城市河道淤泥固化土的力學(xué)特性研究

張慧超 馬 旭

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070； 2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 概述

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市河道清淤每年都會產(chǎn)生大量污泥，由于其初始含水率高，有毒物質(zhì)多，對生態(tài)環(huán)境具有很強(qiáng)的破壞性。因此，城市河道淤泥的安全處置對我國許多城市均提出巨大挑戰(zhàn)。近年來，固化穩(wěn)定技術(shù)由于其效率高、成本低等優(yōu)勢在實(shí)際工程中逐漸成為一種淤泥處理和資源化利用的重要手段[1]。其核心是通過在淤泥中添加水泥、石灰、粉煤灰、礦渣、鋼渣等粘合劑的方式，達(dá)到降低淤泥含水率，提高淤泥強(qiáng)度的目的。

石灰固化土強(qiáng)度增長緩慢，干縮明顯，易軟化開裂，且水穩(wěn)性差。二灰土(石灰—粉煤灰固化土)早期強(qiáng)度低且水穩(wěn)性差。其他化學(xué)固化劑改性土的固化效果隨土類型的變化差異較大且由于固化劑價(jià)格較高，改性成本高，相較于以上幾種固化劑，水泥固化土的水穩(wěn)性好，價(jià)格適中，因此，適合作為改性劑對淤泥進(jìn)行固化處理。

近年來，水泥土被廣泛應(yīng)用于房屋建筑、道路建設(shè)、大壩護(hù)坡和防滲保護(hù)[2]。黃欣等[3]認(rèn)為水泥固化土強(qiáng)度主要來源于水泥水化過程中產(chǎn)生的膠結(jié)物。Kaniraj等[4]提出了由養(yǎng)護(hù)齡期、水泥和粉煤灰摻量預(yù)測固化土強(qiáng)度的模型。湯怡新等[5]通過試驗(yàn)研究得出固化土強(qiáng)度主要受水泥摻量和土體初始含水率的影響。除了針對固化土強(qiáng)度研究，許多研究者[6-10]對水泥固化土的滲透特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研究發(fā)現(xiàn)固化土滲透系數(shù)隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減小，其原因是水泥水化產(chǎn)物隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加不斷累積，逐漸充填土體孔隙，從而造成固化土滲透系數(shù)的降低。

本文通過一系列室內(nèi)擊實(shí)、直剪和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了不同水泥摻量固化土的強(qiáng)度演化規(guī)律，以期為城市河道疏浚淤泥的再利用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用淤泥土取自湖北省武漢市某河道清淤場地。研究用淤泥土的天然重力含水率為78.63%，高含水率淤泥經(jīng)風(fēng)干、研磨過2 mm篩，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。經(jīng)顆粒分析試驗(yàn)得到淤泥土含砂粒34%，粉粒41%，黏粒25%。X射線衍射試驗(yàn)表明該淤泥土主要礦物成分為石英、伊利石、蒙脫石、鈉長石。

試驗(yàn)用水泥為普通硅酸鹽水泥，其強(qiáng)度高、化熱大，抗凍性好、耐磨性好，抗碳化性較好，主要化學(xué)成分為CaO，SiO2和Al2O3。

表1 基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)的目的是利用機(jī)械能將土顆粒壓密，減少土體內(nèi)部孔隙，降低土體強(qiáng)度和體積變化的敏感性，同時(shí)提高土體強(qiáng)度和承載能力，降低壓縮性和滲透性。本研究中將干土粉與水泥按照干土質(zhì)量百分比2%，4%，8%混合均勻，加入去離子水配制成不同含水率的土膏，并用密封袋密封24 h，之后采用重型擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行最優(yōu)含水率和最大干密度的測定。

2.2.2直接剪切試驗(yàn)

首先將過2 mm篩的干土粉與水泥按照2%,4%,8%的質(zhì)量百分比混合均勻，加入去離子水分別配制到不同水泥摻量所對應(yīng)的最優(yōu)含水率狀態(tài)，然后按照93%,96%,98%壓實(shí)度將濕土膏制成高20 mm，直徑61.8 mm的環(huán)刀試樣。剪切過程中，豎向荷載設(shè)置為100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa，快剪速率設(shè)定為1 mm/min。最終得到不同水泥摻量試樣在不同豎向荷載下的強(qiáng)度峰值。

2.2.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

用與直剪試驗(yàn)相同的方法配制不同水泥摻量的濕土膏，并按照93%,96%,98%壓實(shí)度將濕土膏制成高50 mm，直徑30 mm的圓柱試樣，按1%/min的速率進(jìn)行剪切，直至試樣破壞，記錄試樣破壞時(shí)測力計(jì)讀數(shù)，即為試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

不同水泥摻量下?lián)魧?shí)曲線如圖1所示，所得到的最優(yōu)含水率和最大干密度如表2所示。

從圖1，表2中可以得出：摻入不同摻量的水泥之后，固化土的最優(yōu)含水率略微下降，降幅在2%以內(nèi)，最大干密度先減小后增大。

表2 不同水泥摻量固化土最優(yōu)含水率及最大干密度

3.2 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

如圖2～圖4所示分別為水泥摻量為2%，4%，8%時(shí)試樣的強(qiáng)度包線及強(qiáng)度參數(shù)值，圖5，圖6分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角與水泥摻量的關(guān)系，圖中K為壓實(shí)度，t為養(yǎng)護(hù)齡期。

從圖2～圖6可以看出：

1)相同豎向荷載情況下，壓實(shí)度越大，養(yǎng)護(hù)齡期越長，試樣剪切強(qiáng)度越大，這是因?yàn)閴簩?shí)度越大，土顆粒以及顆粒集聚體之間接觸更加緊密，孔隙體積則越小，試樣抵抗變形的能力更強(qiáng)。而養(yǎng)護(hù)齡期越長，土體中的水泥水化反應(yīng)越完全，從而提高了試樣的強(qiáng)度；

2)水泥固化土的粘聚力隨水泥摻量的增加有明顯增大，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。這是由于水泥摻量的增加以及養(yǎng)護(hù)齡期的延長，使固化土土體內(nèi)水化產(chǎn)物增多，水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用使試樣粘聚力增大；

3)不同水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期的水泥固化土其內(nèi)摩擦角變化范圍為27°～30°之間，表明不同水泥摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期后水泥固化土的內(nèi)摩擦角沒有明顯變化，即水泥不影響固化土土顆粒之間的摩擦特性。

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

如圖7所示為水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果，圖中式子K=93%-0，其中，K=93%為壓實(shí)度；0代表水泥摻量。

從圖7可以看出：1)總體上，水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于素淤泥土(即水泥摻量為0)。2)壓實(shí)度越高，水泥摻量越大，水泥固化土的無側(cè)限強(qiáng)度越大，這是因?yàn)閴簩?shí)度越高，土顆粒及顆粒集聚體之間結(jié)合更緊密，且水泥摻量越大，水化產(chǎn)物越多，膠結(jié)作用越強(qiáng)。3)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥固化土無側(cè)限強(qiáng)度先增大后減小，并在齡期60 d時(shí)達(dá)到峰值，90 d后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明水泥固化土的強(qiáng)度不會隨著時(shí)間的發(fā)展而持續(xù)增加，且強(qiáng)度在一定時(shí)間之后發(fā)生衰減，并最終穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文通過一系列的擊實(shí)、直接剪切及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對城市河道淤泥水泥固化土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了較為全面的試驗(yàn)探究，得出以下結(jié)論：

1)淤泥土在添加水泥之后，其最優(yōu)含水率略有降低，最大干密度先降低后上升。2)水泥固化土的粘聚力隨著水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸增大，而內(nèi)摩擦角變化不明顯。3)水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比于素淤泥土有明顯提升，壓實(shí)度越大，水泥摻量越大，無側(cè)限強(qiáng)度越大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)60 d之后，強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨后強(qiáng)度發(fā)生衰減，并在90 d之后逐漸穩(wěn)定。