ISS-水泥聯(lián)合固化淤泥的力學(xué)特性研究

吳雪婷，唐杉，程明峰，王臻華，項(xiàng)偉，2，陳斌

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074；3.杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310036）

0 引言

寧德海域廣泛分布著深厚的第四紀(jì)海相沉積淤泥層，隨著寧德地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，大量與灘涂淤泥有關(guān)的工程問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，淤泥的處理及資源化利用已經(jīng)成為工程界迫切需要解決的問(wèn)題[1]。

目前淤泥固化的傳統(tǒng)材料常以水泥、石灰等無(wú)機(jī)材料為主，其單獨(dú)使用或加入粉煤灰、高爐礦渣、廢石膏等工業(yè)廢料[2]，或者加入膨潤(rùn)土、水玻璃等得到復(fù)合固化材料[3-4]。新型固化材料是指各種專用固化劑如液態(tài)離子型[5]、高分子、納米材料等。研究表明，新型固化材料固化效果優(yōu)于傳統(tǒng)固化材料，但是一般成本較高，只適用于處理量較小的特殊地基中；對(duì)于大量淤泥的處理，需要根據(jù)淤泥的特點(diǎn)研究經(jīng)濟(jì)有效的固化材料配方[6]。水泥作為一種主要固化劑廣泛應(yīng)用于淤泥加固中，將水泥和新型固化材料聯(lián)合使用加固淤泥具有重要的研究意義。

新型固化材料離子土固化劑（Ionic Soil Stabi-lizer，ISS）具有成本低、施工方便、耐久、環(huán)保、就地取材、-位固化等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于道路、建筑基礎(chǔ)、農(nóng)田水利等領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者開(kāi)展了ISS固化土的試驗(yàn)及機(jī)理研究[7]，研究對(duì)象涉及多種土體類型[8]，均取得了較好的固化效果。

本研究使用酸性液態(tài)材料ISS和堿性固態(tài)材料水泥，單獨(dú)和聯(lián)合進(jìn)行淤泥固化，以研究不同形態(tài)的酸堿固化劑單獨(dú)和共存條件下固化寧德海相淤泥的效果及力學(xué)性能，探討不同固化劑之間的相互作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣為福建寧德海相淤泥，-狀土取樣深度0~3 m，淤泥呈灰黑色，流塑，具腥臭味。淤泥的主要物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1，顆粒級(jí)配見(jiàn)圖1。

表1 淤泥的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 The physical properties of silt

圖1 淤泥的級(jí)配累積曲線圖Fig.1 Accumulation curve of silt gradation

1.2 固化材料

1）離子土固化劑（ISS）

ISS采用美國(guó)路邦EN-1土壤固化劑，EN-1-液呈黑色，含有活性成分磺化油，是一種陰離子型表面活性劑。路邦EN-1的物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 路邦EN-1的物理參數(shù)Table 2 The physical properties of Road Band EN-1

2） 水泥

水泥是一種堿性固態(tài)粉狀水硬性無(wú)機(jī)膠凝材料，本試驗(yàn)采用湖北華新水泥廠生產(chǎn)的P·C32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥。

3）堿化劑（NaOH）

在不同形態(tài)的酸堿固化劑（酸性液態(tài)材料ISS、堿性固態(tài)材料水泥）共存條件下，酸、堿固化劑本身也會(huì)發(fā)生一定的反應(yīng)，使固化土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化極為復(fù)雜[9]。為定性及定量研究酸堿固化劑共存對(duì)固化效果的影響，對(duì)部分樣品摻入堿化劑NaOH，以調(diào)節(jié)試樣的pH值到中性，即在摻入水泥之前，對(duì)ISS固化淤泥進(jìn)行堿化處理。

1.3 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究過(guò)程中共制備了5類樣品，分別為：1） S （Silt）：淤泥-狀樣。

2）S-In（Silt+ISS，其中ISS頤H2O（體積比）=1頤n）：淤泥+ISS的固化樣。

3）S-Cm（Silt+Cement，其中水泥摻入比為m%）：淤泥+水泥的固化樣。

4） SI-Cm （Silt+ISS+Cement）：淤泥 +ISS（最優(yōu)）+水泥的固化樣。

5） SIA-Cm （Silt+ISS+NaOH+Cement）：淤泥+ISS（最優(yōu)）+堿化劑+水泥的固化樣。

制樣前將-狀淤泥放入烘箱中在55益條件下連續(xù)烘烤48 h，冷卻至常溫后碾磨過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩備用。試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括：ISS固化淤泥單摻試驗(yàn)、水泥固化淤泥單摻試驗(yàn)、ISS+水泥聯(lián)合固化淤泥復(fù)摻試驗(yàn)、NaOH堿化的ISS+水泥聯(lián)合固化淤泥復(fù)摻試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析

2.1 單摻ISS固化淤泥液塑限試驗(yàn)

ISS在使用之前，需要稀釋成不同濃度的水溶液，單摻試驗(yàn)設(shè)計(jì)ISS頤H2O的體積比分別為1頤25、1頤50、1頤75、1頤100、1頤125、1頤150、1頤175、1頤200，與土樣混合并攪拌均勻，密封靜置24 h后測(cè)界限含水率，得到最優(yōu)體積比為1頤50。在最優(yōu)體積比附近加密間距，設(shè)計(jì)ISS頤H2O的體積比分別為1頤40和1頤60重復(fù)上述試驗(yàn)，得到ISS頤H2O的最優(yōu)體積比仍為1頤50，最低塑性指數(shù)IPmin=13.24。固化淤泥的塑性指數(shù)與ISS濃度之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 塑性指數(shù)與ISS濃度之間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between plasticity index and ISS concentration

2.2 單摻及復(fù)摻固化淤泥含水率及pH值試驗(yàn)

單摻水泥時(shí)設(shè)置水泥摻入比分別為0%、3%、6%、9%、12%、15%、18%，以1.3 g/cm3干密度和50.77%液限含水率制樣S-C0耀18；再?gòu)?fù)摻ISS（ISS頤H2O=1頤50）和不同梯度的水泥，同樣方法制樣SI-C0耀18，攪拌均勻后密封養(yǎng)護(hù)24 h，測(cè)各樣品含水率及pH值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 水泥摻量與樣品含水率和pH值之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between cement content and water content and pH value of samples

由圖3的含水率曲線可知，單摻水泥與復(fù)摻ISS-水泥的情況下，樣品含水率均隨著水泥摻量的增加而下降；樣品SI-C0耀18的含水率均低于同比單摻水泥的樣品S-C0耀18。無(wú)論是水泥還是ISS的摻入，均降低了淤泥的含水率。ISS在低摻量水泥（<9%）條件下對(duì)降低淤泥含水率起到了主要作用，使初始含水率迅速下降；水泥摻量逸9%以后，這種主導(dǎo)作用減弱；當(dāng)水泥摻量達(dá)到18%時(shí)，兩類樣品含水率趨于一致，約為38.5%，降幅達(dá)24%。ISS有效降低了淤泥的初始含水率，對(duì)后續(xù)水泥固化起到了積極作用。

由圖3的pH曲線可知，單摻水泥與復(fù)摻ISS-水泥的情況下，樣品pH值均隨著水泥摻量的增加而升高；樣品SI-C0耀18的pH值均低于同比單摻水泥的樣品S-C0耀18。由于ISS呈酸性，導(dǎo)致SI-C0耀18的pH值較低，ISS中的H+與水泥中的OH-發(fā)生了中和反應(yīng)，消耗了水泥中的部分OH-。當(dāng)水泥摻量逸12%之后，兩類樣品的pH值近似相等，ISS溶液對(duì)固化土pH值的影響逐漸減弱，ISS溶液與水泥之間的酸堿中和反應(yīng)趨于結(jié)束。

2.3 單摻及復(fù)摻固化淤泥無(wú)側(cè)限試驗(yàn)

將S-C3耀18和SI-C3耀18分別按照3個(gè)平行試樣制樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)溫度=（20依2）益，濕度>95%）至7 d設(shè)計(jì)齡期后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值見(jiàn)圖4，樣品SI-C3耀18的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均低于同比單摻水泥的樣品S-C3耀18，在水泥摻量大于9%之后兩條強(qiáng)度曲線大致平行。

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between unconfined compressive strength and cement content

由圖4可知，無(wú)論是單摻水泥還是復(fù)摻ISS-水泥，在水泥摻量為9%時(shí)均存在拐點(diǎn)，小于9%時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；大于9%時(shí)增長(zhǎng)迅速；9%即為臨界水泥摻量。低于9%水泥摻量時(shí)，水泥的水化產(chǎn)物過(guò)少，對(duì)淤泥的強(qiáng)度影響較小，屬于固化非反應(yīng)區(qū)。同時(shí)，ISS中H+阻礙了水泥的水化進(jìn)程，反而使試樣強(qiáng)度降低。隨著水泥摻量的增加（>9%），淤泥的強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，呈現(xiàn)明顯的固化反應(yīng)區(qū)；ISS中H+完成了與水泥的中和反應(yīng)，試樣強(qiáng)度發(fā)生轉(zhuǎn)折式增加，但總體強(qiáng)度仍低于單摻水泥試樣，同比降幅為13%耀25%。

由于酸性ISS與堿性水泥之間相互抑制，雖然兩者均有效減小了土樣的初始含水率，但聯(lián)合使用卻降低了固化土強(qiáng)度。因此進(jìn)一步設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在淤泥固化反應(yīng)區(qū)內(nèi)先用ISS稀釋液（最優(yōu)體積比）處理土樣，并加入堿化劑NaOH調(diào)節(jié)pH值到中性，再分別摻水泥9%和12%，配制樣品SIA-C9和SIA-C12。其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)樣品制作養(yǎng)護(hù)及測(cè)試方法同上，結(jié)果匯總于圖4和圖5。

圖5 無(wú)側(cè)限抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Unconfined compressive stress-strain curves

由圖4和圖5可知，S-C9和S-C12破壞應(yīng)變約為3%耀4%，而SIA-C9和SIA-C12破壞應(yīng)變約為2%，堿化復(fù)摻樣品的強(qiáng)度比單摻水泥同比漲幅約為20%耀60%。對(duì)比SI-C12和SIA-C9，兩者強(qiáng)度相近，即達(dá)到相同的強(qiáng)度，堿化ISS-水泥相比于酸性ISS-水泥可節(jié)省約3%的水泥用量。對(duì)比SI-C9和SIA-C9、SI-C12和SIA-C12，可知堿化ISS-水泥比酸性ISS-水泥可以同比提高固化土強(qiáng)度約60%耀600%，在水泥摻量9%的臨界摻量時(shí)提高效果最顯著，SIA-C9無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)4.574 MPa。當(dāng)使用NaOH堿化ISS-水泥固化淤泥時(shí)，臨界水泥摻量甚至可以低于9%，使圖4上的淤泥固化反應(yīng)區(qū)界限左移。

2.4 單摻及復(fù)摻固化淤泥直剪試驗(yàn)

對(duì)樣品S-C9、S-C12、SI-C9、SI-C12、SIAC9、SIA-C12各制4個(gè)平行樣，養(yǎng)護(hù)至7 d設(shè)計(jì)齡期后分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的垂直壓力下進(jìn)行直剪快剪試驗(yàn)，其中SIA-C9的剪應(yīng)力-剪變形曲線及其剪切破壞形態(tài)見(jiàn)圖6。各樣品的抗剪強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖7，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表3。

圖6 樣品SIA-C9剪應(yīng)力-剪變形曲線Fig.6 Shear stress-strain curves of sample SIA-C9

圖7 各樣品抗剪強(qiáng)度曲線Fig.7 Shear strength curves of samples

表3 各樣品抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Shear strength index of samples

由圖7和表3分析可知，當(dāng)水泥摻量為9%時(shí)，SIA-C9的黏聚力比S-C9提高了約1.5倍，內(nèi)摩擦角提高了約1毅，比SI-C9的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別提高了約4.1倍和14毅；當(dāng)水泥摻量為12%時(shí)，SIA-C12的黏聚力比S-C12提高了約1.5倍，內(nèi)摩擦角提高了約5.5毅，比SI-C12的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別提高了約2.2倍和6.5毅。SIA-C9的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與S-C12接近，即NaOH堿化ISS-水泥摻入在淤泥固化上可以節(jié)約水泥約3%的用量，而酸性ISS-水泥則會(huì)減弱固化淤泥的效果。

2.5 單摻及復(fù)摻固化淤泥24 h固結(jié)試驗(yàn)

利用高壓固結(jié)儀對(duì)上述3類（共6種）淤泥樣品養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，采用液限含水率制備環(huán)刀樣，施壓等級(jí)為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa共4級(jí)荷載。得到各樣品的壓縮指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 各樣品的壓縮指標(biāo)Table 4 Compressibility index of samples

由表4分析可知，當(dāng)水泥摻量為9%時(shí)，SIAC9的壓縮系數(shù)比S-C9降低了0.06 MPa-1，壓縮模量增加了4.38 MPa，比SI-C9的壓縮系數(shù)降低了1.06MPa-1、壓縮模量增加了13.3MPa；當(dāng)水泥摻量為12%時(shí)，SIA-C12的壓縮系數(shù)比S-C12降低了0.02 MPa-1，壓縮模量增加了2.73 MPa，比SI-C12的壓縮系數(shù)降低了0.06 MPa-1、壓縮模量增加了6.61 MPa。對(duì)比各試樣的壓縮系數(shù)發(fā)現(xiàn)：SI-C9>S-C9>SI-C12>SIA-C9=S-C12>SIA-C12；在相同水泥摻量條件下壓縮性大小為：SI-C>S-C>SIA-C。SIA-C9的壓縮指標(biāo)和S-C12接近，即NaOH堿化ISS-水泥聯(lián)合固化淤泥可以節(jié)約3%的水泥用量，而酸性ISS-水泥反而減弱了水泥固化淤泥的效果。該結(jié)論與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一致。

3 ISS-水泥聯(lián)合固化淤泥作用機(jī)理及效果分析

ISS中含有的活性成分磺化油由植物油或魚(yú)油與過(guò)量濃硫酸發(fā)生磺化反應(yīng)制得，用濃硫酸磺化時(shí)，反應(yīng)生成的水使硫酸濃度下降、反應(yīng)速率減慢，因此要使用過(guò)量的磺化劑，導(dǎo)致ISS溶液中H+過(guò)量?；腔陀苫撬峄?SO3H）和烴基（R-H）的C-子直接相連而成，在結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)特的二重性，分為“親水頭（RSO3H）”和“疏水尾（C-H）”。ISS與淤泥混合后，ISS的“親水頭”與黏土顆粒表面形成化學(xué)鏈，并溶解在黏土顆粒表面的結(jié)合水層中，其“疏水尾”則圍繞著黏土顆?；蛟陴ね翆娱g形成油性層，阻止水進(jìn)入這個(gè)體系，減小結(jié)合水膜的厚度，增大粒間引力，孔隙減少，結(jié)構(gòu)密實(shí)，且反應(yīng)不可逆。

水泥加固淤泥時(shí)，水泥與土體中的水很快發(fā)生水解和水化反應(yīng)生成各種化合物，隨著水泥水化反應(yīng)的深入，在堿性環(huán)境中，繼續(xù)發(fā)生離子交換和團(tuán)凝化作用。由于ISS溶液中H+過(guò)量，H+與Ca（OH）2發(fā)生中和反應(yīng)，抑制水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程，阻止火山灰反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)的發(fā)生，從而影響水泥固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)。

水泥固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)的過(guò)程緩慢且作用復(fù)雜，如果在中性和堿性環(huán)境下?lián)饺胨啵瑒t可以避免上述酸堿中和反應(yīng)的不利影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：NaOH堿化ISS-水泥聯(lián)合固化土不但可以解決單摻水泥固化土早期強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)，7 d齡期即可達(dá)到固化土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，在加快土體固化速率的同時(shí)還能節(jié)約水泥用量。

4 結(jié)語(yǔ)

1）EN-1型ISS固化寧德淤泥的ISS頤H2O最優(yōu)體積比為1頤50；臨界水泥摻入比為9%；使用NaOH堿化ISS-水泥固化淤泥時(shí)，可降低臨界水泥摻量。

2）ISS通過(guò)減小結(jié)合水膜的厚度來(lái)改變淤泥含水率，水泥通過(guò)水化反應(yīng)將淤泥中的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榈V物結(jié)晶水來(lái)減少淤泥含水率，兩者聯(lián)合使用對(duì)于降低淤泥初始含水率均具有積極作用。

3）酸性ISS與堿性水泥之間相互抑制，兩者聯(lián)合使用，ISS溶液中H+阻礙了水泥的水化進(jìn)程，反而降低了固化土強(qiáng)度。

4）NaOH堿化ISS-水泥聯(lián)合固化淤泥不但彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水泥類堿性固化劑提高早期強(qiáng)度緩慢的不足，而且在淤泥固化上相比于單摻水泥，可以節(jié)約大約3%的水泥用量，降低工程造價(jià)。