ISS-水泥聯合固化淤泥的力學特性研究

吳雪婷，唐杉，程明峰，王臻華，項偉，2，陳斌

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學（武漢）教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，湖北 武漢 430074；3.杭州師范大學理學院，浙江 杭州 310036）

0 引言

寧德海域廣泛分布著深厚的第四紀海相沉積淤泥層，隨著寧德地區基礎建設的快速發展，大量與灘涂淤泥有關的工程問題不斷涌現，淤泥的處理及資源化利用已經成為工程界迫切需要解決的問題[1]。

目前淤泥固化的傳統材料常以水泥、石灰等無機材料為主，其單獨使用或加入粉煤灰、高爐礦渣、廢石膏等工業廢料[2]，或者加入膨潤土、水玻璃等得到復合固化材料[3-4]。新型固化材料是指各種專用固化劑如液態離子型[5]、高分子、納米材料等。研究表明，新型固化材料固化效果優于傳統固化材料，但是一般成本較高，只適用于處理量較小的特殊地基中；對于大量淤泥的處理，需要根據淤泥的特點研究經濟有效的固化材料配方[6]。水泥作為一種主要固化劑廣泛應用于淤泥加固中，將水泥和新型固化材料聯合使用加固淤泥具有重要的研究意義。

新型固化材料離子土固化劑（Ionic Soil Stabi-lizer，ISS）具有成本低、施工方便、耐久、環保、就地取材、-位固化等特點，可廣泛應用于道路、建筑基礎、農田水利等領域。目前，國內外諸多專家學者開展了ISS固化土的試驗及機理研究[7]，研究對象涉及多種土體類型[8]，均取得了較好的固化效果。

本研究使用酸性液態材料ISS和堿性固態材料水泥，單獨和聯合進行淤泥固化，以研究不同形態的酸堿固化劑單獨和共存條件下固化寧德海相淤泥的效果及力學性能，探討不同固化劑之間的相互作用機理。

1 試驗材料

1.1 試驗土樣

試驗土樣為福建寧德海相淤泥，-狀土取樣深度0~3 m，淤泥呈灰黑色，流塑，具腥臭味。淤泥的主要物理性質指標見表1，顆粒級配見圖1。

表1 淤泥的物理性質指標Table 1 The physical properties of silt

圖1 淤泥的級配累積曲線圖Fig.1 Accumulation curve of silt gradation

1.2 固化材料

1）離子土固化劑（ISS）

ISS采用美國路邦EN-1土壤固化劑，EN-1-液呈黑色，含有活性成分磺化油，是一種陰離子型表面活性劑。路邦EN-1的物理參數見表2。

表2 路邦EN-1的物理參數Table 2 The physical properties of Road Band EN-1

2） 水泥

水泥是一種堿性固態粉狀水硬性無機膠凝材料，本試驗采用湖北華新水泥廠生產的P·C32.5R復合硅酸鹽水泥。

3）堿化劑（NaOH）

在不同形態的酸堿固化劑（酸性液態材料ISS、堿性固態材料水泥）共存條件下，酸、堿固化劑本身也會發生一定的反應，使固化土內部結構變化極為復雜[9]。為定性及定量研究酸堿固化劑共存對固化效果的影響，對部分樣品摻入堿化劑NaOH，以調節試樣的pH值到中性，即在摻入水泥之前，對ISS固化淤泥進行堿化處理。

1.3 試樣制備及試驗設計

試驗研究過程中共制備了5類樣品，分別為：1） S （Silt）：淤泥-狀樣。

2）S-In（Silt+ISS，其中ISS頤H2O（體積比）=1頤n）：淤泥+ISS的固化樣。

3）S-Cm（Silt+Cement，其中水泥摻入比為m%）：淤泥+水泥的固化樣。

4） SI-Cm （Silt+ISS+Cement）：淤泥 +ISS（最優）+水泥的固化樣。

5） SIA-Cm （Silt+ISS+NaOH+Cement）：淤泥+ISS（最優）+堿化劑+水泥的固化樣。

制樣前將-狀淤泥放入烘箱中在55益條件下連續烘烤48 h，冷卻至常溫后碾磨過2 mm標準篩備用。試驗設計包括：ISS固化淤泥單摻試驗、水泥固化淤泥單摻試驗、ISS+水泥聯合固化淤泥復摻試驗、NaOH堿化的ISS+水泥聯合固化淤泥復摻試驗。

2 試驗方法及數據分析

2.1 單摻ISS固化淤泥液塑限試驗

ISS在使用之前，需要稀釋成不同濃度的水溶液，單摻試驗設計ISS頤H2O的體積比分別為1頤25、1頤50、1頤75、1頤100、1頤125、1頤150、1頤175、1頤200，與土樣混合并攪拌均勻，密封靜置24 h后測界限含水率，得到最優體積比為1頤50。在最優體積比附近加密間距，設計ISS頤H2O的體積比分別為1頤40和1頤60重復上述試驗，得到ISS頤H2O的最優體積比仍為1頤50，最低塑性指數IPmin=13.24。固化淤泥的塑性指數與ISS濃度之間的關系見圖2。

圖2 塑性指數與ISS濃度之間的關系曲線Fig.2 Relationship between plasticity index and ISS concentration

2.2 單摻及復摻固化淤泥含水率及pH值試驗

單摻水泥時設置水泥摻入比分別為0%、3%、6%、9%、12%、15%、18%，以1.3 g/cm3干密度和50.77%液限含水率制樣S-C0耀18；再復摻ISS（ISS頤H2O=1頤50）和不同梯度的水泥，同樣方法制樣SI-C0耀18，攪拌均勻后密封養護24 h，測各樣品含水率及pH值，試驗結果見圖3。

圖3 水泥摻量與樣品含水率和pH值之間的關系Fig.3 Relationship between cement content and water content and pH value of samples

由圖3的含水率曲線可知，單摻水泥與復摻ISS-水泥的情況下，樣品含水率均隨著水泥摻量的增加而下降；樣品SI-C0耀18的含水率均低于同比單摻水泥的樣品S-C0耀18。無論是水泥還是ISS的摻入，均降低了淤泥的含水率。ISS在低摻量水泥（<9%）條件下對降低淤泥含水率起到了主要作用，使初始含水率迅速下降；水泥摻量逸9%以后，這種主導作用減弱；當水泥摻量達到18%時，兩類樣品含水率趨于一致，約為38.5%，降幅達24%。ISS有效降低了淤泥的初始含水率，對后續水泥固化起到了積極作用。

由圖3的pH曲線可知，單摻水泥與復摻ISS-水泥的情況下，樣品pH值均隨著水泥摻量的增加而升高；樣品SI-C0耀18的pH值均低于同比單摻水泥的樣品S-C0耀18。由于ISS呈酸性，導致SI-C0耀18的pH值較低，ISS中的H+與水泥中的OH-發生了中和反應，消耗了水泥中的部分OH-。當水泥摻量逸12%之后，兩類樣品的pH值近似相等，ISS溶液對固化土pH值的影響逐漸減弱，ISS溶液與水泥之間的酸堿中和反應趨于結束。

2.3 單摻及復摻固化淤泥無側限試驗

將S-C3耀18和SI-C3耀18分別按照3個平行試樣制樣，在標準養護箱中養護（養護溫度=（20依2）益，濕度>95%）至7 d設計齡期后進行無側限抗壓強度試驗。實驗結果的平均值見圖4，樣品SI-C3耀18的無側限抗壓強度均低于同比單摻水泥的樣品S-C3耀18，在水泥摻量大于9%之后兩條強度曲線大致平行。

圖4 無側限抗壓強度與水泥摻量之間的關系Fig.4 Relationship between unconfined compressive strength and cement content

由圖4可知，無論是單摻水泥還是復摻ISS-水泥，在水泥摻量為9%時均存在拐點，小于9%時無側限抗壓強度增長緩慢；大于9%時增長迅速；9%即為臨界水泥摻量。低于9%水泥摻量時，水泥的水化產物過少，對淤泥的強度影響較小，屬于固化非反應區。同時，ISS中H+阻礙了水泥的水化進程，反而使試樣強度降低。隨著水泥摻量的增加（>9%），淤泥的強度迅速增長，呈現明顯的固化反應區；ISS中H+完成了與水泥的中和反應，試樣強度發生轉折式增加，但總體強度仍低于單摻水泥試樣，同比降幅為13%耀25%。

由于酸性ISS與堿性水泥之間相互抑制，雖然兩者均有效減小了土樣的初始含水率，但聯合使用卻降低了固化土強度。因此進一步設計試驗，在淤泥固化反應區內先用ISS稀釋液（最優體積比）處理土樣，并加入堿化劑NaOH調節pH值到中性，再分別摻水泥9%和12%，配制樣品SIA-C9和SIA-C12。其無側限抗壓強度試驗樣品制作養護及測試方法同上，結果匯總于圖4和圖5。

圖5 無側限抗壓應力-應變曲線Fig.5 Unconfined compressive stress-strain curves

由圖4和圖5可知，S-C9和S-C12破壞應變約為3%耀4%，而SIA-C9和SIA-C12破壞應變約為2%，堿化復摻樣品的強度比單摻水泥同比漲幅約為20%耀60%。對比SI-C12和SIA-C9，兩者強度相近，即達到相同的強度，堿化ISS-水泥相比于酸性ISS-水泥可節省約3%的水泥用量。對比SI-C9和SIA-C9、SI-C12和SIA-C12，可知堿化ISS-水泥比酸性ISS-水泥可以同比提高固化土強度約60%耀600%，在水泥摻量9%的臨界摻量時提高效果最顯著，SIA-C9無側限抗壓強度達4.574 MPa。當使用NaOH堿化ISS-水泥固化淤泥時，臨界水泥摻量甚至可以低于9%，使圖4上的淤泥固化反應區界限左移。

2.4 單摻及復摻固化淤泥直剪試驗

對樣品S-C9、S-C12、SI-C9、SI-C12、SIAC9、SIA-C12各制4個平行樣，養護至7 d設計齡期后分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的垂直壓力下進行直剪快剪試驗，其中SIA-C9的剪應力-剪變形曲線及其剪切破壞形態見圖6。各樣品的抗剪強度曲線見圖7，抗剪強度指標見表3。

圖6 樣品SIA-C9剪應力-剪變形曲線Fig.6 Shear stress-strain curves of sample SIA-C9

圖7 各樣品抗剪強度曲線Fig.7 Shear strength curves of samples

表3 各樣品抗剪強度指標Table 3 Shear strength index of samples

由圖7和表3分析可知，當水泥摻量為9%時，SIA-C9的黏聚力比S-C9提高了約1.5倍，內摩擦角提高了約1毅，比SI-C9的黏聚力和內摩擦角分別提高了約4.1倍和14毅；當水泥摻量為12%時，SIA-C12的黏聚力比S-C12提高了約1.5倍，內摩擦角提高了約5.5毅，比SI-C12的黏聚力和內摩擦角分別提高了約2.2倍和6.5毅。SIA-C9的抗剪強度指標與S-C12接近，即NaOH堿化ISS-水泥摻入在淤泥固化上可以節約水泥約3%的用量，而酸性ISS-水泥則會減弱固化淤泥的效果。

2.5 單摻及復摻固化淤泥24 h固結試驗

利用高壓固結儀對上述3類（共6種）淤泥樣品養護7 d后進行24 h標準固結試驗，采用液限含水率制備環刀樣，施壓等級為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa共4級荷載。得到各樣品的壓縮指標見表4。

表4 各樣品的壓縮指標Table 4 Compressibility index of samples

由表4分析可知，當水泥摻量為9%時，SIAC9的壓縮系數比S-C9降低了0.06 MPa-1，壓縮模量增加了4.38 MPa，比SI-C9的壓縮系數降低了1.06MPa-1、壓縮模量增加了13.3MPa；當水泥摻量為12%時，SIA-C12的壓縮系數比S-C12降低了0.02 MPa-1，壓縮模量增加了2.73 MPa，比SI-C12的壓縮系數降低了0.06 MPa-1、壓縮模量增加了6.61 MPa。對比各試樣的壓縮系數發現：SI-C9>S-C9>SI-C12>SIA-C9=S-C12>SIA-C12；在相同水泥摻量條件下壓縮性大小為：SI-C>S-C>SIA-C。SIA-C9的壓縮指標和S-C12接近，即NaOH堿化ISS-水泥聯合固化淤泥可以節約3%的水泥用量，而酸性ISS-水泥反而減弱了水泥固化淤泥的效果。該結論與無側限抗壓強度、抗剪強度指標一致。

3 ISS-水泥聯合固化淤泥作用機理及效果分析

ISS中含有的活性成分磺化油由植物油或魚油與過量濃硫酸發生磺化反應制得，用濃硫酸磺化時，反應生成的水使硫酸濃度下降、反應速率減慢，因此要使用過量的磺化劑，導致ISS溶液中H+過量?；腔陀苫撬峄?SO3H）和烴基（R-H）的C-子直接相連而成，在結構上具有獨特的二重性，分為“親水頭（RSO3H）”和“疏水尾（C-H）”。ISS與淤泥混合后，ISS的“親水頭”與黏土顆粒表面形成化學鏈，并溶解在黏土顆粒表面的結合水層中，其“疏水尾”則圍繞著黏土顆?；蛟陴ね翆娱g形成油性層，阻止水進入這個體系，減小結合水膜的厚度，增大粒間引力，孔隙減少，結構密實，且反應不可逆。

水泥加固淤泥時，水泥與土體中的水很快發生水解和水化反應生成各種化合物，隨著水泥水化反應的深入，在堿性環境中，繼續發生離子交換和團凝化作用。由于ISS溶液中H+過量，H+與Ca（OH）2發生中和反應，抑制水泥水化反應的進程，阻止火山灰反應和碳酸化反應的發生，從而影響水泥固化土的強度增長。

水泥固化土強度增長的過程緩慢且作用復雜，如果在中性和堿性環境下摻入水泥，則可以避免上述酸堿中和反應的不利影響。試驗結果表明：NaOH堿化ISS-水泥聯合固化土不但可以解決單摻水泥固化土早期強度不足的缺點，7 d齡期即可達到固化土的強度標準，在加快土體固化速率的同時還能節約水泥用量。

4 結語

1）EN-1型ISS固化寧德淤泥的ISS頤H2O最優體積比為1頤50；臨界水泥摻入比為9%；使用NaOH堿化ISS-水泥固化淤泥時，可降低臨界水泥摻量。

2）ISS通過減小結合水膜的厚度來改變淤泥含水率，水泥通過水化反應將淤泥中的自由水轉變為礦物結晶水來減少淤泥含水率，兩者聯合使用對于降低淤泥初始含水率均具有積極作用。

3）酸性ISS與堿性水泥之間相互抑制，兩者聯合使用，ISS溶液中H+阻礙了水泥的水化進程，反而降低了固化土強度。

4）NaOH堿化ISS-水泥聯合固化淤泥不但彌補了傳統水泥類堿性固化劑提高早期強度緩慢的不足，而且在淤泥固化上相比于單摻水泥，可以節約大約3%的水泥用量，降低工程造價。