低摻量條件下疏浚泥固化力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

沈 超 王 琛 郁片紅 劉文白

（1.同濟(jì)大學(xué)水利工程系，上海，200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200092；3.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200125；4.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

我國正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，港口、航道等海洋和海岸工程的建設(shè)及維護(hù)產(chǎn)生了大量的疏浚淤泥。工程上常直接將這些疏浚泥丟棄，或使用大面積土地堆放，不利于海洋資源的有效利用，同時(shí)會(huì)對(duì)海洋的水環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境造成破壞。若采用固化疏浚泥作為工程填方材料，不僅可以解決上述問題，還能緩解工程中填方材料短缺的狀況，因而被國內(nèi)外學(xué)者持續(xù)關(guān)注。

國外對(duì)疏浚泥資源化利用的研究開展較早，通過化學(xué)或物理的固化處理方法，改良其高含水率、低強(qiáng)度的性質(zhì)，使之具有良好的力學(xué)性能，在工程中加以利用。例如，日本伏木富山港的填海工程，航道中的疏浚泥經(jīng)過固化處理，直接輸送至碼頭改造工程進(jìn)行填筑，節(jié)約了資源、縮短了工期［1］。

土體參數(shù)是巖土工程設(shè)計(jì)與施工的重要參考指標(biāo)，物理模型試驗(yàn)是常用分析手段［2-3］。為確保疏浚泥在工程應(yīng)用中的安全可靠，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其固化后的力學(xué)特征開展了研究。Horpibulsuk等［4］研究了未固化的淤泥微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)添加水泥后黏土顆粒形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，通過顆粒膠結(jié)提高了強(qiáng)度。馮旭松等［5］認(rèn)為水泥摻量、強(qiáng)度等級(jí)和齡期等因素對(duì)疏浚泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大。丁建文等［6］基于擾動(dòng)狀態(tài)概念和重塑土固有壓縮特性，提出了高含水率疏浚泥固化土的壓縮模型，通過一維壓縮試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并提出了高含水率疏浚泥堆場(chǎng)的動(dòng)態(tài)沉積計(jì)算模型［7］。李芳菲等［8］研究了干濕循環(huán)條件下水泥固化疏浚泥物理力學(xué)特性，認(rèn)為烘干溫度和裂縫的雙重作用是關(guān)鍵影響因素。此外，在固化淤泥強(qiáng)度預(yù)測(cè)［9］、不排水抗剪強(qiáng)度［10］、養(yǎng)護(hù)溫度［11］及含水率［12］等因素的影響方面也均取得一定進(jìn)展。

然而目前針對(duì)復(fù)雜的環(huán)境條件、固化條件及養(yǎng)護(hù)條件下疏浚泥力學(xué)特性的研究還不夠充分。實(shí)際工程一般體量很大，經(jīng)濟(jì)性是采用固化劑時(shí)的重要考慮因素之一，對(duì)其低摻量條件下的固化效果進(jìn)行的探究十分必要。特別是在海洋環(huán)境中，構(gòu)件及填土材料不可避免地受到海水腐蝕作用，對(duì)其力學(xué)特性產(chǎn)生一定的影響［13-14］。與此同時(shí)，針對(duì)固化劑作用效果的分析往往局限于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其作用過程中的機(jī)理研究不夠深入。為此，本文開展了不同固化劑種類在低摻量條件下的疏浚泥固化力學(xué)性能試驗(yàn)，分析了其破壞形式、破壞機(jī)理及相關(guān)參數(shù)，并探究了上述因素對(duì)固化疏浚泥抗壓性能的影響。同時(shí)，對(duì)海水腐蝕條件下疏浚泥的力學(xué)性能進(jìn)行了探索，以期對(duì)海洋工程中的填方工程和環(huán)境保護(hù)提供建議。

1 疏浚泥固化力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

1.1.1 固化劑選擇及摻量設(shè)計(jì)

經(jīng)比選，采用已在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣泛、固化效果較好的PM 固化劑作為對(duì)照，以自配固化劑和水泥固化劑與之進(jìn)行對(duì)比。PM 固化劑為化工產(chǎn)品，主要成分為碳化二亞胺及其聚合物。水泥固化劑主要成分為由無機(jī)物、化學(xué)活性物質(zhì)和絡(luò)合物等組成的樹脂材料。上述兩種固化劑已比較成熟地運(yùn)用于混凝土的固化處理中。自配固化劑以標(biāo)號(hào)為P.S 42.5 的礦渣硅酸鹽水泥為主，輔以石膏、石灰和礦渣等添加劑，并添加木質(zhì)素作為激發(fā)劑。石膏的作用是促使水泥快凝，提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，石灰和礦渣為配合材料，可提高保水性和耐久性。木質(zhì)素作為激發(fā)劑，一般用于瀝青道路、混凝土、砂漿等領(lǐng)域，可以有效防止涂層開裂，在固化過程中增加強(qiáng)度和接觸面附著力。

根據(jù)試驗(yàn)所用的PM 固化劑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，兼顧工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)合理性，試驗(yàn)的固化劑以8%為對(duì)照組，與摻量為4%，6%和12%的試件進(jìn)行對(duì)比；自配固化劑和水泥固化劑摻量為8%，與同樣摻量條件下PM 固化劑的效果對(duì)比。為使養(yǎng)護(hù)周期對(duì)試塊抗壓性能產(chǎn)生比較明顯的影響，分別選為7 天、28 天和90 天制樣。養(yǎng)護(hù)階段在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)完成，養(yǎng)護(hù)箱溫度控制在（20±2）℃。試件編號(hào)及相關(guān)參數(shù)見表1。

1.1.2 試件的真空脫水制備

真空脫水技術(shù)屬于物理處理方法的一種。合理地選擇真空度十分重要：一方面，當(dāng)真空度偏低時(shí)，起不到明顯效果，而真空度過高時(shí)，容易使疏浚泥表面脫水過快而形成硬殼，阻礙疏浚泥內(nèi)部真空作用，造成疏浚泥脫水密實(shí)不均；另一方面，在真空度達(dá)到與疏浚泥特征參數(shù)的臨界值時(shí)，繼續(xù)升高真空度對(duì)提高脫水量、增加固化疏浚泥強(qiáng)度的作用不大。

考慮試驗(yàn)設(shè)備的可操作性及真空脫水工藝的成熟程度，本文參考普通混凝土真空脫水工藝設(shè)計(jì)，先將真空度保持在-0.06 MPa 預(yù)抽10 min，再將真空度增大至-0.08 MPa 進(jìn)行真空脫水20 min。試件經(jīng)過真空脫水處理后，混凝土內(nèi)多余水分和空氣被抽出，初始水灰比降低。真空脫水完畢后，取出試件靜置24 h 候拆模，放入HBY-40B 型養(yǎng)護(hù)箱按標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d。

1.1.3 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)所采用的疏浚泥取自上海臨港地區(qū)，土質(zhì)主要為粉土，其物理參數(shù)見表2，疏浚淤泥的含水率為51.07%。土樣的制備步驟簡(jiǎn)要說明如下：①組裝模具并涂抹底油，便于取下養(yǎng)護(hù)好的試塊；②將固化土裝入組裝好的三聯(lián)試模，并不斷壓實(shí)，最終抹平至高出試?？?～4 mm；③將上述試模在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30～60 s，確保內(nèi)部氣泡已全部逸出；④采用低真空度脫水處理10 min，再增加真空度進(jìn)行脫水處理20 min；⑤刮去氣泡和多余土樣，養(yǎng)護(hù)試模，完成后開展后續(xù)試驗(yàn)，針對(duì)海水腐蝕條件的試驗(yàn)組根據(jù)要求進(jìn)行海水浸泡和烘干多次循環(huán)。

表2 試驗(yàn)用土樣物理參數(shù)Table 2 Parameters of the soil utilized in this study

1.1.4 抗壓破壞試樣方法

具體的抗壓破壞試驗(yàn)方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及儀器設(shè)備均按《土工試驗(yàn)規(guī)程》（GB/T 50123—1999）中的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)時(shí)，為避免在加載過程中形成應(yīng)力集中，減少端部疏松或不平整影響，各試件在正式加載前均進(jìn)行預(yù)加載，該過程參照立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取預(yù)估軸壓峰值荷載的30%～40%。無側(cè)限抗壓試驗(yàn)在WAW-Y1000微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中采用連續(xù)均勻的加荷，加載速度為0.05 kN/s。試驗(yàn)過程中試件的軸向壓力和縱向變形由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1 單軸抗壓破壞特征

對(duì)疏浚泥試件的無側(cè)限抗壓試驗(yàn)過程進(jìn)行分析，其破壞過程可分為四個(gè)階段，即理想工作狀態(tài)、裂紋出現(xiàn)狀態(tài)、裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)及完全破壞狀態(tài)。以A3b 組試件為例，其破壞過程如圖1所示。

圖1 固化疏浚泥A3b試件單軸受壓試驗(yàn)Fig.1 Uniaxial compression test on Sample A3

理想工作狀態(tài)：即0～1.00 MPa 的加載初始階段，試件基本無明顯變化。

裂紋出現(xiàn)狀態(tài)：荷載增加至1.00～1.36 MPa，試件中下部及底部邊角出現(xiàn)裂紋。

裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)：荷載持續(xù)增加至1.36～1.41 MPa過程中，裂紋向上下迅速擴(kuò)展成裂縫；

完全破壞狀態(tài)：裂縫縱向貫通試件，試件表面剝落，完全破壞，無法繼續(xù)工作。

以未添加任何固化劑材料的試件A0 作為對(duì)照組，經(jīng)測(cè)試其抗壓強(qiáng)度為0.085 MPa。在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)條件下，不同PM 固化劑摻量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2 所示，可以看出，PM 固化疏浚泥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可大致分為彈性上升段、塑性屈服段、極限荷載段和破壞段。隨著PM 固化劑用量的增加，其抗壓強(qiáng)度顯著提高，但脆性破壞的特點(diǎn)也越發(fā)明顯。當(dāng)試樣強(qiáng)度較高時(shí)，塑性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈宰冃?，這是由于固化劑與土顆粒反應(yīng)，使其形成骨架結(jié)構(gòu)來提高土體強(qiáng)度導(dǎo)致的。當(dāng)固化劑效果較一般或固化劑摻量較低時(shí)，骨架結(jié)構(gòu)僅在土體的局部形成，承受壓力的過程中出現(xiàn)破壞后向下傳遞，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度低、變形大的特點(diǎn)；當(dāng)固化劑固化效果較好或固化劑摻量較高時(shí)，大量的膠結(jié)物質(zhì)生成，使骨架結(jié)構(gòu)在整個(gè)土體內(nèi)形成，外力作用時(shí)整個(gè)土體的骨架結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度高、變形小的特點(diǎn)。

圖2 不同PM固化劑摻量的疏浚泥應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves for dredged mud prepared with different proportion of curing agent

不同的類型固化劑在同樣摻量（8%）和養(yǎng)護(hù)條件下的固化疏浚泥應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3 所示。不同固化劑采用同一摻量時(shí)，抗壓強(qiáng)度A3b>B3>C3，計(jì)算得，A3b、B3 和C3 的抗壓強(qiáng)度分別是A0（未添加固化劑試件）強(qiáng)度的16.59 倍、13.53 倍和9.65 倍。然而實(shí)際工程中，固化疏浚泥的體量普遍較大，PM 固化劑價(jià)格偏高，經(jīng)濟(jì)性較差。通過插值計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)，8%自配固化劑固化試塊與7%的PM固化試塊強(qiáng)度相當(dāng)，8%的水泥固化劑試塊與6%的PM 固化試塊強(qiáng)度相當(dāng)。在滿足工程強(qiáng)度要求的情況下，自配固化劑更加具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，可以作為更好的替代物。

圖3 不同固化劑的疏浚泥應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves for dredged mud prepared with different curing agent

1.2.2 固化劑作用機(jī)理分析

PM固化劑主要成分為聚碳化二亞胺，是含有官能團(tuán)-N=C=C=N-的單碳化二亞胺或聚碳化二亞胺，添加適量的該材料可用作為的工業(yè)或工程中的加工助劑。碳化二亞胺會(huì)與含活化氫物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，可以用作交聯(lián)劑，加強(qiáng)土體中顆粒間的膠結(jié)，從而提高其強(qiáng)度，代表性反應(yīng)過程如下［15］

水泥固化劑主要通過在孔隙中滲透后與材料發(fā)生化學(xué)、結(jié)晶反應(yīng)，使塊體中各成分固化成堅(jiān)固實(shí)體、阻塞孔隙，使其形成致密整體，從而提高抗壓等工程性能。在采用水泥固化劑的反應(yīng)過程中，活性硅酸根離子（SiO32-）與游離的鈣離子（Ca2+）反應(yīng)生成硅酸鈣化合物（C-S-H）成為提供強(qiáng)度的主要物質(zhì)，過程中的主要反應(yīng)如下。

硅酸三鈣水化：

硅酸二鈣水化：

鋁酸三鈣水化：

當(dāng)石膏耗盡時(shí)：

本文采用的自配固化劑中除石灰、石膏和礦渣等常規(guī)成分，還添加木質(zhì)素作為激發(fā)成分。木質(zhì)素是植物細(xì)胞的重要骨架之一，其通過無數(shù)個(gè)單體結(jié)合而成，目前普遍認(rèn)為其單元結(jié)構(gòu)主要為苯丙烷基［16］，其結(jié)構(gòu)主要包括紫丁香基結(jié)構(gòu)（S）、對(duì)羥基苯基結(jié)構(gòu)（H）和愈創(chuàng)木酚結(jié)構(gòu)（G），如圖4所示。

圖4 構(gòu)成木質(zhì)素的三種初始結(jié)構(gòu)單元Fig.4 The three primary lignin monomers

木質(zhì)素具有的芳香環(huán)以及高度交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其苯環(huán)上有可反映交聯(lián)的游離空位，使得木質(zhì)素在固化作用的過程中通過其黏性將土體顆粒進(jìn)行膠結(jié)，配合常規(guī)成分產(chǎn)生較好的固化效果。與此同時(shí)，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中存在的酚羥基和羧基使其具有較強(qiáng)的螯合性和膠體性能，不僅可以避免鈣、鎂等金屬離子產(chǎn)生過多沉淀物，還能將孔隙填充膠結(jié)，保證其整體固化效果。

上述三種固化劑的作用機(jī)理有所不同，故不同摻量條件對(duì)固化效果的影響也存在區(qū)別。PM固化劑主要靠化學(xué)反應(yīng)后的物質(zhì)產(chǎn)生膠結(jié)能力，當(dāng)摻量偏低時(shí)，僅能保證局部固化效果，整體力學(xué)性能提高不大，當(dāng)摻量達(dá)到一定閾值時(shí)，隨著PM固化劑摻量增加，其固化效果大幅提升。水泥固化劑主要通過與土體中的成分發(fā)生反應(yīng)而起到固化效果，反應(yīng)過程中將消耗一部分原料，且生成物比PM 固化劑的膠結(jié)作用較差，因此在同樣摻量條件下效果較差。自配固化劑在常規(guī)固化作用的基礎(chǔ)上，通過木質(zhì)素的激發(fā)、膠結(jié)作用，使其較水泥固化劑效果更好。由于反應(yīng)過程也會(huì)與原料中的成分進(jìn)行反應(yīng)，在摻量較高時(shí)其固化效果的增強(qiáng)并不明顯。對(duì)比自配固化劑以及PM 固化劑的固化效果，在摻量在0%～6%的范圍時(shí)，兩種固化劑的固化效果無明顯差異，增長(zhǎng)率約為11%；當(dāng)摻量為6%～12%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度明顯提高，自配固化試塊的強(qiáng)度增長(zhǎng)率變?yōu)?5.5%，PM 固化試塊強(qiáng)度增長(zhǎng)率變?yōu)?0.8%。

1.2.3 海水腐蝕對(duì)強(qiáng)度影響初探

廣泛用于填海工程的疏浚泥在固化后長(zhǎng)期處于海水環(huán)境中，因此有必要研究海水對(duì)其強(qiáng)度的腐蝕作用。以A3b、B3、C3 試樣為參照，分析了固化28 d后增設(shè)10 d和20 d海水腐蝕環(huán)境的情況。

不同固化劑試件受海水腐蝕后，都有強(qiáng)度降低、應(yīng)變?cè)龃蟮默F(xiàn)象。當(dāng)腐蝕時(shí)間增加時(shí)，固化疏浚泥試件強(qiáng)度降低、應(yīng)變?cè)龃?，以A3b 為例，抗壓強(qiáng)度與海水腐蝕時(shí)間的關(guān)系如圖5 所示，在海水腐蝕的20 d 內(nèi)，固化疏浚泥抗壓強(qiáng)度下降了8.51%，前10 d 的強(qiáng)度損失達(dá)到6.38%，因此，約75%的強(qiáng)度損失于前10 d，說明固化疏浚泥試塊在海水腐蝕后前期強(qiáng)度損失明顯。

圖5 不同腐蝕周期的疏浚泥抗壓強(qiáng)度曲線Fig.5 Curve for dredged mud with different corrosion time

本文還對(duì)三組腐蝕和未腐蝕試塊10 d的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6 所示。使用PM 固化劑、自配固化劑和水泥固化劑的試塊強(qiáng)度分別下降了6.38%、6.96%和7.32%。可以看出，三組試塊腐蝕10 d 后強(qiáng)度下降幅度基本相同，說明固化劑的類型對(duì)抗腐蝕能力的影響不大。

圖6 不同固化劑的腐蝕影響Fig.6 Effect of corrosion time with different curing agent

實(shí)際上，在海洋環(huán)境中存在大量的鎂鹽（MgCl2和MgSO4），含量?jī)H次于化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的鈉鹽（NaCl），一般可占海水總含鹽量的15%左右。存在的鎂鹽與硬化的土、石材料產(chǎn)生陽離子交換，而新生成的物質(zhì)并不具有承擔(dān)顆粒間作用力的骨架作用，導(dǎo)致整體強(qiáng)度降低，反應(yīng)式如下［17］。

反應(yīng)所生成的Mg（OH）2和SiO2·H2O 均無凝膠特性，導(dǎo)致試樣軟化，原有的骨料成分Ca2+一部分形成可溶性CaCl2被帶走，產(chǎn)生更多孔隙。上述三種固化劑中，PM固化劑通過加強(qiáng)土體原有骨料間粘結(jié)而發(fā)揮作用，當(dāng)試樣被腐蝕后導(dǎo)致骨料強(qiáng)度降低，固化效果減弱。特別是在海水腐蝕初期，試樣的骨架被大量腐蝕，固化效果急劇降低。水泥固化劑和自配固化劑中所含成分也會(huì)與海水中的成分發(fā)生反應(yīng)而失去固化效果，其中以水泥固化劑的反應(yīng)最甚，故海洋環(huán)境中，水泥固化劑的固化效果減弱最多。

2 基于圖像識(shí)別技術(shù)的場(chǎng)效應(yīng)分析

2.1 攝影測(cè)量技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法（DPDM）是近年來日趨成熟的非接觸測(cè)試技術(shù)。通過對(duì)采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行分析，可觀測(cè)目標(biāo)的變形和識(shí)別目標(biāo)特征。

本文進(jìn)行固化疏浚泥受壓試驗(yàn)同時(shí)，為進(jìn)行圖像識(shí)別與分析，對(duì)試件進(jìn)行連續(xù)拍照，產(chǎn)生一系列圖像。采用PhotoInfor對(duì)圖像進(jìn)行分析處理，該軟件具有網(wǎng)格分析與散點(diǎn)分析功能，可用于應(yīng)變場(chǎng)等全域變形場(chǎng)及測(cè)點(diǎn)分析，廣泛適用于砂土、鋼筋混凝土、巖石、粘黏土與金屬等材料變形特性實(shí)驗(yàn)研究。通過導(dǎo)入外部測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格，可以處理有復(fù)雜邊界的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。圖像的質(zhì)量關(guān)系著測(cè)量結(jié)果的精度，在圖像采集過程中需要注意：①試驗(yàn)過程中保證光照條件不變，需要在其兩側(cè)打光，消除陰影干擾；②攝影過程中，相機(jī)相對(duì)位置固定，采用遙控器拍攝以減小設(shè)備晃動(dòng)；③采用多色水筆在試件觀測(cè)面進(jìn)行標(biāo)記，增強(qiáng)其表面紋理特征。試驗(yàn)圖像的主要分析參數(shù)見表3。

表3 固化疏浚泥表面圖像主要分析參數(shù)Table 3 Parameters for photo analysis in dredged mud test

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)的場(chǎng)效應(yīng)分析

以A3試件為例，試件破壞的四個(gè)階段如前文所述，結(jié)合攝影測(cè)量表面各點(diǎn)的位移變化，進(jìn)行位移場(chǎng)分析，其位移云圖見圖7。分析可知，試驗(yàn)各階段對(duì)應(yīng)的位移狀態(tài)為：

理想工作狀態(tài)（圖7（a））：加載初始，無位移產(chǎn)生，試件無變形。

裂紋出現(xiàn)狀態(tài)（圖7（b））：隨荷載增加，試件表面產(chǎn)生位移，位移量為自上而下遞減，最大位移出現(xiàn)在試件邊緣，明顯有裂縫產(chǎn)生。

裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)（圖7（c））：位移量隨荷載增加繼續(xù)增大，仍呈現(xiàn)自上而下遞減的分布趨勢(shì)，但大位移已擴(kuò)展到試件約一半的區(qū)域。

完全破壞狀態(tài)（圖7（d））：表面位移繼續(xù)增大并向下擴(kuò)展，直至大位移區(qū)域遍布整個(gè)表面，隨著荷載增加，表面位移量同步增大，達(dá)到破壞水平。

圖7 固化疏浚泥A3試件單軸受壓位移云圖Fig.7 Displacement cloud photo of uniaxial compression test on A3 sample

在試驗(yàn)過程中，產(chǎn)生的剪應(yīng)力也會(huì)造成材料破壞。實(shí)際上，最大剪應(yīng)變即為材料破壞時(shí)的變形，最大剪應(yīng)變場(chǎng)直接反映了試件的破裂情況，同樣以A3 為例，其最大剪應(yīng)變?cè)茍D如圖8 所示。分析可知，其各階段特點(diǎn)如下：

理想工作狀態(tài)（圖8（a））：試件處于彈性變形階段，無最大剪應(yīng)變產(chǎn)生。

裂紋出現(xiàn)狀態(tài)（圖8（b））：試件邊緣產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，此階段的網(wǎng)格也在邊緣角點(diǎn)出發(fā)生了錯(cuò)位扭結(jié)，而產(chǎn)生最大剪應(yīng)變的部分也是損傷變形的部分，說明此區(qū)域?yàn)榱芽p的發(fā)跡處。

裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)（圖8（c））：荷載繼續(xù)增加，逐漸逼近峰值應(yīng)力，此階段最大剪應(yīng)力分布迅速擴(kuò)展至試件表面一半的區(qū)域，且應(yīng)變量不斷增加，網(wǎng)格也在相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生變形。

完全破壞狀態(tài)（圖8（d））：最大剪應(yīng)變區(qū)域已經(jīng)包圍中下部區(qū)域，試件已進(jìn)入破壞狀態(tài)。

圖8 固化疏浚泥A3試件最大剪應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Maximum shear strain cloud photos of uniaxial compression test on A3 sample

2.3 海水腐蝕過程的場(chǎng)效應(yīng)分析初探

為探究海水腐蝕對(duì)固化疏浚泥抗壓性能的影響，本文以腐蝕20 d的試件（A3H2）為例進(jìn)行初步分析。此處主要對(duì)比受壓過程各種場(chǎng)效應(yīng)的變化，僅對(duì)裂紋出現(xiàn)狀態(tài)和裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析。

經(jīng)海水腐蝕后，試件的強(qiáng)度都有所降低。腐蝕20 天后，對(duì)應(yīng)的四個(gè)受壓階段強(qiáng)度分別為0～0.90 MPa、0.90～1.16 MPa、1.16～1.29 MPa 和1.29 MPa 以上。圖9 為試驗(yàn)的位移場(chǎng)和最大剪應(yīng)變場(chǎng)。從圖9（a）—（d）可以看出，海水腐蝕后試件的位移變化規(guī)律與A3相似，呈現(xiàn)位移量自上而下遞減的規(guī)律，位移矢量也是先沿加載方向指向下，再隨裂縫的開展而偏斜。但經(jīng)海水腐蝕的A3H2試件內(nèi)部的膠結(jié)骨架被破壞，試件失去整體性、強(qiáng)度降低，在同階段下的位移量明顯高于未腐蝕的A3，且變形增大、分布散亂。

圖9 海水腐蝕試件單軸受壓位移云圖Fig.9 Displacement and maximum shear strain cloud photos of uniaxial compression test

3 結(jié)論

本文通過物理試驗(yàn)和理論分析的手段，對(duì)不同固化劑在低摻量條件下的疏浚泥固化力學(xué)性能開展了研究，得到如下主要結(jié)論：

（1）固化疏浚泥單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為理想工作狀態(tài)、裂紋出現(xiàn)狀態(tài)、裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)及完全破壞狀態(tài)；

（2）隨著固化劑摻量的增加，試件的強(qiáng)度也明顯增加，疏浚泥固化試塊的強(qiáng)度主要在早期形成，齡期越長(zhǎng)試件的強(qiáng)度越高，在海水環(huán)境下，腐蝕前期強(qiáng)度下降明顯，后期變形明顯；

（3）選用的三種固化劑其作用機(jī)理不同，在同樣摻量條件下，PM 固化劑的效果最好，但成本最高，實(shí)際應(yīng)用中，在滿足強(qiáng)度要求的情況下，可考慮自配固化劑以降低成本；

（4）運(yùn)用DPDM技術(shù)可對(duì)試件在試驗(yàn)過程中的場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行分析，通過分析其位移場(chǎng)和最大剪應(yīng)力場(chǎng)等，可以得到試件的破壞趨勢(shì)和最終破壞形式。