城市河道淤泥固化土的力學(xué)特性研究

張慧超 馬 旭

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070； 2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 概述

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市河道清淤每年都會產(chǎn)生大量污泥，由于其初始含水率高，有毒物質(zhì)多，對生態(tài)環(huán)境具有很強(qiáng)的破壞性。因此，城市河道淤泥的安全處置對我國許多城市均提出巨大挑戰(zhàn)。近年來，固化穩(wěn)定技術(shù)由于其效率高、成本低等優(yōu)勢在實(shí)際工程中逐漸成為一種淤泥處理和資源化利用的重要手段[1]。其核心是通過在淤泥中添加水泥、石灰、粉煤灰、礦渣、鋼渣等粘合劑的方式，達(dá)到降低淤泥含水率，提高淤泥強(qiáng)度的目的。

石灰固化土強(qiáng)度增長緩慢，干縮明顯，易軟化開裂，且水穩(wěn)性差。二灰土(石灰—粉煤灰固化土)早期強(qiáng)度低且水穩(wěn)性差。其他化學(xué)固化劑改性土的固化效果隨土類型的變化差異較大且由于固化劑價格較高，改性成本高，相較于以上幾種固化劑，水泥固化土的水穩(wěn)性好，價格適中，因此，適合作為改性劑對淤泥進(jìn)行固化處理。

近年來，水泥土被廣泛應(yīng)用于房屋建筑、道路建設(shè)、大壩護(hù)坡和防滲保護(hù)[2]。黃欣等[3]認(rèn)為水泥固化土強(qiáng)度主要來源于水泥水化過程中產(chǎn)生的膠結(jié)物。Kaniraj等[4]提出了由養(yǎng)護(hù)齡期、水泥和粉煤灰摻量預(yù)測固化土強(qiáng)度的模型。湯怡新等[5]通過試驗(yàn)研究得出固化土強(qiáng)度主要受水泥摻量和土體初始含水率的影響。除了針對固化土強(qiáng)度研究，許多研究者[6-10]對水泥固化土的滲透特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研究發(fā)現(xiàn)固化土滲透系數(shù)隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減小，其原因是水泥水化產(chǎn)物隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加不斷累積，逐漸充填土體孔隙，從而造成固化土滲透系數(shù)的降低。

本文通過一系列室內(nèi)擊實(shí)、直剪和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了不同水泥摻量固化土的強(qiáng)度演化規(guī)律，以期為城市河道疏浚淤泥的再利用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用淤泥土取自湖北省武漢市某河道清淤場地。研究用淤泥土的天然重力含水率為78.63%，高含水率淤泥經(jīng)風(fēng)干、研磨過2 mm篩，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。經(jīng)顆粒分析試驗(yàn)得到淤泥土含砂粒34%，粉粒41%，黏粒25%。X射線衍射試驗(yàn)表明該淤泥土主要礦物成分為石英、伊利石、蒙脫石、鈉長石。

試驗(yàn)用水泥為普通硅酸鹽水泥，其強(qiáng)度高、化熱大，抗凍性好、耐磨性好，抗碳化性較好，主要化學(xué)成分為CaO，SiO2和Al2O3。

表1 基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)的目的是利用機(jī)械能將土顆粒壓密，減少土體內(nèi)部孔隙，降低土體強(qiáng)度和體積變化的敏感性，同時提高土體強(qiáng)度和承載能力，降低壓縮性和滲透性。本研究中將干土粉與水泥按照干土質(zhì)量百分比2%，4%，8%混合均勻，加入去離子水配制成不同含水率的土膏，并用密封袋密封24 h，之后采用重型擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行最優(yōu)含水率和最大干密度的測定。

2.2.2直接剪切試驗(yàn)

首先將過2 mm篩的干土粉與水泥按照2%,4%,8%的質(zhì)量百分比混合均勻，加入去離子水分別配制到不同水泥摻量所對應(yīng)的最優(yōu)含水率狀態(tài)，然后按照93%,96%,98%壓實(shí)度將濕土膏制成高20 mm，直徑61.8 mm的環(huán)刀試樣。剪切過程中，豎向荷載設(shè)置為100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa，快剪速率設(shè)定為1 mm/min。最終得到不同水泥摻量試樣在不同豎向荷載下的強(qiáng)度峰值。

2.2.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

用與直剪試驗(yàn)相同的方法配制不同水泥摻量的濕土膏，并按照93%,96%,98%壓實(shí)度將濕土膏制成高50 mm，直徑30 mm的圓柱試樣，按1%/min的速率進(jìn)行剪切，直至試樣破壞，記錄試樣破壞時測力計(jì)讀數(shù)，即為試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

不同水泥摻量下?lián)魧?shí)曲線如圖1所示，所得到的最優(yōu)含水率和最大干密度如表2所示。

從圖1，表2中可以得出：摻入不同摻量的水泥之后，固化土的最優(yōu)含水率略微下降，降幅在2%以內(nèi)，最大干密度先減小后增大。

表2 不同水泥摻量固化土最優(yōu)含水率及最大干密度

3.2 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

如圖2～圖4所示分別為水泥摻量為2%，4%，8%時試樣的強(qiáng)度包線及強(qiáng)度參數(shù)值，圖5，圖6分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角與水泥摻量的關(guān)系，圖中K為壓實(shí)度，t為養(yǎng)護(hù)齡期。

從圖2～圖6可以看出：

1)相同豎向荷載情況下，壓實(shí)度越大，養(yǎng)護(hù)齡期越長，試樣剪切強(qiáng)度越大，這是因?yàn)閴簩?shí)度越大，土顆粒以及顆粒集聚體之間接觸更加緊密，孔隙體積則越小，試樣抵抗變形的能力更強(qiáng)。而養(yǎng)護(hù)齡期越長，土體中的水泥水化反應(yīng)越完全，從而提高了試樣的強(qiáng)度；

2)水泥固化土的粘聚力隨水泥摻量的增加有明顯增大，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。這是由于水泥摻量的增加以及養(yǎng)護(hù)齡期的延長，使固化土土體內(nèi)水化產(chǎn)物增多，水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用使試樣粘聚力增大；

3)不同水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期的水泥固化土其內(nèi)摩擦角變化范圍為27°～30°之間，表明不同水泥摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期后水泥固化土的內(nèi)摩擦角沒有明顯變化，即水泥不影響固化土土顆粒之間的摩擦特性。

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

如圖7所示為水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果，圖中式子K=93%-0，其中，K=93%為壓實(shí)度；0代表水泥摻量。

從圖7可以看出：1)總體上，水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于素淤泥土(即水泥摻量為0)。2)壓實(shí)度越高，水泥摻量越大，水泥固化土的無側(cè)限強(qiáng)度越大，這是因?yàn)閴簩?shí)度越高，土顆粒及顆粒集聚體之間結(jié)合更緊密，且水泥摻量越大，水化產(chǎn)物越多，膠結(jié)作用越強(qiáng)。3)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥固化土無側(cè)限強(qiáng)度先增大后減小，并在齡期60 d時達(dá)到峰值，90 d后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明水泥固化土的強(qiáng)度不會隨著時間的發(fā)展而持續(xù)增加，且強(qiáng)度在一定時間之后發(fā)生衰減，并最終穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文通過一系列的擊實(shí)、直接剪切及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對城市河道淤泥水泥固化土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了較為全面的試驗(yàn)探究，得出以下結(jié)論：

1)淤泥土在添加水泥之后，其最優(yōu)含水率略有降低，最大干密度先降低后上升。2)水泥固化土的粘聚力隨著水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸增大，而內(nèi)摩擦角變化不明顯。3)水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比于素淤泥土有明顯提升，壓實(shí)度越大，水泥摻量越大，無側(cè)限強(qiáng)度越大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)60 d之后，強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨后強(qiáng)度發(fā)生衰減，并在90 d之后逐漸穩(wěn)定。