復(fù)合膠凝材料固化高含水量疏浚軟土的試驗研究

【摘" " 要】：為研究高含水率疏浚軟土經(jīng)過流動固化處理后的工程力學(xué)特性，制備了一系列試樣，開展無側(cè)限抗壓強度試驗，分析了養(yǎng)護齡期、固化材料摻量、浸水時間對疏浚軟土力學(xué)性狀的影響。結(jié)果表明，固化材料摻量和養(yǎng)護齡期的變化對試樣的無側(cè)限抗壓強度有較為顯著的影響，而浸水時間對試樣無側(cè)限抗壓強度影響較小。隨著固化材料摻量和養(yǎng)護齡期的增加，土體強度增強，試樣破壞應(yīng)變降低，割線模量提高，試樣趨向發(fā)生脆性剪切破壞。

【關(guān)鍵詞】：高含水量；疏浚軟土；復(fù)合膠凝材料

【中圖分類號】：TU447 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）01-43-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.01.011

Experimental Study on Solidification of Dredged Soft Soil with High Water

Content Using Composite Cementitious Materials

JING Ziyang1， YUAN Jinxing 2， LI Zuhui 2， LU Jinghui 2

（1. School of Civil Engineering ，Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215009，China；2. Suzhou Zhongzheng

Engineering Inspection，Suzhou 215129，China ）

【Abstract】：The curing treatment of dredged soft soil is of great significance to the development of ecological balance. In order to study the engineering mechanical properties of dredged soft soil with high water content after flow curing treatment， a series of specimens were prepared to carry out the unconfined compressive strength test， and the effects of curing age， curing material dosage， and soaking time on the mechanical properties of dredged soft soil were analyzed. The results show that the changes of curing material dosing and maintenance age have a more significant effect on the change of the unconfined compressive strength of the specimens， while the soaking time has a smaller effect on the unconfined compressive strength of the specimens. With the increase of curing material doping and maintenance age， the strength of the soil body is enhanced， the destructive strain of the specimen is reduced， the cut line modulus is increased， and the specimen tends to undergo brittle shear damage.

【Key words】： high water content; dredged soft soil; stress-strain relationship; curing age; unconfined compressive strength

工程建設(shè)過程中會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥，如何合理處置這些淤泥成為工程建設(shè)的熱點話題。郭印[1]分析了腐殖酸對水泥土固化過程的影響機理，通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬驗證了可行性；張春雷[2]從提取淤泥中水分來實現(xiàn)淤泥固化的角度出發(fā)，進行了水分轉(zhuǎn)化分析研究，總結(jié)歸納了淤泥力學(xué)特性與水分之間的變化規(guī)律；何俊等[3]采用堿渣作為主要固化劑，結(jié)合礦渣與電石渣，制備了受不同影響因素作用的疏浚軟土試樣，通過開展動三軸試驗，研究并確定了固化疏浚軟土的最佳配比；徐遠杰等[4]為研究不同固化劑摻量和不同含水率條件下對疏浚軟土的固化效果影響，開展了無側(cè)限抗壓強度試驗，研究發(fā)現(xiàn)含水率低于90％時，5％～8％的CLF摻量為最優(yōu)方案；王鋅鑫等[5]提出通過低碳聚合物用于固化疏浚水泥，通過土力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)10％礦粉摻量的低碳聚合物具有更加明顯的強度增強表現(xiàn)；劉飛禹等[6]針對電滲法處理疏浚淤泥存在土體開裂的問題，提出通過纖維加筋的方式提高電滲法處理效果，發(fā)現(xiàn)纖維長度為9 mm、摻入比為0.3%的試驗組為最優(yōu)處理方案；孫宏磊等[7]基于真空預(yù)壓法，對不同含水率條件下疏浚淤泥的壓縮性和滲透性進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)含水率越高的淤泥，其孔隙水壓力消散速度越慢，這一發(fā)現(xiàn)為實際工程實踐提供了重要的參考依據(jù)；LIU Jingjin等[8]以廈門疏浚軟土地基為背景，系統(tǒng)研究了真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法和空氣增壓真空預(yù)壓法固化疏浚軟土的效果，研究表明兩種方法加固效果基本一致，但空氣增壓真空預(yù)壓法更具有經(jīng)濟性；SHI Jian等[9]探究了水泥和鋼渣的比例對固化疏浚軟土的效果分析，結(jié)果表明用鋼渣代替40%的水泥能夠?qū)崿F(xiàn)強度特性的顯著提升。

本文通過一系列相關(guān)試驗，驗證加入水泥、廢石膏和礦粉這種復(fù)合膠凝材料固化疏浚軟土的有效性和可行性。試樣用土取用蘇州地區(qū)河道疏浚飽和淤泥土，該地區(qū)處于長江三角洲中部，地區(qū)水系發(fā)達，河道縱橫，湖泊星羅棋布，存在較多沉積軟土。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土選自蘇州市某地區(qū)疏浚淤泥，土體中主要包含土顆粒、植物根系、可分解有機物、腐殖質(zhì)等。通過室內(nèi)試驗得到試驗用土的物理性質(zhì)指標和顆粒級配曲線。見表1和圖1。

水泥是工程建筑中被廣泛使用的一種固化材料，具有良好的水硬性；同時也是制作固化劑的必要成分。本試驗所用水泥的基本性質(zhì)和化學(xué)組成見表2。

除水泥外，還需要礦粉和廢石膏作為固化劑。礦粉是用水淬高爐礦渣，經(jīng)干燥，粉磨等工藝處理后得到的高細度，高活性粉料，是優(yōu)質(zhì)的混凝土摻合料和水泥混合材料，是當(dāng)今世界公認的配制高性能混凝土的重要材料。廢石膏是單斜晶系礦物，在工程應(yīng)用中具有良好的性能表現(xiàn)。見表3和表4。

1.2 試驗方案

試驗設(shè)計了3種配比方案。添加10%的固定水泥摻量，并分別添加等量（質(zhì)量分數(shù)為5.0%、7.5%、10.0%）的廢石膏和礦粉進行制樣。無側(cè)限抗壓強度試驗的試樣分為3、7、14、28 d4個養(yǎng)護齡期，水穩(wěn)試驗試樣的養(yǎng)護齡期設(shè)計為28 d。見表5和表6。

1.3 試樣制備

將淤泥土和固化材料按照試驗方案進行配比，再按照最佳含水率添加至淤泥土和固化材料的混合物中。置于小型攪拌機中進行充分攪拌后在模具中分3層振搗壓實后制作成高78 mm、直徑39 mm的標準試樣，同一配比做2個平行試樣，制作完成后放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護處理，養(yǎng)護濕度＞90%，溫度為18～22 ℃。試樣在養(yǎng)護24 h后脫去模具并繼續(xù)養(yǎng)護。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

將達到養(yǎng)護齡期的試樣從標準養(yǎng)護室取出置于臨時托盤，確保試樣完好無損后放在無側(cè)限壓力儀中進行試驗。見圖2。

從圖2可以看出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型，可大致分為3個階段。

1）初始加載階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線大致呈現(xiàn)一條直線且彈性模量逐漸增大。

2）第二階段隨著不斷加壓，應(yīng)力不斷增長直至峰值強度，試樣開始出現(xiàn)裂縫且固化材料摻量越高的試樣其峰值強度越高。當(dāng)廢石膏和礦粉摻量為10.0%時，3 d養(yǎng)護齡期條件下試樣最大強度達248.81 kPa，7 d最大強度1 811.27 kPa，14 d最大強度2 378.18 kPa，28 d最大強度3 669.89 kPa。

3）第三階段應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈下降趨勢，試樣裂縫不斷擴大，下降幅度和下降速率受固化材料摻量的影響。

2.2 固化材料摻量對固化淤泥土強度的影響

表7為3 d養(yǎng)護齡期不同固化材料摻量試樣的最大強度。

相較于5.0%廢石膏和礦粉摻量的試樣，7.5%和10.0%的廢石膏和礦粉摻量試樣最大強度分別提高了41.63%和94.23%，表明廢石膏和礦粉摻量的增加對提高土體無側(cè)限抗壓強度具有積極意義。

通過破壞應(yīng)變參數(shù)可對固化土試樣力學(xué)性能進行分析。基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線對試樣的破壞應(yīng)變進行總結(jié)歸納，破壞應(yīng)變?nèi)?個平行試樣試驗數(shù)據(jù)的平均值。見表8。

相較于5.0%廢石膏和礦粉摻量，7.5%和10.0%廢石膏和礦粉摻量的破壞應(yīng)變分別降低了30.79%和44.13%。表明在相同養(yǎng)護齡期下，隨著廢石膏和礦粉摻量的增加，試樣的破壞應(yīng)變減小，土體強度變大，試樣的脆性變大。

2.3 養(yǎng)護齡期對固化淤泥土強度的影響

隨著養(yǎng)護齡期的增，試樣的無側(cè)限抗壓強度顯著增大。這是因為隨著時間的流逝，添加的固化材料水化反應(yīng)更充分，土顆粒之間的空隙被水化產(chǎn)物填補，水化產(chǎn)物能夠提高土顆粒之間的膠結(jié)力。見圖3。

隨著固化材料摻量的增加，試樣的強度增長幅度增大。當(dāng)廢石膏和礦粉摻量為10.0%時，養(yǎng)護期齡為14 d的無側(cè)限抗壓強度相較于養(yǎng)護期齡為7 d的無側(cè)限抗壓強度增長30.37%；當(dāng)廢石膏和礦粉摻量為5.0%時，養(yǎng)護期齡為14 d的無側(cè)限抗壓強度相較于養(yǎng)護期齡為7 d的無側(cè)限抗壓強度增長21.55%。

2.4 割線模量分析

割線模量E50可以反應(yīng)材料抵抗變形的能力。為探究不同養(yǎng)護齡期和不同固化材料摻量影響下的材料力學(xué)特征變化，對割線模量進行匯總分析，割線模量取2個平行試樣的平均值。

[E50=0.5σmax/ε1/2] （1）

式中：[σmax]為試樣峰值應(yīng)力；[ε12]為試樣一半峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變。

表9為3 d養(yǎng)護齡期條件下的平均割線模量。在相同養(yǎng)護齡期下，隨著固化材料摻量的增加，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸充實，土體抵抗變形能力得到有效增強，試樣平均割線模量逐步增長。

2.5 浸水時間對固化疏浚淤泥土強度的影響

鑒于天氣的不可預(yù)測性，進行一系列連續(xù)浸水試驗來模擬固化土長時間在水中浸泡后的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。

每組選取2個平行試樣進行試驗，無側(cè)限抗壓強度選取平均值。首先將試樣置于臨時托盤，之后在干凈的塑料罐中加入適量的水，確保試樣完全浸泡在水中后用塑料膜進行密封。浸水時間從試樣放入水中后計時，進行3、7 d的浸水試驗。達到浸水時間后將水排出，發(fā)現(xiàn)3 d浸水時間與7 d浸水時間的試樣表面潮濕，其他與初始放入水中時狀態(tài)并無明顯差異。

7 d浸水時間的試樣的無側(cè)限抗壓強度要略低于3 d浸水時間的試樣。這是因為隨著浸水時間的增長，越來越多的水分子作用于土顆粒之間從而弱化了土顆粒之間的膠結(jié)力，但由于試樣固化后本身具有一定強度，并且固化材料與水發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物不溶于水，對土體試樣起到了有效的防水作用，因此浸水時間對試樣的強度幾乎沒有影響。當(dāng)固化材料摻量為5.0%時，試樣未浸水與浸水7 d后的無側(cè)限抗壓強度也僅僅降低了2.97%。見圖4。

2.6 破壞形態(tài)分析

基于以上無側(cè)限抗壓強度試驗，發(fā)現(xiàn)試樣的破壞形態(tài)有脆性剪切破壞和脆性張裂破壞。隨著固化材料摻量的增加，試樣的強度會有明顯增大，其破壞形式為脆性剪切破壞。

廢石膏和礦粉摻量為10.0%、養(yǎng)護齡期28 d的試樣是從中間沿垂直方向大概45°方向發(fā)生開裂現(xiàn)象，并且兩個破壞部分完全分離。由于固化材料摻量較大，土顆粒之間緊密排列，土體強度得到大幅度提升。在進行無側(cè)限抗壓強度試驗時，會隨著爆裂聲發(fā)生突然破壞，測量表同時發(fā)生迅速下降的現(xiàn)象。見圖5。

圖6為廢石膏和礦粉摻量為5.0%、養(yǎng)護齡期為28 d的試樣破壞形態(tài)。由于固化材料摻量較低，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為松散，土體強度較低，易發(fā)生脆性張裂破壞。在進行無側(cè)限抗壓強度試驗時，測量表下降相對較慢，并且隨著不斷加壓，試樣從中間豎直破壞。

3 結(jié)論

1）固化土試樣的無側(cè)限抗壓強度隨著固化材料摻量和養(yǎng)護齡期的增加而增大。養(yǎng)護齡期3 d，10.0%固化材料摻量的試樣相較于5.0%和7.5%摻量的試樣無側(cè)限抗壓強度分別提升了94.23%和41.63%。10%固化材料摻量條件下，14 d養(yǎng)護齡期試樣相較于7 d養(yǎng)護齡期的無側(cè)限抗壓強度提升了30.37%。

2）固化材料摻量、養(yǎng)護齡期和浸水時間3個因素中，固化材料摻量和養(yǎng)護齡期因素對試樣無側(cè)限抗壓強度影響顯著，而浸水時間對試樣的無側(cè)限抗壓強度幾乎沒有影響。

3）在相同養(yǎng)護齡期條件下，隨著廢石膏和礦粉摻量的增加，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值強度和割線模量逐漸增大，破壞應(yīng)變降低，試樣破壞類型趨向于脆性剪切破壞。

參考文獻：

[1]郭" 印.淤泥質(zhì)土的固化及力學(xué)特性的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[2]張春雷.基于水分轉(zhuǎn)化模型的淤泥固化機理研究[D].南京：河海大學(xué)，2007.

[3]何" 俊，張" " 馳，管家賢，等.堿渣固化疏浚淤泥的動變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2023，42（S1）：3712-3721.

[4]徐遠杰，田" " 充，史燕南，等.疏浚淤泥固化強度特性研究及效果評價[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2022，34（4）：52-56.

[5]王鋅鑫，江朝華，孫逸琳，等.低碳地聚合物固化處理疏浚淤泥力學(xué)性能試驗研究[J].水運工程，2022，（8）：40-44 .

[6]劉飛禹，湯家郗，袁國輝，等.纖維加筋優(yōu)化電滲法處理疏浚淤泥的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2021，40（12）：2545-2552.

[7]孫宏磊，陸" " 逸，潘曉東，等.真空預(yù)壓作用下初始含水率對疏浚淤泥固結(jié)影響研究[J].巖土力學(xué)，2021，42（11）：3029-3040.

[8]LIU Jingjin ，LI Jiankai，LEI Huayang ，et al.Ground improvement of dredged fills with two improved vacuum preloading methods： case study[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engin eering，2022，148（12）.

[9]SHI Jian ，WANG Shengnian ，CAO Wenzhe ， et al.Mechanical properties and strengthening mechanism of dredged silty clay stabilized by cement and steel slag[J].Materials，2022，15（11）：3823.

收稿日期：2024-01-10

基金項目：2022年江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研合作項目〔蘇科區(qū)發(fā)（2022）291號〕；2021年蘇州市建設(shè)科研項目〔蘇建函科（2021）295號〕；2021年蘇州市建設(shè)科研項目〔蘇建函科（2021）295號〕

作者簡介：荊子陽（1999 - ）， 男， 碩士研究生在讀， 研究方向為環(huán)境巖土理論及應(yīng)用。