，再將其置于恒溫槽中進(jìn)行恒溫溫水浴孵育，直至達(dá)到預(yù)定齡期再脫膜。試件卸除后，對(duì)試件的兩頭進(jìn)行修邊和切邊，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。在測(cè)試的運(yùn)行期間，參考 《水運(yùn)工程土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTS/T 247—2023）執(zhí)行。

在測(cè)試中，存在以下問題。1）當(dāng)測(cè)試時(shí)，雖然使用了攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，但水泥和混凝土顆粒材料無法完全地與泥沙混合，從而導(dǎo)致樣品中的各種成分分配不均。2）當(dāng)樣品在常溫養(yǎng)護(hù)盒中養(yǎng)護(hù)時(shí)，由于密封不良，因此導(dǎo)致保溫箱中的水分流入密封袋，從而影響測(cè)試的數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)，為縮小測(cè)量的誤差，在每次測(cè)試中都設(shè)置了一個(gè)平行測(cè)試，并將3個(gè)測(cè)試樣本的平均值作為測(cè)試的數(shù)據(jù)。

2.3 配合比參數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響

采用多組試驗(yàn)方法，分別測(cè)定了4種不同的水泥劑量、4種不同粒度的粒料、2種不同的齡期，共計(jì)128根試樣。

對(duì)4種水泥摻量（10%、12%、14%、16%）進(jìn)行了試驗(yàn)。圖5分別是兩個(gè)粒徑大小的無側(cè)極限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入量的變化。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用恒溫浴法對(duì)4個(gè)不同齡期的試件進(jìn)行試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論。1）當(dāng)水泥用量從10%增至16%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加，且與水泥用量成正比。結(jié)果表明，不同的水泥用量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有很大的影響。2） 已有研究表明，水泥可通過與污泥、水進(jìn)行水化作用，以此改善混凝土中的膠凝材料的強(qiáng)度[3-4]。然而，在低水泥用量下，膠凝材料生成的膠凝產(chǎn)品數(shù)量少，且與水化產(chǎn)物結(jié)合在一起，不能在團(tuán)聚體與骨料間建立起有效連接，導(dǎo)致其力學(xué)性能不能快速提高。隨著水泥用量增加，在水化過程中生成更多的膠凝物質(zhì)，從而提高土體中團(tuán)聚體的強(qiáng)度。

2.4 顆粒料粒徑對(duì)強(qiáng)度的影響

當(dāng)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，選擇兩種尺寸的混凝土粒料作為試驗(yàn)材料，以此研究其對(duì)試件的強(qiáng)度的影響。已知混凝土顆粒料摻量為12%～15%時(shí)，試件的增強(qiáng)作用是最顯著的。在4種不同的水泥用量下，試件的強(qiáng)度隨著時(shí)間的推移而發(fā)生改變，具體如圖6所示。

對(duì)粒料尺寸對(duì)試樣的強(qiáng)度影響進(jìn)行了研究，兩種尺寸的混凝土粒料對(duì)其強(qiáng)度的作用是交互的且差異并不明顯。總的來說，在試驗(yàn)中，添加尺寸為0～2.36 mm的粒料比2.36～

4.75 mm的粒料對(duì)試樣的增強(qiáng)作用更好。在4個(gè)齡期中，兩種尺寸的混合料的最大強(qiáng)度差異幅度為3.41%，3.53%，5.97%，1.75%，這兩種尺寸的混合料都可以通過改善樣品的骨架來達(dá)到增強(qiáng)的效果，但是影響因素仍然是水泥的用量。

3 混凝土顆粒料-水泥固化淤泥應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特征分析

研究水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)提高土體品質(zhì)具有很大的實(shí)用價(jià)值。其應(yīng)力-應(yīng)變曲線能較好地反應(yīng)固化加固土在各發(fā)展時(shí)期的變形特點(diǎn)及損傷演化規(guī)律[5-10]。由于試驗(yàn)對(duì)象與試驗(yàn)資料相對(duì)較多，且各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有相同的規(guī)律，因此只對(duì)水泥用量為16%時(shí)，骨料-水泥土粒徑0～2.36 mm級(jí)配碎石進(jìn)行了研究，并根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各齡期骨料-水泥土的應(yīng)力-變形特性進(jìn)行了研究。

圖7是水泥漿-水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因其自身的不均勻性，導(dǎo)致其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)類似的非線性發(fā)展規(guī)律，根據(jù)圖7各應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點(diǎn)，可將混凝土顆粒料-水泥固化淤泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為以下5個(gè)階段：壓密階段、彈性變形階段、塑性上升階段、應(yīng)力下降階段和殘余強(qiáng)度階段。

第一個(gè)時(shí)期為壓縮期，在壓縮過程中，其應(yīng)力-變形曲線不成直線，且隨變形量增加，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“上凹”的趨勢(shì)，原因是在摻入水泥土后，其粒徑大、表面粗糙、不均勻且孔隙度高，導(dǎo)致其在摻入后無法在養(yǎng)護(hù)土樣品中分散，使其內(nèi)部空隙度提高。另外，盡管采用了分層成型工藝，但其制備過程中難免會(huì)出現(xiàn)孔洞，孔隙經(jīng)過單向壓縮后會(huì)逐步封閉，從而降低了材料的孔隙率，提高了材料的剛性。

第二個(gè)時(shí)期是一個(gè)彈性變形期，在單向荷載作用下，顆粒-水泥漿混合料試件的應(yīng)力逐漸變大，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近于一條線性關(guān)系，并產(chǎn)生了較大的彈性形變。

第三個(gè)時(shí)期是塑性提升期，在應(yīng)力趨于高峰后，試件的應(yīng)力-變形曲線不再是直線相關(guān)性，而是顯著彎曲，隨著應(yīng)變?cè)黾右仓饾u增加，最終到達(dá)一個(gè)最大值，隨后材料的彈性降低而塑性加強(qiáng)。

第四個(gè)時(shí)期是一個(gè)應(yīng)力衰減期，在該過程中，這個(gè)時(shí)期的應(yīng)力增長(zhǎng)速度會(huì)到達(dá)最大值，然后繼續(xù)變大后再變小。該過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系再次接近于一條線性的曲線，在該過程中，混凝土散粒體-水泥漿混合體試件產(chǎn)生了顯著的裂紋，且其破壞是無法恢復(fù)的。

第五期剩余強(qiáng)度期內(nèi)，當(dāng)變形量持續(xù)增加時(shí)，其應(yīng)力基本保持不變，且接近于橫向，說明在損傷后，其承載能力并未全部失去，但該極限值很快就會(huì)消失。

3.2 剪應(yīng)力-剪切位移曲線特征分析

為深入研究廢棄混凝土散體-水泥土混合料的抗剪性能，選擇16%的水泥滲量、15%的廢棄混凝土散體作為試驗(yàn)材料，并對(duì)不同尺寸廢棄混凝土散體-水泥混合料的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線變形特性進(jìn)行研究，試樣在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖8所示。

圖8是某水泥用量、某粒徑廢棄混凝土粒料水泥固化泥在正應(yīng)力作用下（50kPa，100kPa，150kPa，200 kPa）與各齡期剪切變形的關(guān)系曲線。在不同的法向應(yīng)力條件下，剪應(yīng)力與剪切位移之間存在某種相似之處，即剪切應(yīng)力隨剪切位移增加而快速變大，并在2.5mm后出現(xiàn)最大值，此后雖然變小，但整體上仍保持穩(wěn)定。根據(jù)剪切力-剪位移的特性，得到了以下結(jié)論。1） 當(dāng)正應(yīng)力變大時(shí)，廢棄混凝土散體-水泥土試件的抗剪強(qiáng)度隨正應(yīng)力的變大而增加，當(dāng)正應(yīng)力變大時(shí)，試件的抗剪強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)正應(yīng)力從50kPa增至200kPa時(shí)，試件的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最高可達(dá)到161.67%。2） 在試件中加入廢棄混凝土，可增加試件的抗剪強(qiáng)度，本文對(duì)不同的正應(yīng)力條件下試件的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與3天時(shí)，試件的抗剪強(qiáng)度相比，14天時(shí)，試件的抗剪強(qiáng)度提高了50%以上。3）研究4種不同水泥含量的廢棄混凝土顆粒料，研究其在15%的廢棄混凝土中的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、內(nèi)摩擦角等隨齡期的變化規(guī)律。4）對(duì)不同水泥用量及廢棄混凝土顆粒含量下的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同等級(jí)的廢棄混凝土顆粒料的剪切應(yīng)力-變形規(guī)律存在某種相似之處，即剪切應(yīng)力隨剪切變形增加而快速變大，隨后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目擬通過室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定不同配比（水泥用量、顆粒摻量）、不同顆粒級(jí)配、不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土顆粒-水泥漿固結(jié)泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析。對(duì)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、變形模量、粒料含量和粒度等因素進(jìn)行了研究。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同粒徑、不同粒徑、粒徑等條件下，其抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高。試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而提高，但增長(zhǎng)速度較慢。在試件中添加0～2.36 mm的粒料，可以提高試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

廢棄混凝土散體-水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通水泥固化體的相似，且總體表現(xiàn)出類似的特點(diǎn)，隨齡期增加，其峰值狀態(tài)由平緩轉(zhuǎn)為陡峭，從塑性到脆性破壞。本項(xiàng)目在前期工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了粉煤灰-水泥土復(fù)合地基的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和直剪試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，與常規(guī)水泥基固結(jié)淤泥相比，水泥基材料的力學(xué)性能有所改善，對(duì)實(shí)現(xiàn)資源化利用和節(jié)約砂石等可再生資源均具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]孟佳陽(yáng)，劉海明，王鳳娥.新時(shí)期張家港市河道疏浚工作探索與實(shí)踐[J].中國(guó)水運(yùn)，2021（8）： 114-116.

[2]翁佳興.吹填淤泥自重沉積規(guī)律試驗(yàn)研究[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，2012，29（3）：81-85.

[3]程福周，雷學(xué)文，孟慶山，等．高含水率疏浚淤泥固化的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，15（1）：295-299.

[4]程鈺詩(shī).水泥固化（超）高含水率淤泥強(qiáng)度特性[D].武漢：華中科技大學(xué)，2017.

[5]姬鳳玲．淤泥泡沫塑料顆粒輕質(zhì)混合土力學(xué)特性研究[D].南京：河海大學(xué)，2019.

[6]王東星，陳政光.氯氧鎂水泥固化淤泥力學(xué)特性應(yīng)變速率效應(yīng)研究[J].巖土力學(xué)，2021，42（10）：2634-2646.

[7]曾智，沈水龍，王志豐，等．上海水泥固化黏土的強(qiáng)度與硬度相關(guān)性研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014，10（2）：311-314.

[8]張啟，孫秀麗，劉文化，等．不同水泥摻量下非飽和固化淤泥力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，60（2）： 184-191.

[9]李建軍，梁仁旺.水泥土抗壓強(qiáng)度和變形模量試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2019，30（2）： 473-477.

[10]陳曉靜，王保田，左晉宇，等.水泥土抗壓抗剪強(qiáng)度及相關(guān)性研究[J].水運(yùn)工程，2021（8）：169-175.