灘涂淤泥固化土力學特性試驗研究

王國才，吳旻炯

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

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灘涂淤泥固化土力學特性試驗研究

王國才，吳旻炯

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：為進一步了解固化材料的種類和摻量等因素對固化土力學特性的影響，采用常規不固結不排水三軸試驗對水泥為主固化劑、氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰、高爐礦渣和減水劑等為外摻劑配制而成的固化劑固化灘涂淤泥的固化效果和固化土力學特性進行了試驗研究.結果表明：在水泥基準摻量的基礎上，摻入一定量的氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰和高爐礦渣后，灘涂淤泥固化土的強度得到了一定的提高，但摻量超過一定值后，其強度反而隨著外摻劑摻量的增加而變小.

關鍵詞：灘涂淤泥；固化；三軸試驗；力學特性

我國沿海灘涂資源十分豐富，是沿海地區重要的土地后備資源.灘涂圍墾可有效緩解沿海地區用地緊張問題.然而，灘涂淤泥含水量高，強度低，工程性質很差，在開發利用前必須對其進行處理.對深厚淤泥進行處理的常用方法主要有物理脫水、加熱燒結和化學固化三種.其中，化學固化是通過向淤泥中加入固化材料對其進行固化從而改善其工程特性的方法，具有處理量大、施工簡便靈活等優點.這項技術可充分利用工業廢石膏、廢石灰和廢棄礦渣和粉煤灰等廢棄物，對環境保護、廢棄物再生利用和經濟可持續發展等具有重要的意義[1-5].陳慧娥[1]通過直剪試驗及無側限抗壓強度試驗對不同地區軟土經水泥加固后的強度形成特性進行了試驗研究，從試樣的粒度成分、有機質含量及加固后試樣的微觀結構特征等方面解釋了加固土力學性質的差異.黃雨[2]采用XRD和SEM方法對原狀土、摻入石膏的水泥加固土和不摻入石膏的水泥加固土進行了微觀結構研究，探討了導致這種加固效果差異的微觀機理.周麗萍[4]通過室內試驗研究了硅粉、天然浮石粉、鈉鹽以及表面活性劑等外摻劑對水泥土改性效果的影響.

為進一步了解固化材料的種類和摻量等對固化土力學特性的影響，采用常規不固結不排水三軸試驗對水泥為主固化劑、氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰、高爐礦渣和減水劑等為外摻劑配制而成的固化材料固化灘涂淤泥的固化效果和固化土力學特性進行了試驗研究，分析不同主固化劑和外摻劑摻量下的灘涂淤泥固化土的應力應變曲線和抗剪強度指標變化規律，分析各因素對固化土力學特性的影響規律，探討摻入氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰和高爐礦渣等外摻劑對提高灘涂淤泥固化土強度的影響及摻量范圍.

1試驗材料及方案

1.1試驗材料

制備灘涂淤泥固化土所用原料有灘涂淤泥、水泥、外摻劑和水等，其中原料土為浙江省沿海地區的灘涂淤泥，其基本物理性質指標見文獻[3]，水泥采用杭州“錢潮”有限公司生產的#32.5硅酸鹽水泥，氫氧化鈉采用杭州化學試劑有限公司生產的片狀氫氧化鈉，三乙醇胺采用無錫海碩生物有限公司生產的三乙醇胺，減水劑選用杭州宏基混凝土外加劑有限公司生產的減水劑，粉煤灰選用浙江紹興濱海熱電廠產生的細粒粉煤灰，高爐礦渣采用南京營輝建材商貿有限公司生產的粒化高爐礦渣，水則采用普通自來水.

1.2試驗方案

為研究水泥、氫氧化鈉、三乙醇胺、減水劑、粉煤灰和高爐礦渣等的摻量對灘涂淤泥固化土力學特性的影響，以水泥摻量為6%、水灰比為0.5作為基準摻量，分別摻入不同摻量的水泥、三乙醇胺、減水劑、氫氧化鈉、粉煤灰和高爐礦渣.其中，減水劑、三乙醇胺和氫氧化鈉的摻量分別為各自質量與水泥質量之比，而水泥、粉煤灰和高爐礦渣摻量為各自質量與被加固灘涂淤泥質量之比.每種摻物的摻量水平有4個，平行試驗3個，這樣每種固化劑或外摻劑需制樣12個.單摻試驗配料方案如表1所示.

表1　單摻實驗配料方案

試樣的制備分為稱料、混合攪拌、入模和養護4個步驟，其中制樣模具采用直徑為39.1 mm、高為80 mm的銅質飽和器.試樣制備好后，放在溫度為(20±5) ℃、濕度在95%以上的II級養護室養護到規定的齡期后進行試驗.本次養護齡期設為14 d.

當試樣養護到規定的齡期后，拆模.將試樣放到南京土壤儀器廠有限公司生產的TSZ-II全自動三軸儀中并按照《土工試驗規程》(SL237—1999)的規定和要求進行不固結不排水多級剪切試驗.剪切時，剪切速率為0.08 mm/min，個別情況下可取為0.04 mm/min，圍壓則設定為600，1 000，1 500 kPa.

2試驗結果及分析

2.1各因素對灘涂淤泥固化土強度特性的影響

證明 若0<α> <1, [0,1]且β≠α,則s(α,β)≤α*,其中α*=α∨(1-α), s(α,β)=(α→0 β)∧(β→0α)。因此,對任意的(0,1)均為孤立點,繼而,對任意的(0,1),{x}均為開集,且α

2.1.1水泥摻量的影響

將齡期設為14 d，水泥摻入比分別固定為6%，8%，10%，12%，制作4組試樣進行不固結不排水三軸多級剪切試驗，其結果如圖1所示.

圖1　不同水泥摻量下灘涂淤泥固化土試樣應力—應變關系曲線Fig.1　The stress-strain relationship of the stabilized beach soil under different cement content

由圖1可知：在水泥摻量一定時，灘涂淤泥固化土的最大主應力差隨著軸向應變的增大而增大，到峰值后開始減小；隨著水泥摻量的增加，灘涂淤泥固化土的最大主應力差—軸向應變的關系曲線變得更陡，表明：灘涂淤泥固化土的強度隨著水泥摻量的增加而增大，尤其是在水泥摻量從6%增大到8%，其增幅最大.從圖1還可看出：不同水泥摻量下的灘涂淤泥固化土的最大主應力差變化范圍為450～1 200 kPa之間；灘涂淤泥固化土的峰值出現時所對應的軸向應變值隨水泥摻量增大而減小，其變化范圍為1.65%～1.20%之間，其破壞形式呈現出脆性斷裂.上述現象可解釋為：水泥摻入到灘涂淤泥中，與灘涂淤泥和水發生了一系列水解及水化反應，生成新的化合物，這些產物有的繼續發展成為土體中的支撐結構，有的則和土體中的物質相互作用，這些因素共同作用形成了灘涂淤泥固化土.

2.1.2氫氧化鈉摻量的影響

在水泥摻量為6%、水灰比0.5的基準摻量基礎上，分別摻入0.4%，0.6%，0.8%，1.0%的氫氧化鈉，制作4組試樣并養護到14 d后進行不同圍壓下的不固結不排水三軸剪切試驗，其結果如圖2所示.

圖2　不同氫氧化鈉摻量下灘涂淤泥固化土應力—應變關系曲線Fig.2　The stress-strain relationship of stabilized soil under different sodium hydroxide content

從圖2可看出：在相同軸向應變的情況下，隨著氫氧化鈉摻量的增加，固化土的最大主應力差逐漸增加.隨著軸向應變的增加，固化土的主應力差也在增加.灘涂淤泥固化土的峰值變化范圍在800～1 200 kPa，相應地其峰值應變變化范圍為1.2%～1.05%，屬于脆性破壞.這是由于摻入氫氧化鈉后，改變了固化土的PH值，促進了水泥在土體中的水化反應，從而提高了灘涂淤泥固化土的強度.

圖3是水泥摻量為6%、水灰比為0.5的基準摻量基礎上，再分別摻入0.02%,0.05%,0.08%,0.11%三乙醇胺后灘涂淤泥固化土的應力—應變關系曲線.由圖3可知：隨著三乙醇胺摻量的增加，灘涂淤泥固化土的最大主應力差先增加后減小，在三乙醇胺摻量水平為0.05%時達到最大值.這可解釋為：作為一種高效的混凝土早強劑，三乙醇胺雖然不改變水泥的水化生成物，但能使水泥水化所生成膠體的活性加強，對周圍產生壓力，阻塞毛細管通道，加劇吸附、濕潤和微粒分散等的作用，促使鋁酸三鈣與石膏之間形成水化硫鋁酸鈣的反應，從而提高水泥土的密實性、抗滲性和抗凍性，起早強和提高強度的作用.

圖3　不同三乙醇胺摻量下的灘涂淤泥固化土應力—應變關系曲線Fig.3　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different triethanolamine content

2.1.4減水劑摻量的影響

在水泥固化土中摻入減水劑可以使被水泥與水反應產生的絮凝結構包裹的水釋放出來，并使水泥顆粒分散從而提高水泥的比表面積，使水泥與土的反應更充分.為說明灘涂淤泥固化土中摻入減水劑對其強度的影響，圖4給出了不同減水劑摻量下灘涂淤泥固化土應力—應變關系曲線.由圖4可看出：不管減水劑摻量如何，當軸向應變小于0.25%時，曲線幾乎完全重合，表明小應變情況下減水劑摻量對固化土強度影響不大；但當軸向應變超過0.25%后，減水劑摻量分別為1%和1.5%時的曲線幾乎相同；當減水劑摻量超過2%時，其曲線在應變較小時幾乎完全重合，當應變較大時最大主應力差則有所不同，但與減水劑摻量小于等于1.5%的情形相差較大，尤其在應變較大時其差異更明顯.

圖4　不同減水劑摻量下灘涂淤泥固化土應力—應變關系曲線Fig.4　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different water reducing agent content

2.1.5粉煤灰摻量的影響

由于粉煤灰是活性材料，含有大量的氧化硅、氧化鋁等，同時也含有氧化鈣等物質.因此，在與水反應后，氧化硅與氧化鋁可以和CH進行火山灰反應，生成的產物為水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，使土體的強度增強.

為說明摻入粉煤灰對灘涂淤泥固化土強度的影響，圖5給出了不同粉煤灰摻量下灘涂淤泥固化土的應力—應變關系曲線.由圖5可見：隨著粉煤灰摻量的增大，固化土最大主應力差隨著軸向應變的增大先是變大，后變小.當摻量水平達8%時，其值達到最大值，之后逐漸減小.

圖5　不同粉煤灰摻量下灘涂淤泥固化土應力—應變關系曲線Fig.5　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different fly ash content

2.1.6高爐礦渣摻量的影響

與粉煤灰一樣，高爐礦渣里也同樣含有大量的活性氧化硅、活性氧化鋁等，同樣可參與水泥的水化水解反應，與氫氧化鈉反應生產水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣.圖6給出了不同高爐礦渣摻量下灘涂淤泥固化土的應力—應變關系曲線.由圖6可見：隨著高爐礦渣摻量的增大，固化土的曲線幾乎重合.對于高爐礦渣摻量從6%增加到12%，其最大主應力差變化范圍為1 714 kPa增大到1 741 kPa，其增量為27 kPa，其增量幾乎可以忽略不計，但跟僅摻入10%水泥的基準摻量情況相比，其強度增加了70%左右.從圖6還可看出：摻入高爐礦渣后的固化土峰值應變變小，約為0.175%左右，同樣屬于脆性破壞.

圖6　不同高爐礦渣摻量下灘涂淤泥固化土應力—應變關系曲線Fig.6　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different blast furnace slag content

2.2抗剪強度指標

在土體穩定分析、地基和樁基承載力設計與計算等時，需要提供土體抗剪強度指標.為分析水泥、氫氧化鈉、粉煤灰和高爐礦渣等因素對固化土強度指標的影響，對圍壓分別為600，1 000，1 500 kPa，摻入不同摻量的水泥、粉煤灰、高爐礦渣和氫氧化鈉的灘涂淤泥固化土試樣進行不固結不排水多級剪試驗，根據試驗結果繪制摩爾應力圓，得到應力圓的強度包線，從而得到固化土的抗剪強度指標c和φ的值，其結果如表2所示.

由表2可見：不同固化劑摻量水平下的灘涂淤泥固化土強度指標值是不相同的.對于僅摻入水泥時的固化土強度隨水泥摻量的增加而增加.水泥摻量越高，其粘聚力和內摩擦角越大.摻入氫氧化鈉可大大提高固化土的粘聚力和內摩擦角值，且其值要比僅摻入6%水泥的基準摻量下值要大的多.摻入三乙醇胺同樣可大大提高固化土的粘聚力值，且隨著三乙醇胺摻量水平的提高而增大，到達0.08%摻量水平后，其粘聚力和內摩擦角值隨三乙醇胺摻量的增多而變小，但其粘聚力值比基準摻量下的值要大，內摩擦角值則比基準摻量下的值稍微小些，說明三乙醇胺摻量水平超過一定值后對內摩擦角值的的增加不但沒有貢獻，反而會降低其值.摻入減水劑可在一定程度上提高固化土強度指標，但過多的減水劑反而會降低固化土強度指標，只有減水劑摻量在到1.0%～2.0%時，固化土的粘聚力和內摩擦角才是呈增長的趨勢的.摻入粉煤灰和高爐礦渣可大大提高固化土的強度，粘聚力值比基準摻量下分別提高了1～1.7倍和1.2～1.4倍，但摻入粉煤灰后其內摩擦角相應地則變小了，摻入高爐礦渣后的內摩擦角比基準摻量下增大了2.5倍左右.從表2中還可看出：摻入不同摻量的高爐礦渣后，其固化土的抗剪強度指標變化不大，說明高爐礦渣摻量多少對提高固化土抗剪強度值不是十分明顯.

表2　灘涂淤泥固化土UU試驗強度指標

3結論

通過室內常規不固結不排水三軸試驗對水泥為主固化劑，氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰、高爐礦渣和減水劑等為外摻劑配制而成的固化材料固化灘涂淤泥的固化效果和固化土力學特性進行了試驗研究，分析不同主固化劑和外摻劑摻量下的灘涂淤泥固化土的應力應變曲線和抗剪強度指標變化規律，分析各因素對固化土力學特性的影響規律，探討摻入氫氧化鈉、三乙醇胺、粉煤灰和高爐礦渣等外摻劑對提高灘涂淤泥固化土強度的影響及摻量范圍.因此，在淤泥地基固化處理時，應采用最佳摻量的固化材料和外摻劑以提高固化土的力學特性從而減少費用，增加經濟效果.

參考文獻：

[1]陳慧娥,王清.水泥加固不同地區軟土的試驗研究[J].巖土力學,2007,28(2):423-426.

[2]黃雨,周子舟,柏炯,等.石膏添加劑對水泥攪拌法加固軟土地基效果影響的微觀試驗分析[J].巖土工程學報,2010,32(8):1179-1183.

[3]鄭旭衛.灘涂淤泥固化土工程特性的試驗研究[D].杭州:浙江工業大學,2014.

[4]周麗萍,申向東,白忠強.外摻劑對水泥土改性效果的試驗研究[J].工業建筑,2009,39(7):74-78.

[5]王珊珊,盧成原,孟凡麗.水泥土抗剪強度試驗研究[J].浙江工業大學學報,2008,36(4):456-459.

(責任編輯：陳石平)

An experimental study on the mechanical properties of solidified beach silt soil

WANG Guocai, WU Minjiong

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:To further understand the effects of the type and dosage of solidified materials on the mechanical properties of solidified soil, a traditional unconsolidated-undrained tri-axial test was conducted on the solidification effects of beach silt soil with cement as a main solidified agent and sodium hydroxide, triethanolamine, fly ash, blast furnace slag, and water reducing agent as additive agents and on the mechanical properties of solidified beach silt soil. The results indicated that, for a given content of cement, the strength of solidified beach silt soil is improved to a certain extent by adding a certain amount of sodium hydroxide, triethanolamine, fly ash, and blast furnace slag. When the dosage exceeds a certain value, however, the strength of solidified beach silt soil will decrease with the dosage.

Keywords:beach silt soil; solidification; tri-axial test; mechanical properties

文章編號：1006-4303(2015)04-0468-05

中圖分類號：TU411

文獻標志碼：A

作者簡介：王國才(1971—)，男，安徽天長人，教授，研究方向為地基處理，E-mail: wgc@zjut.edu.cn.

基金項目：浙江省科技廳項目(2012C31007)

收稿日期：2015-02-10