有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度的影響

鄭 少 輝

(福建省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，福建 福州 350028)

有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度的影響

鄭 少 輝

(福建省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，福建 福州 350028)

通過(guò)制作水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥和非有機(jī)質(zhì)淤泥試樣，在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的恒溫水箱中養(yǎng)護(hù)至不同齡期后，開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，研究了有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度的影響，并對(duì)其內(nèi)在影響機(jī)理進(jìn)行了分析。

水泥固化淤泥,有機(jī)質(zhì),養(yǎng)護(hù)溫度,內(nèi)在機(jī)理

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外港口建設(shè)、湖泊清淤等工程的發(fā)展，采用水泥固化淤泥技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[1]。土中有機(jī)質(zhì)的存在會(huì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度造成很大的影響。目前，已有大量學(xué)者研究了有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度發(fā)展的影響。劉叔灼等[2]通過(guò)調(diào)配不同有機(jī)質(zhì)含量的兩種淤泥土樣，開(kāi)展大量的室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥土強(qiáng)度隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而降低，并提出了“有機(jī)質(zhì)軟化含量”概念。焦志斌等[3]對(duì)水泥加固有機(jī)質(zhì)含量較高的淤泥質(zhì)酸性土進(jìn)行研究，得出結(jié)論：水泥固化淤泥質(zhì)酸性土的前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，晚期強(qiáng)度增加則緩慢，一般選取28 d強(qiáng)度作為水泥固化黑土的設(shè)計(jì)值。然而，上述研究并未從有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行分析。

本文通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的強(qiáng)度發(fā)展指標(biāo)，引入既有文獻(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步說(shuō)明有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度發(fā)展的影響，初步分析了有機(jī)質(zhì)對(duì)其強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)理。

1 材料物理參數(shù)及室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)所用土樣取自武漢某湖泊沉積淤泥質(zhì)黏土，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。將有機(jī)質(zhì)通過(guò)550 ℃燒失量法燒去后，得到不含有機(jī)質(zhì)的淤泥土。對(duì)比兩者可發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)對(duì)黏土的基本物理性質(zhì)有顯著影響，當(dāng)黏土中存在較高含量的有機(jī)質(zhì)，土的液限、塑限均會(huì)大幅增加。

表1 黏土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

將上述兩種土樣按一定配合比(水泥劑量Aw為25%，含水率

W為200%)制作成水泥固化土試樣，每組制作3個(gè)試樣，共36組試樣，制作過(guò)程如下，其中水泥采用標(biāo)號(hào)為425的普通硅酸鹽水泥：將淤泥—水—水泥按照一定的配合比混合，并放入攪拌機(jī)攪拌均勻后，分層裝入圓柱形PVC試模(尺寸為內(nèi)徑50 mm×高100 mm)，震蕩均勻；待試樣成型后，將試樣裝入密封袋中，并分別放入溫度為20 ℃，40 ℃和60 ℃的恒溫水槽中養(yǎng)護(hù)；養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(2 d，3 d，7 d，14 d，28 d和56 d)后，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。試樣破壞為剪切破壞。取1組3個(gè)試樣的平均值作為該工況下的強(qiáng)度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水泥固化非有機(jī)質(zhì)土的強(qiáng)度發(fā)展

圖1為水泥固化非有機(jī)質(zhì)土強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下(20 ℃，40 ℃和60 ℃)的發(fā)展過(guò)程圖。由圖1可知，水泥固化淤泥試樣的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，并且強(qiáng)度增長(zhǎng)速率在試樣的養(yǎng)護(hù)初期比較明顯，隨著齡期的增加其增長(zhǎng)速率逐漸變緩；養(yǎng)護(hù)溫度越高，水泥固化淤泥試樣的強(qiáng)度明顯越高，其56 d強(qiáng)度在60 ℃條件下的強(qiáng)度比20 ℃條件下提高了34.9%。

2.2 水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥的強(qiáng)度發(fā)展

圖2為水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下(20 ℃，40 ℃和60 ℃)的發(fā)展過(guò)程圖。由圖2可知，水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥的早期強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加而減小，以2 d養(yǎng)護(hù)齡期為例，20 ℃，40 ℃和60 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下的水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥強(qiáng)度分別為41 kPa，39 kPa和32 kPa。與圖1中的水泥固化非有機(jī)質(zhì)淤泥對(duì)比，其2 d養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度分別為93 kPa，142 kPa和188 kPa，其前期強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而明顯增加。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，提高養(yǎng)護(hù)溫度會(huì)降低水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥的早期強(qiáng)度。20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度條件下，養(yǎng)護(hù)初期水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，然而到了養(yǎng)護(hù)后期其強(qiáng)度趨于平緩，甚至出現(xiàn)強(qiáng)度減小回降的現(xiàn)象；60 ℃養(yǎng)護(hù)溫度條件下，雖然水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥的初期強(qiáng)度會(huì)比低養(yǎng)護(hù)溫度下的強(qiáng)度小，當(dāng)其養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)某一值(t0)時(shí)，強(qiáng)度會(huì)大幅度增加，呈現(xiàn)一種陡增的現(xiàn)象，14 d強(qiáng)度比7 d強(qiáng)度提高了224%，該現(xiàn)象在40 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下也同樣會(huì)出現(xiàn)，只是增加的幅度比較小，14 d強(qiáng)度比28 d強(qiáng)度提高了60%，且出現(xiàn)變化的齡期t0也比較長(zhǎng)。

對(duì)比圖1和圖2可知，水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥的強(qiáng)度明顯比非有機(jī)質(zhì)土的強(qiáng)度低，土中有機(jī)質(zhì)的存在會(huì)極大程度上抑制水泥固化土強(qiáng)度的發(fā)展。

2.3 更高有機(jī)質(zhì)含量對(duì)水泥固化淤泥的影響

為更好的分析土中有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化黏土強(qiáng)度的影響規(guī)律，引入文獻(xiàn)[4]中水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下強(qiáng)度發(fā)展的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，材料參數(shù)如表2所示。

表2 既有文獻(xiàn)相關(guān)參數(shù)

圖3為文獻(xiàn)[4]中兩種水泥固化有機(jī)質(zhì)黏土試樣在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下強(qiáng)度發(fā)展曲線。由圖3可知，水泥固化有機(jī)質(zhì)黏土的強(qiáng)度發(fā)展沒(méi)有明顯的規(guī)律；整體上說(shuō)，高溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥固化有機(jī)質(zhì)黏土的強(qiáng)度變化趨勢(shì)較低溫養(yǎng)護(hù)的平緩；水泥固化有機(jī)質(zhì)黏土的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而減小，20 ℃養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度比60 ℃的大約提高了1倍～2倍。這表明，土中有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化黏土的強(qiáng)度發(fā)展有顯著影響，使得其強(qiáng)度隨溫度的發(fā)展規(guī)律與水泥固化淤泥的截然不同。

綜上所述，土中有機(jī)質(zhì)的存在對(duì)水泥固化淤泥的強(qiáng)度有顯著影響，其影響規(guī)律對(duì)不同類型的土樣也是各不相同的，但總體上起到了抑制水泥固化土強(qiáng)度增加的作用，且隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，其抑制效果更明顯。

3 有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥影響機(jī)理

土中有機(jī)質(zhì)的成分主要包括富里酸、胡敏酸和胡敏素[5]。其中，富里酸擁有極其復(fù)雜的分子成分，可以溶解于酸性和堿性溶液中，具有多價(jià)酸根，是無(wú)定形膠體物質(zhì)，其與礦物金屬離子結(jié)合形成的一、二、三價(jià)鹽類均能溶于水，且具有還原和絡(luò)合能力，能與多價(jià)陽(yáng)離子形成具有很強(qiáng)吸附性的絡(luò)合物。胡敏酸是可以溶解于堿性溶液而不溶解于酸性溶液的高分子化合物，具有多價(jià)酸根，其與一價(jià)陽(yáng)離子形成的鹽類易溶于水，二價(jià)鹽類難溶于水，三價(jià)鹽類不溶于水。胡敏素既不溶于酸，又不溶于堿，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度的形成和發(fā)展幾乎沒(méi)有影響。

初步分析有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1)富里酸的影響。翟瑩雪[6]假定富里酸可以為二元弱酸H2A，得出的滴定曲線可以很好地用該二元弱酸表征。同樣，在富里酸溶液中加入Ca2+后，各離子或者基團(tuán)發(fā)生以下反應(yīng)：

qCa2++2HqAr?CaqA2r+2qH+

2rA-+qCa2+?CaqA2r

HqAr?qH++rA-

由以上化學(xué)反應(yīng)式可看出，大量的H+被置換出來(lái)，且由于水泥水化產(chǎn)生大量的Ca(OH)2，電離形成的OH-與被置換出來(lái)的H+反應(yīng)，H+濃度降低，上述的可逆反應(yīng)向正反應(yīng)進(jìn)行，土中孔隙水的pH值降低。

另外，富里酸中含有大量的羧基、酚羥基、醇羥基和酮基，這些官能團(tuán)的解離與溶液中的pH值有很大的關(guān)系。一般水泥固化淤泥中孔隙水的pH達(dá)到10～12。在高pH環(huán)境下，富里酸的酸性官能團(tuán)(羧基、酚羥基和醇羥基)上的H+會(huì)逐漸解離，形成酸性基團(tuán)(An-)，與溶液中的Ca2+絡(luò)合形成絡(luò)合物。富里酸在水泥固化淤泥中，pH和Ca2+濃度均較高，大量的Ca2+會(huì)被富吸附形成吸附層，嚴(yán)重阻礙了水化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物C-S-H和C-A-H同樣受富里酸的影響，富里酸的分解作用導(dǎo)致水泥固化淤泥的結(jié)構(gòu)受到破壞，強(qiáng)度降低。

2)胡敏酸的影響。在水泥水化體系中，胡敏酸僅對(duì)鈣離子具有敏感性。楊亞提等[7]通過(guò)滴定試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)胡敏酸(HA)為一種多元酸或混合酸，當(dāng)供試HA(黑壚土)由兩種一元酸組成時(shí)，胡敏酸的解離程度隨pH的增加而大幅度增加。水泥固化淤泥由于水泥的水化反應(yīng)使得溶液呈堿性，在此環(huán)境下胡敏酸會(huì)大幅度解離，并與Ca2+反應(yīng)產(chǎn)生難溶于水的二價(jià)鹽分布在黏土顆?？紫吨校瑢?duì)土體結(jié)構(gòu)的形成起到一定的作用。同時(shí)，由于胡敏酸存在更多的官能團(tuán)，所以具備更強(qiáng)的交換能力。研究表明，胡敏酸在pH>5.0時(shí)羧基開(kāi)始解離；當(dāng)pH>6.0時(shí)，羧基已全部解離，較弱解離性酸基開(kāi)始解離；pH>10時(shí)，酚羥基開(kāi)始解離。胡敏酸與Ca2+的反應(yīng)具備“兩相反應(yīng)”的特點(diǎn)，即反應(yīng)不僅涉及表明結(jié)合位點(diǎn)與離子的反應(yīng)，還包括金屬離子擴(kuò)散進(jìn)入胡敏酸內(nèi)部并與內(nèi)部結(jié)合位點(diǎn)的反應(yīng)?！皟上喾磻?yīng)”是胡敏酸—鈣形成的重要反應(yīng)機(jī)制，不僅需要更多的Ca2+參與反應(yīng)，還能生成更穩(wěn)定的絡(luò)合物。因此，在水泥固化淤泥中，由于pH較高(一般大于10)，胡敏酸能與更多的Ca2+反應(yīng)生成絡(luò)合物，延緩水泥水化的進(jìn)程。

3)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征。有機(jī)質(zhì)的顆粒一般較小(比大多數(shù)黏土礦物顆粒小)，分子結(jié)構(gòu)呈絮狀結(jié)構(gòu)，顆粒間會(huì)互相吸引而聯(lián)結(jié)形成簇團(tuán)。有機(jī)質(zhì)的上述結(jié)構(gòu)特性決定了其持水性和吸附性都很強(qiáng)，當(dāng)采用水泥固化高有機(jī)質(zhì)黏土?xí)r，有機(jī)質(zhì)顆粒會(huì)迅速吸水并吸附于黏土顆粒簇表面，延緩水泥的水化反應(yīng)，并阻礙水化產(chǎn)物與粘土顆粒間的膠結(jié)作用，導(dǎo)致水泥加固土的效果較差，水泥土的強(qiáng)度嚴(yán)重降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)，并引入既有文獻(xiàn)中水泥固化有機(jī)質(zhì)淤泥的強(qiáng)度發(fā)展數(shù)據(jù)，分析了有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度發(fā)展的影響；從細(xì)觀角度分析有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)理。得出的主要結(jié)論如下：

1)土中有機(jī)質(zhì)的存在會(huì)抑制水泥固化淤泥強(qiáng)度的發(fā)展。2)養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥固化無(wú)有機(jī)質(zhì)淤泥強(qiáng)度有明顯的影響，養(yǎng)護(hù)溫度越高，水泥固化土的強(qiáng)度越高。3)土中有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度影響機(jī)理主要表現(xiàn)在富里酸的影響、胡敏酸的影響和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征的影響。

[1] 朱 偉,張春雷,劉漢龍,等.疏浚泥處理再生資源技術(shù)的現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2002,25(4):39-41.

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The influence of organic to the strength development of cement stabilized clay

Zheng Shaohui

(FujianArchitecturalEngineeringQualityInspectionCenter,Fuzhou350028,China)

In this study, several sets of laboratory tests were conducted to acquire the unconfined compressive strengths of cement stabilized organic clay and clay at different curing temperature and curing age. Then, the effects of organic and curing temperature to the strength of cemented clay were investigated, and the internal influence mechanism analysis.

cement stabilized clay, organic, curing temperature, inner mechanisms

1009-6825(2017)20-0088-03

2017-04-19

鄭少輝(1990- )，男，碩士，助理工程師

TU447

A