低摻量條件下疏浚泥固化力學性能的試驗研究

沈 超 王 琛 郁片紅 劉文白

（1.同濟大學水利工程系，上海，200092；2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海，200092；3.上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200125；4.上海海事大學海洋科學與工程學院，上海 201306）

0 引言

我國正處于經濟高速發展時期，港口、航道等海洋和海岸工程的建設及維護產生了大量的疏浚淤泥。工程上常直接將這些疏浚泥丟棄，或使用大面積土地堆放，不利于海洋資源的有效利用，同時會對海洋的水環境、地質環境和生態環境造成破壞。若采用固化疏浚泥作為工程填方材料，不僅可以解決上述問題，還能緩解工程中填方材料短缺的狀況，因而被國內外學者持續關注。

國外對疏浚泥資源化利用的研究開展較早，通過化學或物理的固化處理方法，改良其高含水率、低強度的性質，使之具有良好的力學性能，在工程中加以利用。例如，日本伏木富山港的填海工程，航道中的疏浚泥經過固化處理，直接輸送至碼頭改造工程進行填筑，節約了資源、縮短了工期［1］。

土體參數是巖土工程設計與施工的重要參考指標，物理模型試驗是常用分析手段［2-3］。為確保疏浚泥在工程應用中的安全可靠，國內外學者對其固化后的力學特征開展了研究。Horpibulsuk等［4］研究了未固化的淤泥微觀結構，發現添加水泥后黏土顆粒形成蜂窩狀結構，通過顆粒膠結提高了強度。馮旭松等［5］認為水泥摻量、強度等級和齡期等因素對疏浚泥固化土的無側限抗壓強度影響較大。丁建文等［6］基于擾動狀態概念和重塑土固有壓縮特性，提出了高含水率疏浚泥固化土的壓縮模型，通過一維壓縮試驗進行了驗證，并提出了高含水率疏浚泥堆場的動態沉積計算模型［7］。李芳菲等［8］研究了干濕循環條件下水泥固化疏浚泥物理力學特性，認為烘干溫度和裂縫的雙重作用是關鍵影響因素。此外，在固化淤泥強度預測［9］、不排水抗剪強度［10］、養護溫度［11］及含水率［12］等因素的影響方面也均取得一定進展。

然而目前針對復雜的環境條件、固化條件及養護條件下疏浚泥力學特性的研究還不夠充分。實際工程一般體量很大，經濟性是采用固化劑時的重要考慮因素之一，對其低摻量條件下的固化效果進行的探究十分必要。特別是在海洋環境中，構件及填土材料不可避免地受到海水腐蝕作用，對其力學特性產生一定的影響［13-14］。與此同時，針對固化劑作用效果的分析往往局限于試驗結果，對其作用過程中的機理研究不夠深入。為此，本文開展了不同固化劑種類在低摻量條件下的疏浚泥固化力學性能試驗，分析了其破壞形式、破壞機理及相關參數，并探究了上述因素對固化疏浚泥抗壓性能的影響。同時，對海水腐蝕條件下疏浚泥的力學性能進行了探索，以期對海洋工程中的填方工程和環境保護提供建議。

1 疏浚泥固化力學性能的試驗研究

1.1 試驗方案與設計

1.1.1 固化劑選擇及摻量設計

經比選，采用已在實際工程中應用較廣泛、固化效果較好的PM 固化劑作為對照，以自配固化劑和水泥固化劑與之進行對比。PM 固化劑為化工產品，主要成分為碳化二亞胺及其聚合物。水泥固化劑主要成分為由無機物、化學活性物質和絡合物等組成的樹脂材料。上述兩種固化劑已比較成熟地運用于混凝土的固化處理中。自配固化劑以標號為P.S 42.5 的礦渣硅酸鹽水泥為主，輔以石膏、石灰和礦渣等添加劑，并添加木質素作為激發劑。石膏的作用是促使水泥快凝，提高強度和穩定性，石灰和礦渣為配合材料，可提高保水性和耐久性。木質素作為激發劑，一般用于瀝青道路、混凝土、砂漿等領域，可以有效防止涂層開裂，在固化過程中增加強度和接觸面附著力。

根據試驗所用的PM 固化劑技術標準，兼顧工程應用的經濟合理性，試驗的固化劑以8%為對照組，與摻量為4%，6%和12%的試件進行對比；自配固化劑和水泥固化劑摻量為8%，與同樣摻量條件下PM 固化劑的效果對比。為使養護周期對試塊抗壓性能產生比較明顯的影響，分別選為7 天、28 天和90 天制樣。養護階段在養護箱內完成，養護箱溫度控制在（20±2）℃。試件編號及相關參數見表1。

1.1.2 試件的真空脫水制備

真空脫水技術屬于物理處理方法的一種。合理地選擇真空度十分重要：一方面，當真空度偏低時，起不到明顯效果，而真空度過高時，容易使疏浚泥表面脫水過快而形成硬殼，阻礙疏浚泥內部真空作用，造成疏浚泥脫水密實不均；另一方面，在真空度達到與疏浚泥特征參數的臨界值時，繼續升高真空度對提高脫水量、增加固化疏浚泥強度的作用不大。

考慮試驗設備的可操作性及真空脫水工藝的成熟程度，本文參考普通混凝土真空脫水工藝設計，先將真空度保持在-0.06 MPa 預抽10 min，再將真空度增大至-0.08 MPa 進行真空脫水20 min。試件經過真空脫水處理后，混凝土內多余水分和空氣被抽出，初始水灰比降低。真空脫水完畢后，取出試件靜置24 h 候拆模，放入HBY-40B 型養護箱按標準條件養護28 d。

1.1.3 試驗土樣

試驗所采用的疏浚泥取自上海臨港地區，土質主要為粉土，其物理參數見表2，疏浚淤泥的含水率為51.07%。土樣的制備步驟簡要說明如下：①組裝模具并涂抹底油，便于取下養護好的試塊；②將固化土裝入組裝好的三聯試模，并不斷壓實，最終抹平至高出試模口2～4 mm；③將上述試模在振動臺上振動30～60 s，確保內部氣泡已全部逸出；④采用低真空度脫水處理10 min，再增加真空度進行脫水處理20 min；⑤刮去氣泡和多余土樣，養護試模，完成后開展后續試驗，針對海水腐蝕條件的試驗組根據要求進行海水浸泡和烘干多次循環。

表2 試驗用土樣物理參數Table 2 Parameters of the soil utilized in this study

1.1.4 抗壓破壞試樣方法

具體的抗壓破壞試驗方法、技術標準及儀器設備均按《土工試驗規程》（GB/T 50123—1999）中的相應標準執行。

進行無側限抗壓試驗時，為避免在加載過程中形成應力集中，減少端部疏松或不平整影響，各試件在正式加載前均進行預加載，該過程參照立方體試件抗壓強度試驗，取預估軸壓峰值荷載的30%～40%。無側限抗壓試驗在WAW-Y1000微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，試驗過程中采用連續均勻的加荷，加載速度為0.05 kN/s。試驗過程中試件的軸向壓力和縱向變形由計算機自動采集。

1.2 試驗結果與分析

1.2.1 單軸抗壓破壞特征

對疏浚泥試件的無側限抗壓試驗過程進行分析，其破壞過程可分為四個階段，即理想工作狀態、裂紋出現狀態、裂縫擴展狀態及完全破壞狀態。以A3b 組試件為例，其破壞過程如圖1所示。

圖1 固化疏浚泥A3b試件單軸受壓試驗Fig.1 Uniaxial compression test on Sample A3

理想工作狀態：即0～1.00 MPa 的加載初始階段，試件基本無明顯變化。

裂紋出現狀態：荷載增加至1.00～1.36 MPa，試件中下部及底部邊角出現裂紋。

裂縫擴展狀態：荷載持續增加至1.36～1.41 MPa過程中，裂紋向上下迅速擴展成裂縫；

完全破壞狀態：裂縫縱向貫通試件，試件表面剝落，完全破壞，無法繼續工作。

以未添加任何固化劑材料的試件A0 作為對照組，經測試其抗壓強度為0.085 MPa。在相同養護時間和養護條件下，不同PM 固化劑摻量試樣的應力-應變曲線如圖2 所示，可以看出，PM 固化疏浚泥的應力-應變曲線可大致分為彈性上升段、塑性屈服段、極限荷載段和破壞段。隨著PM 固化劑用量的增加，其抗壓強度顯著提高，但脆性破壞的特點也越發明顯。當試樣強度較高時，塑性變形逐漸轉變為脆性變形，這是由于固化劑與土顆粒反應，使其形成骨架結構來提高土體強度導致的。當固化劑效果較一般或固化劑摻量較低時，骨架結構僅在土體的局部形成，承受壓力的過程中出現破壞后向下傳遞，宏觀上表現為強度低、變形大的特點；當固化劑固化效果較好或固化劑摻量較高時，大量的膠結物質生成，使骨架結構在整個土體內形成，外力作用時整個土體的骨架結構共同承擔，宏觀上表現為強度高、變形小的特點。

圖2 不同PM固化劑摻量的疏浚泥應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves for dredged mud prepared with different proportion of curing agent

不同的類型固化劑在同樣摻量（8%）和養護條件下的固化疏浚泥應力-應變曲線如圖3 所示。不同固化劑采用同一摻量時，抗壓強度A3b>B3>C3，計算得，A3b、B3 和C3 的抗壓強度分別是A0（未添加固化劑試件）強度的16.59 倍、13.53 倍和9.65 倍。然而實際工程中，固化疏浚泥的體量普遍較大，PM 固化劑價格偏高，經濟性較差。通過插值計算與分析發現，8%自配固化劑固化試塊與7%的PM固化試塊強度相當，8%的水泥固化劑試塊與6%的PM 固化試塊強度相當。在滿足工程強度要求的情況下，自配固化劑更加具有價格優勢，可以作為更好的替代物。

圖3 不同固化劑的疏浚泥應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves for dredged mud prepared with different curing agent

1.2.2 固化劑作用機理分析

PM固化劑主要成分為聚碳化二亞胺，是含有官能團-N=C=C=N-的單碳化二亞胺或聚碳化二亞胺，添加適量的該材料可用作為的工業或工程中的加工助劑。碳化二亞胺會與含活化氫物質發生反應，可以用作交聯劑，加強土體中顆粒間的膠結，從而提高其強度，代表性反應過程如下［15］

水泥固化劑主要通過在孔隙中滲透后與材料發生化學、結晶反應，使塊體中各成分固化成堅固實體、阻塞孔隙，使其形成致密整體，從而提高抗壓等工程性能。在采用水泥固化劑的反應過程中，活性硅酸根離子（SiO32-）與游離的鈣離子（Ca2+）反應生成硅酸鈣化合物（C-S-H）成為提供強度的主要物質，過程中的主要反應如下。

硅酸三鈣水化：

硅酸二鈣水化：

鋁酸三鈣水化：

當石膏耗盡時：

本文采用的自配固化劑中除石灰、石膏和礦渣等常規成分，還添加木質素作為激發成分。木質素是植物細胞的重要骨架之一，其通過無數個單體結合而成，目前普遍認為其單元結構主要為苯丙烷基［16］，其結構主要包括紫丁香基結構（S）、對羥基苯基結構（H）和愈創木酚結構（G），如圖4所示。

圖4 構成木質素的三種初始結構單元Fig.4 The three primary lignin monomers

木質素具有的芳香環以及高度交聯的三維網狀結構，其苯環上有可反映交聯的游離空位，使得木質素在固化作用的過程中通過其黏性將土體顆粒進行膠結，配合常規成分產生較好的固化效果。與此同時，木質素結構中存在的酚羥基和羧基使其具有較強的螯合性和膠體性能，不僅可以避免鈣、鎂等金屬離子產生過多沉淀物，還能將孔隙填充膠結，保證其整體固化效果。

上述三種固化劑的作用機理有所不同，故不同摻量條件對固化效果的影響也存在區別。PM固化劑主要靠化學反應后的物質產生膠結能力，當摻量偏低時，僅能保證局部固化效果，整體力學性能提高不大，當摻量達到一定閾值時，隨著PM固化劑摻量增加，其固化效果大幅提升。水泥固化劑主要通過與土體中的成分發生反應而起到固化效果，反應過程中將消耗一部分原料，且生成物比PM 固化劑的膠結作用較差，因此在同樣摻量條件下效果較差。自配固化劑在常規固化作用的基礎上，通過木質素的激發、膠結作用，使其較水泥固化劑效果更好。由于反應過程也會與原料中的成分進行反應，在摻量較高時其固化效果的增強并不明顯。對比自配固化劑以及PM 固化劑的固化效果，在摻量在0%～6%的范圍時，兩種固化劑的固化效果無明顯差異，增長率約為11%；當摻量為6%～12%時，強度增長幅度明顯提高，自配固化試塊的強度增長率變為25.5%，PM 固化試塊強度增長率變為30.8%。

1.2.3 海水腐蝕對強度影響初探

廣泛用于填海工程的疏浚泥在固化后長期處于海水環境中，因此有必要研究海水對其強度的腐蝕作用。以A3b、B3、C3 試樣為參照，分析了固化28 d后增設10 d和20 d海水腐蝕環境的情況。

不同固化劑試件受海水腐蝕后，都有強度降低、應變增大的現象。當腐蝕時間增加時，固化疏浚泥試件強度降低、應變增大，以A3b 為例，抗壓強度與海水腐蝕時間的關系如圖5 所示，在海水腐蝕的20 d 內，固化疏浚泥抗壓強度下降了8.51%，前10 d 的強度損失達到6.38%，因此，約75%的強度損失于前10 d，說明固化疏浚泥試塊在海水腐蝕后前期強度損失明顯。

圖5 不同腐蝕周期的疏浚泥抗壓強度曲線Fig.5 Curve for dredged mud with different corrosion time

本文還對三組腐蝕和未腐蝕試塊10 d的強度進行對比，結果如圖6 所示。使用PM 固化劑、自配固化劑和水泥固化劑的試塊強度分別下降了6.38%、6.96%和7.32%。可以看出，三組試塊腐蝕10 d 后強度下降幅度基本相同，說明固化劑的類型對抗腐蝕能力的影響不大。

圖6 不同固化劑的腐蝕影響Fig.6 Effect of corrosion time with different curing agent

實際上，在海洋環境中存在大量的鎂鹽（MgCl2和MgSO4），含量僅次于化學性質相對穩定的鈉鹽（NaCl），一般可占海水總含鹽量的15%左右。存在的鎂鹽與硬化的土、石材料產生陽離子交換，而新生成的物質并不具有承擔顆粒間作用力的骨架作用，導致整體強度降低，反應式如下［17］。

反應所生成的Mg（OH）2和SiO2·H2O 均無凝膠特性，導致試樣軟化，原有的骨料成分Ca2+一部分形成可溶性CaCl2被帶走，產生更多孔隙。上述三種固化劑中，PM固化劑通過加強土體原有骨料間粘結而發揮作用，當試樣被腐蝕后導致骨料強度降低，固化效果減弱。特別是在海水腐蝕初期，試樣的骨架被大量腐蝕，固化效果急劇降低。水泥固化劑和自配固化劑中所含成分也會與海水中的成分發生反應而失去固化效果，其中以水泥固化劑的反應最甚，故海洋環境中，水泥固化劑的固化效果減弱最多。

2 基于圖像識別技術的場效應分析

2.1 攝影測量技術與實現方法

數字攝影測量方法（DPDM）是近年來日趨成熟的非接觸測試技術。通過對采集到的數字圖像進行分析，可觀測目標的變形和識別目標特征。

本文進行固化疏浚泥受壓試驗同時，為進行圖像識別與分析，對試件進行連續拍照，產生一系列圖像。采用PhotoInfor對圖像進行分析處理，該軟件具有網格分析與散點分析功能，可用于應變場等全域變形場及測點分析，廣泛適用于砂土、鋼筋混凝土、巖石、粘黏土與金屬等材料變形特性實驗研究。通過導入外部測點網格，可以處理有復雜邊界的物理實驗模型。圖像的質量關系著測量結果的精度，在圖像采集過程中需要注意：①試驗過程中保證光照條件不變，需要在其兩側打光，消除陰影干擾；②攝影過程中，相機相對位置固定，采用遙控器拍攝以減小設備晃動；③采用多色水筆在試件觀測面進行標記，增強其表面紋理特征。試驗圖像的主要分析參數見表3。

表3 固化疏浚泥表面圖像主要分析參數Table 3 Parameters for photo analysis in dredged mud test

2.2 單軸壓縮試驗的場效應分析

以A3試件為例，試件破壞的四個階段如前文所述，結合攝影測量表面各點的位移變化，進行位移場分析，其位移云圖見圖7。分析可知，試驗各階段對應的位移狀態為：

理想工作狀態（圖7（a））：加載初始，無位移產生，試件無變形。

裂紋出現狀態（圖7（b））：隨荷載增加，試件表面產生位移，位移量為自上而下遞減，最大位移出現在試件邊緣，明顯有裂縫產生。

裂縫擴展狀態（圖7（c））：位移量隨荷載增加繼續增大，仍呈現自上而下遞減的分布趨勢，但大位移已擴展到試件約一半的區域。

完全破壞狀態（圖7（d））：表面位移繼續增大并向下擴展，直至大位移區域遍布整個表面，隨著荷載增加，表面位移量同步增大，達到破壞水平。

圖7 固化疏浚泥A3試件單軸受壓位移云圖Fig.7 Displacement cloud photo of uniaxial compression test on A3 sample

在試驗過程中，產生的剪應力也會造成材料破壞。實際上，最大剪應變即為材料破壞時的變形，最大剪應變場直接反映了試件的破裂情況，同樣以A3 為例，其最大剪應變云圖如圖8 所示。分析可知，其各階段特點如下：

理想工作狀態（圖8（a））：試件處于彈性變形階段，無最大剪應變產生。

裂紋出現狀態（圖8（b））：試件邊緣產生最大剪應力，此階段的網格也在邊緣角點出發生了錯位扭結，而產生最大剪應變的部分也是損傷變形的部分，說明此區域為裂縫的發跡處。

裂縫擴展狀態（圖8（c））：荷載繼續增加，逐漸逼近峰值應力，此階段最大剪應力分布迅速擴展至試件表面一半的區域，且應變量不斷增加，網格也在相應區域產生變形。

完全破壞狀態（圖8（d））：最大剪應變區域已經包圍中下部區域，試件已進入破壞狀態。

圖8 固化疏浚泥A3試件最大剪應變云圖Fig.8 Maximum shear strain cloud photos of uniaxial compression test on A3 sample

2.3 海水腐蝕過程的場效應分析初探

為探究海水腐蝕對固化疏浚泥抗壓性能的影響，本文以腐蝕20 d的試件（A3H2）為例進行初步分析。此處主要對比受壓過程各種場效應的變化，僅對裂紋出現狀態和裂縫擴展狀態進行分析。

經海水腐蝕后，試件的強度都有所降低。腐蝕20 天后，對應的四個受壓階段強度分別為0～0.90 MPa、0.90～1.16 MPa、1.16～1.29 MPa 和1.29 MPa 以上。圖9 為試驗的位移場和最大剪應變場。從圖9（a）—（d）可以看出，海水腐蝕后試件的位移變化規律與A3相似，呈現位移量自上而下遞減的規律，位移矢量也是先沿加載方向指向下，再隨裂縫的開展而偏斜。但經海水腐蝕的A3H2試件內部的膠結骨架被破壞，試件失去整體性、強度降低，在同階段下的位移量明顯高于未腐蝕的A3，且變形增大、分布散亂。

圖9 海水腐蝕試件單軸受壓位移云圖Fig.9 Displacement and maximum shear strain cloud photos of uniaxial compression test

3 結論

本文通過物理試驗和理論分析的手段，對不同固化劑在低摻量條件下的疏浚泥固化力學性能開展了研究，得到如下主要結論：

（1）固化疏浚泥單軸受壓應力-應變曲線分為理想工作狀態、裂紋出現狀態、裂縫擴展狀態及完全破壞狀態；

（2）隨著固化劑摻量的增加，試件的強度也明顯增加，疏浚泥固化試塊的強度主要在早期形成，齡期越長試件的強度越高，在海水環境下，腐蝕前期強度下降明顯，后期變形明顯；

（3）選用的三種固化劑其作用機理不同，在同樣摻量條件下，PM 固化劑的效果最好，但成本最高，實際應用中，在滿足強度要求的情況下，可考慮自配固化劑以降低成本；

（4）運用DPDM技術可對試件在試驗過程中的場效應進行分析，通過分析其位移場和最大剪應力場等，可以得到試件的破壞趨勢和最終破壞形式。