河道疏浚淤泥固化技術研究

2018-08-30 13:32:06杭天飛唐斌斌

水利科技與經濟 2018年4期

杭天飛,唐斌斌

(揚州市勘測設計研究院有限公司,江蘇揚州 225007)

0 引言

河道清淤疏浚能有效清除河道底泥污染，改善水環境和擴大過水斷面，提高排水能力。近年來，大量河道疏浚項目上馬，由于疏浚河道而產生的淤泥是河道疏浚工程須解決的難點與重點之一[1]。河道疏浚淤泥由于其含水率高、強度低，不易于直接作為地基土，需對其進行固化處理。

目前，針對固化淤泥處理方式有多種，如石膏[2]、砂[3]、化學試劑[4]和水泥[5-10]等，其中水泥是一種最為常用的固化劑。粉煤灰是煤炭燃燒產生的一種廢棄物，其與水泥作用能生成強度較高的鈣化物，從而增強水泥作用效果。對固化河道淤泥而言，摻入粉煤灰能降低水泥使用量，降低工程成本。因此，對不同水泥摻量、不同水泥與粉煤灰摻量下固化淤泥強度進行研究，能為固化淤泥進行經濟有效的設計提供指導。

單塘河位于姜堰城西北郊，新通揚運河以南，相傳隋唐時期單雄信曾在此屯兵飲馬，故名單塘河。單塘河為東西走向，全長約1.1 km。單塘河為歷史性河道，缺乏投入，目前淤積嚴重，兩岸環境差。根據《姜堰區生態建設規劃》，按照“利于興業、便于旅游、宜于人居”的生態名城要求，區政府決定對單塘河進行綜合整治，打造親水、活水通道，形成水清、岸綠、景美。本文以單塘河疏浚淤泥為試驗對象，試驗分為兩部分，第一部分為確定水泥摻量(2%、5%、8%和10%)對河道疏浚淤泥固化效果；第二部分為水泥摻量為5%時，不同粉煤灰摻量下(2%、5%、8%和10%)河道疏浚淤泥固化效果。

1 試驗材料與程序

1.1 試驗材料

河道疏浚淤泥比重Gs=2.71，天然密度ρ=1.69 g/cm3，天然含水率為171%，液限ωL為72%，塑性指數塑限IP=48%，圖1為河道淤泥級配曲線。根據水利部頒布的土工試驗規程[11](SL 237-1999)，可將該河道疏浚淤泥分類定名為高液限黏土CH。水泥為普通硅酸鹽水泥，強度等級為32.5。

圖1 顆粒大小分布曲線

1.2 試驗程序

對水泥固化河道淤泥試樣，在河道淤泥中摻入2%、5%、8%和10%的水泥，混勻后注入尺寸為Φ50 mm×100 mm模具中，24 h后脫模，并分別在標準養護條件下養護7、28和90 d；對水泥與粉煤灰共同作用固化淤泥試樣，在河道淤泥中先摻入5%的水泥而后摻入2%、5%、8%和10%的粉煤灰，混勻后注入模具，24 h后脫模，并分別在標準養護條件下養護7、28和90 d。當試樣達到養護齡期時，對試樣進行單軸壓縮試驗，剪切速率為1 mm/min。試驗平行3組進行，取3組試驗平均值作為試驗結果。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥摻量的影響

為探討水泥摻量對河道疏浚淤泥單軸強度的影響，分別對水泥摻量為2%、5%、8%和10%的水泥固化河道疏浚淤泥進行單軸抗壓強度試驗，其強度與水泥摻量關系曲線見圖2。由圖2可以看出，不同齡期下(7、28和90 d)，試驗水泥摻量條件下(2%～10%)，隨水泥摻量增多，水泥固化河道疏浚淤泥強度呈一簡單的線性關系，隨水泥摻量增多，其強度值逐漸增大；水泥摻量每增大1%，齡期為7、28和90 d齡期水泥固化疏浚淤泥單軸抗壓強度增大量分別約為27、36和33 kPa。

圖2 單軸抗壓強度～水泥摻量關系曲線

圖3為齡期與水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度關系曲線。由圖3可知，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度與齡期呈對數關系，隨齡期增大，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度增大；以齡期為7 d時水泥為基準，水泥摻量為2%、5%、8%和10%的水泥固化河道疏浚淤泥28和90 d齡期單軸抗壓強度分別提高42%、40%、31%、28%和117%、95%、76%、75%、65%?？梢钥闯鲭S水泥摻量增多，28和90 d齡期時，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度相對于7 d齡期時,強度提高量逐漸減小；水泥摻量為10%時、90 d齡期時，其強度增長量僅約為水泥摻量為2%時強度增長量的一半。說明水泥摻量越多，其單位水泥增長效用越低，其經濟效用越低。

圖3 單軸抗壓強度～齡期關系曲線

2.2 粉煤灰摻量影響

為探討粉煤灰摻量對水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度的影響，分別對水泥摻量為5%，粉煤灰摻量為2%、5%、8%和10%的水泥固化河道疏浚淤泥進行單軸抗壓強度試驗。不同粉煤灰摻量下，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度與粉煤灰摻量關系曲線見圖4。由圖4可以看出，齡期為7 d時，隨粉煤灰摻量增大，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度基本不變。這是由于粉煤灰與河道疏浚淤泥基本不反應，主要與水泥水化產物作用，而水泥水化物主要形成于反應后期，在前期水泥水化物基本未與粉煤灰反應，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度主要受水泥摻量影響。齡期為28和90 d時，隨粉煤灰摻量增多，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度先增大，后逐漸趨于平穩，轉折點粉煤灰摻量為5%。這主要是由于粉煤灰與水泥水化物反應，形成強度較高的骨架，使得水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度提高，粉煤灰與水泥摻量比值為1∶1時，水泥水化產物與粉煤灰基本反應完全；粉煤灰摻量超過5%時，隨粉煤灰摻量進一步增大，過量的粉煤灰不能參與反應形成強度較高的穩定骨架結構，其強度不再增大，表現為隨粉煤灰摻量增大，水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度先增大后趨于穩定的宏觀規律。

圖4 單軸抗壓強度～粉煤灰摻量關系曲線

圖5為摻粉煤灰水泥固化河道疏浚淤泥單軸抗壓強度與齡期關系曲線。由圖5可以看出，不同粉煤灰摻量固化淤泥單軸抗壓強度與齡期基本呈對數關系，隨齡期增大，其單軸抗壓強度逐漸增大；齡期為7 d時，不同粉煤灰摻量固化淤泥單軸抗壓強度基本相同；粉煤灰摻量為5%、8%和10%時，其在7、28和90 d齡期下，單軸抗壓強度基本相同。而粉煤灰摻量為2%時，其各個齡期下單軸抗壓強度均明顯小于其他3個粉煤灰摻量下單軸抗壓強度，表明粉煤灰摻量超過5%(水泥摻量)時，不同粉煤灰摻量固化淤泥抗壓強度隨齡期增長基本保持一致。