凍融循環對伊通河固化淤泥力學性質的影響分析

豐小華

(中鐵十七局集團第三工程有限公司 河北石家莊 050000)

1 引言

隨著我國河道治理工程的不斷開展，隨之而來愈來愈多的淤泥需要處理，將淤泥進行資源化利用既保護了環境也節約了資源，將淤泥固化從而轉化為土方資源，是淤泥眾多處理中最為重要的一種。由于自然因素(極端氣溫、長期降雨等)導致的固化土力學性質改變的問題，如何將其穩定化、無害化處理后進行資源化利用的問題，這些是亟需解決的。

凍融循環對固化土力學性質影響的問題作為當前研究熱點，眾多學者僅此開展了一系列的研究，并取得了一定的成果。王海濤等[1]通過單軸動態抗壓性能試驗分析了凍融循環條件下固化土特性變化規律；研究凍融循環次數與固化土質量損失為二次曲線。宋玉普等[2]通過雙軸壓的試驗分析了凍融循環作用下混凝土特性；研究表明，在不同加載比例下，固化土受力變形特性變化明顯。王天亮等[3]以水泥及石灰改良土為例，對其開展靜力試驗，研究了凍融條件對改良土靜力特性的影響。研究表明，水泥土主要為脆性破壞，石灰土主要為塑性破壞，凍融次數增加會導致改良土粘聚力減小。鄭鄖等[4]試驗分析了凍融循環對土結構性影響。研究發現凍融循環對土影響主要原因是水分遷移、水分相變和冰晶生長對孔隙存在反作用力。楊成松等[5]通過試驗分析了土體含水量和干容重在凍融條件下的變化規律；研究發現土體在凍融條件下的含水率變大。Tebaldi等[6]研究了凍融循環對石灰穩定土力學性能的影響。研究表明，凍融循環能改善石灰穩定土的力學性能。Jamshidi等[7]對不同含水率的固化土開展凍融試驗；研究表明，凍融條件下，固化土含水率的增加會降低其抗壓強度。Wang等[8]以石膏廢料固化軟黏土為研究對象，開展了凍融循環試驗；試驗結果顯示試樣在5次凍融循環后，其抗壓強度逐漸趨于穩定。方秋陽等[9]以固化鹽漬土為研究對象，分析了凍融循環對其力學性質的影響。胡田飛等[10]、許雷等[11]、王澍[12]同樣通過凍融循環試驗分析了凍融循環對固化土力學性質的影響。

本文以伊通河淤泥為研究對象，選擇生石灰和粉煤灰來固化淤泥，通過試驗分析了低溫和凍融循環條件下粉煤灰與生石灰摻量及配比對淤泥固化后力學特性影響。

2 工程概況

伊通河發源于伊通滿族自治縣河源鎮青頂山北麓，河道全長342.5 km，在長春境內有232 km，是長春的母親河，對長春市的建設和發展起著重要的作用。長春市的快速發展使得伊通河成為排放生活污水、工業廢水和降雨的重要途徑。本文依托伊通河北北段生態綜合治理項目，項目南起四化閘，北至萬寶攔河閘，河道長度約13 km。由于河道內流速緩慢，污染匯入量大，河道內囤積了大量不同污染程度的淤泥，直接污染河道內河水，污染狀況的惡化，大量堆積的厭氧污泥淤積，水體惡臭，生態環境的惡化極大地影響了周邊的環境，嚴重影響了周邊居民的身體健康，給社會經濟、環境的可持續發展帶來嚴峻挑戰。

3 試驗

3.1 試驗材料

試驗所用淤泥于2019年12月取自長春市伊通河北北段，自制的取樣工具為直徑0.15 m、高度1.5 m的圓筒結構，取樣器如圖1所示。

圖1 淤泥取樣器

現場取樣時，借助挖掘機協同取樣器將淤泥試樣取出，取樣器中泥柱長度約0.8 m，將其分上下兩層處理，其中上層泥柱約0.3 m，下層泥柱約0.5 m，并做好標記分開存放。取樣結束后將淤泥試樣運至試驗室，將淤泥試樣用保鮮膜密封存放在室內陰涼處，防止其水分蒸發，淤泥取樣如圖2所示。

圖2 淤泥試樣

在對伊通河淤泥進行試驗研究前，首先應該明確淤泥的基本性質指標，參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)，對伊通河淤泥進行了含水率、密度、液限、塑限和pH等試驗，測試得到淤泥基本性質指標如表1所示。現場清除的淤泥含水率較高，在進行固化處理前，首先對其物理脫水，將淤泥運至附近的翻曬場，待其含水率降至40%左右后進行固化處理。

表1 淤泥的基本性質指標

經過長時間的室內存放，淤泥試樣含水率降低，在進行淤泥固化試驗前，需要對淤泥進行處理，將現有淤泥試樣充分混合，挑出淤泥中塑料、石子等雜質，并攪拌均勻，測定其含水率，然后按設計的初始含水率加水攪拌均勻密封備用。

本試驗中使用的粉煤灰是由吉林某電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，滿足I級粉煤灰品質所需的成分含量，其具體成分見表2。

表2 粉煤灰主要技術性能

本試驗中使用的是工業生石灰，其中MgO與CaO的總質量分數不低于80%。

3.2 試驗方案

3.2.1 低溫淤泥剪切試驗

試驗進行設置6個溫度梯度(-3、-6、-9、-12、-15、-18℃)，進行3組平行試驗。每組試驗設置4 個垂直壓力(100、200、300、400 kPa)，試樣總數為144個，試樣分批制作，為嚴格控制凍結時間，減小試驗誤差，每個溫度需要試樣24個。

將溫度傳感器插入制備好的試樣中，通過溫度傳感器實時對凍結過程中淤泥試樣內部溫度進行監控，待凍結12 h后取出試樣，立即施加100、200、300、400 kPa的豎向應力快速剪切。

3.2.2 固化淤泥抗凍試驗

分別按照10%、15%、20%比例，將生石灰和粉煤灰摻入淤泥中(含水率30%)，在每一比例下，生石灰和粉煤灰的比例分別為5∶5和3∶7，制備50 mm×50 mm固化淤泥試樣6組共72個試樣，在標準養護環境下，養護14 d后，再進行凍融循環試驗。凍融循環試驗參考美國材料實驗協會ASTM D560/D560M-15進行，單次凍融循環持續48 h，在-20℃和20℃條件下進行24 h的養護。隨后開展不同次數的凍融循環(0、2、4、6、8 次)，試樣每凍 2 次和融2次后先通過核磁共振檢測其孔徑分布和孔隙率，然后測試其無側限抗壓強度。

3.3 試驗步驟

(1)試驗開始前，取出標準養護28 d的試樣，并進行編號處理，然后用保鮮膜包裹放在封閉的塑料盒內，以避免水分蒸發。同時取出一組對照試樣，測試其無側限抗壓強度和孔徑分布，作為試驗的基準值，其余試樣繼續進行標準養護。

(2)凍結試驗箱預先設置為-20℃，待其溫度穩定后將試驗組試樣放入凍結試驗箱中，凍結24 h后取出，放入20℃標準養護室內融化24 h，為一次凍融循環。

(3)在進行2次凍融循環后，取出一組試驗組試樣和一組標準養護的對照組試樣，觀察試驗組固化淤泥試樣的外觀變化，拍照記錄，然后測試其無側限抗壓強度和孔徑分布，試驗組與對照組進行對比分析。第4次、6次、8次、10次凍融循環后的試驗過程同上。

4 試驗結果分析

4.1 低溫淤泥剪切試驗結果與分析

從現場采樣的淤泥制成50 mm×50 mm試樣，試樣放入冰箱進行干凍，在設定溫度下凍結12 h后，通過低場核磁共振(NMR)檢測設備，檢測試樣的孔隙率。孔隙率隨溫度變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著溫度的降低，淤泥的孔隙率迅速降低，當溫度降低到-15℃后，孔隙率基本保持不變。這表明，降溫初期淤泥孔隙中大量的自由水結成冰，使得核磁檢測到的水含量降低，隨著溫度的進一步降低，淤泥孔隙中的游離水進一步因結冰而減少，孔隙率下降的幅度逐漸減小，而處于平穩狀態。

圖3 孔隙率隨溫度變化曲線

圖4為淤泥粘聚力隨溫度變化曲線圖。由圖可知，隨著溫度的降低，淤泥的粘聚力逐漸減小，當溫度降低到-15℃后，淤泥的粘聚力開始快速增加，說明在低溫的影響下，淤泥內部完全凍結，因此其粘聚力增加。若在冬季進行河道清淤作業，當溫度降低到-15℃后，由于淤泥凍結導致的粘聚力提高，會降低挖掘機的工作效率，因此在寒區冬季采用干式清淤方式清理河道淤泥，溫度選擇在-6～15℃之間為宜，這期間淤泥中的水90%以上凍結成冰，淤泥的抗剪性能還沒有因凍結而顯著增加，有力于清淤工作的開展。

圖4 淤泥粘聚力隨溫度變化曲線

4.2 淤泥固化凍融試驗結果與分析

4.2.1 無側限抗壓強度

試樣在標準養護室養護14 d，經不同次數凍融循環后，對試樣進行無側限抗壓強度試驗，結果如圖5所示。由圖可知:不同二灰摻量和生石灰與粉煤灰配比條件下，固化淤泥試樣無側限抗壓強度隨凍融循環次數增加呈現逐漸降低的趨勢。試驗過程中，試樣在凍脹融縮以及水-冰轉換作用下，土顆粒間的膠結作用和膠合作用被破壞，進而弱化或破壞內部骨架顆粒間的化學和物理連接，即降低了試樣抗壓強度。當固化淤泥的二灰摻量為15%，且生石灰與粉煤灰配比為3∶7、5∶5時，試樣在0次凍融循環時抗壓強度分別為163.8、217.9 kPa，而8次凍融循環后試樣抗壓強度分別降低23.87%和20.3%，即各降至124.7、173.6 kPa。對于生石灰與粉煤灰配比為3∶7試樣，二灰摻量10%、15%、20%試驗，未經過凍融循環試樣的抗壓強度分別為98.5、163.7、233.7 kPa。當凍融循環次數為8次時，試樣對應的抗壓強度分別下降至70.5、124.6、198.5 kPa，對應強度損失率達到28.39%、23.87%、15.6%。以上分析表明:提高二灰摻量和生石灰與粉煤灰配比，可增強固化淤泥試樣抵抗凍融循環破壞的性能。

圖5 固化淤泥無側限抗壓強度與凍融次數關系

4.2.2 凍融循環作用下固化淤泥孔隙變化

圖6和圖7分別是二灰摻量15%的固化淤泥凍融0次和8次后的孔徑分布。由圖6、圖7可知，試樣的孔隙半徑集中分布在0.01～0.02 μm之間，占總孔隙比例均超過63%。凍融0次時0.04～0.08 μm之間的孔徑占總孔隙比例為23%，凍融8次后，這一比例提高到25.5%；0.2～0.4 μm之間占總孔隙比例均在5%以上。說明試樣經過8次凍融循環后，淤泥試樣的孔徑有變大的趨勢，特別是3～6 μm之間的孔徑占總孔隙比例提高了1.54%，這也是導致試樣凍融后受壓強度降低的主要原因。其他摻量的試樣檢測數據分析也有類似的規律。

圖6 固化淤泥凍融0次后的孔徑分布

圖7 固化淤泥凍融8次后的孔徑分布

5 結論

本文以伊通河淤泥為研究對象，選擇生石灰和粉煤灰來固化淤泥，通過試驗分析了低溫和凍融循環條件下粉煤灰與生石灰摻量及配比對淤泥固化后力學特性影響。主要獲得以下結論:

(1)隨著溫度的降低，淤泥的孔隙率迅速降低，粘聚力逐漸減小，當溫度降低到-15℃后，孔隙率基本保持不變，粘聚力開始快速增加。

(2)不同二灰摻量和生石灰與粉煤灰配比條件下，固化淤泥試樣無側限抗壓強度隨凍融循環次數增加呈現逐漸降低的趨勢。

(3)對于生石灰與粉煤灰配比為3∶7試樣，二灰摻量10%、15%、20%試驗，未經過凍融循環試樣的抗壓強度分別為98.5、163.7、233.7 kPa。當凍融循環次數為8次時，對應強度損失率達到28.39%、23.87%、15.6%。可見，提高二灰摻量和生石灰與粉煤灰配比，可增強固化淤泥試樣抵抗凍融循環破壞的性能。