水泥改性淤泥固化土的土—水特性★

王遠明張鳳德諶柳明賀 揚崔慶峰張志春

(1.黑龍江省三江工程建設管理局，黑龍江哈爾濱 150006; 2.國家電網公司交流建設分公司，北京 100052; 3.武漢大學土木建筑工程學院，湖北武漢 430072)

水泥改性淤泥固化土的土—水特性★

王遠明1張鳳德1諶柳明2賀 揚3崔慶峰1張志春1

(1.黑龍江省三江工程建設管理局，黑龍江哈爾濱 150006; 2.國家電網公司交流建設分公司，北京 100052; 3.武漢大學土木建筑工程學院，湖北武漢 430072)

采用基于非飽和瞬態流理論的TRIM系統，量測了改性淤泥固化土的土—水特征曲線(SWCC)，分析了壓實度、養護齡期和水泥摻量等因素對其SWCC的影響，并根據改性淤泥固化土SWCC的試驗結果，分析了與初始孔隙比相關的SWCC模型參數預估模型，進而建立了考慮壓實度和水泥摻量影響的改性淤泥固化土SWCC模型，通過分析不同影響因素下的SWCC，驗證了所提出SWCC模型的合理性。

淤泥固化土，SWCC模型，水泥，壓實度

0 引言

與工程相關的淤泥疏浚和淤泥處理的社會需求逐漸增強，但由于淤泥強度低，難以直接將其應用于工程。因此，將淤泥進行加固處理對于工程建設和環境保護都有著非常重要的意義［1-4］。目前，國內外對淤泥資源化利用的方法主要有以下四種方法:吹填造陸、物理脫水、熱處理和固化處理［2］。其中，應用最普遍的是摻入固化劑進行改性處理。姬鳳玲等［3］采用固化及輕量化處理技術開發再生土工材料，具有廣闊的應用前景。根據室內試驗，研究了不同配比的淤泥固化土和輕量化土的無側限抗壓強度和密度，并分析了固化和輕量化的強度形成機理。王東星等［4］通過研究大摻量粉煤灰固化淤泥土進行試驗，認為固化土無側限抗壓強度和抗拉強度均有不同程度增加，且水泥摻量越大，養護齡期越久，強度和彈性模量越大。經分析可知:已有研究多集中探討單一方法或兩種改性劑混摻的固化效果，多種固化劑混摻固化淤泥的研究報道相對較少。

路基土一般屬于非飽和土范疇，因此其強度和變形特性需從非飽和土力學角度加以研究。土—水特性(SWCC)是非飽和土基本特性之一，目前國內外針對不同天然土類已經進行了相當多的研究。但針對改性淤泥固化土，其工程性質受改性劑摻量、養護齡期和壓實度等因素影響，因此，有必要深入研究淤泥固化土SWCC特性及其預測模型。

本文通過大量非飽和土試驗，分析壓實度、養護齡期和水泥摻量等復雜因素影響下改性淤泥固化土SWCC演化規律;考慮非飽和土體積變形的影響，推導改性淤泥固化土的SWCC模型;以水泥摻量和壓實度(初始孔隙比)等指標作為影響參數，得到了改性淤泥固化土的SWCC預估模型;通過不同水泥摻量和不同壓實度下改性淤泥固化土土—水特征曲線試驗數據，進一步驗證預估模型的合理性。

1 試驗儀器與試驗方案

武漢東湖通道工程穿越國家4A級風景區東湖，隧道采用明挖法施工，產生高達80萬m3的淤泥質土。該工程采用化學固化劑、機械脫水(形成泥餅)和水泥改性等復合處理方法對淤泥土進行加固處理，形成水泥改性淤泥固化土，將其用作該工程路基填料，可實現資源化利用。本研究采用武漢大學巖土實驗室Transient Release and Imbibitions Method(TRIM)測試系統進行SWCC試驗，記錄試驗過程中天平所測得的溢出水量與時間關系曲線。根據其邊界條件與試樣及陶土板參數，通過HYDRUS-1D軟件擬合實驗數據曲線，通過反算，可獲得SWCC模型(V-G模型)參數［5，6］。

根據項目前期試驗結果，本試驗采用水泥摻量8%的改性淤泥固化土試樣［7］，其最大干密度為1.55 g/cm3，最優含水率約25%。采用擊樣制樣法，制備直徑61.8 mm、高度25 mm的圓柱環刀樣，試樣壓實度分別為98%，96%，94%和92%。水泥改性淤泥固化土試樣養護條件為溫度(20±1)℃、濕度98%，養護齡期分別為7 d，14 d和28 d等三種養護時間。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥改性劑對SWCC的影響

96%壓實度下，無水泥與8%水泥摻量改性淤泥固化土的SWCC如圖1所示，分析所得計算參數如表1所示。根據圖1和表1，經分析可知:

1)水泥改性淤泥固化土試樣的飽和體積含水率較低。這是由于水泥摻入固化土后，產生水化反應并生成水化產物。水化產物與土顆粒相結合，土顆粒表面的水泥反應產物可將土顆粒包裹，形成較大的膠結顆粒，使土體中的孔隙減小。

2)素淤泥固化土曲線斜率的絕對值比改性淤泥固化土大，這充分說明素淤泥固化土持水性更差。事實上，對于斜率較大的SWCC曲線，其V-G模型［8］的擬合參數n值較大，這表明其孔徑分布更均勻。這是由于水泥與土顆粒的結合不僅附著于土顆粒表面，還會通過水化產物形成空間網狀結構，這樣可導致孔徑的分布更為集中于某些尺寸，從而使水泥改性淤泥固化土的n值較小，孔徑均勻性更差。

圖1 96%壓實度下改性淤泥固化土與素固化土的SWCC

2.2 養護齡期對SWCC的影響

表1 96%壓實度下改性淤泥固化土與素淤泥固化土SWCC參數

在8%水泥摻量，96%壓實度條件下，不同養護齡期的改性淤泥固化土的SWCC如圖2所示。分析圖2可知:不同養護齡期下改性淤泥固化土的SWCC曲線比較接近。這表明:當養護齡期達到7 d后，養護時間的延長對SWCC的影響并不大。究其原因，這是由于水泥能夠與水發生水化反應，形成水化鋁酸鈣和硅酸鈣等膠結產物，水泥水化物易溶于水，只有少量析出的水化物相互凝結硬化形成水泥石骨架。隨著水泥水解和水化反應的深入，大量鈣離子析出，在偏堿性的環境中，這些多余的鈣離子和土體中氧化硅、氧化鋁發生反應，生成穩定不溶于水的結晶化合物。這些新生結晶化合物逐漸硬化固結，使改性淤泥固化土內部結構趨于穩定，孔隙結構不發生變化，且不受養護齡期影響。

圖2 8%水泥摻量、96%壓實度下，不同養護齡期的水泥改性淤泥固化土的SWCC

2.3 壓實度對SWCC的影響

8%水泥摻量下，各養護齡期對應不同壓實度下改性淤泥固化土的SWCC曲線，如圖3所示。由圖3可知:隨著壓實度增大，土體進氣值和殘余含水率隨之增大，但飽和含水率有所減小。經分析可知，這種現象主要是由于壓實度增加導致土顆粒變得更加致密，最大孔隙的曲率半徑隨之減小;同體積下土顆粒短程吸附力所吸附的孔隙水含量顯著增加，引起土樣的進氣值和殘余含水率增大;同時，孔隙比減小使飽和狀態下水的體積減小，導致土體飽和含水率降低。

圖3 不同壓實度下的改性淤泥固化土的土—水特征曲線

3 改性淤泥固化土的SWCC預估模型

3.1 水泥摻量對模型參數的影響

由上述分析可知，SWCC受多種因素影響，而從微細觀層面來講，主要由土的孔隙結構所決定［9］，因此，本研究采用Van Genuchten模型(如式(1)所示)描述水泥改性淤泥固化土的SWCC特征。

其中，θr為殘余體積含水率;θs為飽和體積含水率;a為模型擬合參數，與土體的最大孔徑有關，約為進氣值的倒數;n為模型擬合參數，與土體的孔徑分布有關;m為模型擬合參數，與土體特征曲線的整體對稱性有關，通常取m=1－1/n。

在摻入水泥后及養護過程中，水泥水化反應產生的膠結產物與土顆粒相結合，進而填充土顆粒之間的孔隙，從而改變了土顆粒之間的孔隙結構。另外，壓實度的不同將直接影響土體孔隙比。因此，水泥摻量和壓實度都能改變初始孔隙比，進而影響SWCC特征。

1)反映水泥摻量影響的改性淤泥固化土初始孔隙比的預估。黃新等人［10］指出，水泥摻量對固化土的結構影響主要來源于膠結和孔隙填充。從其建立的復合土顆粒堆積模型可以看出:固化土中水泥含量較少時，在土顆粒間主要為膠結作用;當水泥充分覆蓋于土顆粒表面后，繼續填充土顆粒之間孔隙，孔隙率與土體和水泥的堆積體積相關。因此，隨著水泥摻量增加，土的初始孔隙比會減小。本試驗采用96%壓實度試樣，在不同水泥摻量下養護28 d后，量測試樣的初始孔隙比，結果如圖4所示。

圖4 不同水泥摻量改性淤泥固化土的初始孔隙比變化曲線

分析圖4可知，水泥摻量從0%增加至8%，初始孔隙比隨水泥摻量近似呈線性減小。因此，可以得到如下擬合公式:

其中，x為水泥摻量;e0(x)為水泥改性淤泥固化土的初始孔隙比;k1，k2均為擬合參數;ec為該壓實度下無水泥的素淤泥固化土的初始孔隙比。將試驗數據進行線性擬合，分析可得到k1=－1.006，k2=0.002。

2)初始孔隙比對SWCC模型參數的影響。在8%水泥摻量和28 d養護齡期條件下，不同壓實度(初始孔隙比)下的模型參數a，n的數值隨初始孔隙比的變化規律如圖5所示。

經分析可知:試樣初始孔隙比(e0)越大，即壓實度相應越小，則相應大孔隙所占比重越大，導致進氣值越小，即a值就越大。相關文獻分析結果表明［11-15］，進氣值的自然對數與初始孔隙比呈近似線性關系，具體數學關系模型如式(3)所示。

分析圖5數據，進行擬合分析后計算參數A和B的數值，即分別為3.366×10－3和4.898。據此，可以建立如式(4)所示數學關系:

其中，n值反映了孔徑大小分布的均勻性，n值越大表明土樣的孔隙分布越均勻［11］。對n值變化的函數關系進行擬合，參數C 和D的擬合值分別為2.694和1.449，即所得關系式如式(5)所示。

圖5 不同初始孔隙比的水泥改性淤泥固化土V-G模型參數的變化

3.2 改性淤泥固化土的SWCC模型

綜合以上幾個關系式，經分析計算，可得反映水泥摻量影響的改性固化淤泥土的SWCC預估模型，如式(6)所示。

其中，θr為殘余體積含水率;θs為飽和體積含水率;x為水泥摻量;e0(x)為水泥固化土的初始孔隙比。

3.3 預估模型的試驗驗證

為驗證預估模型(見式(6))的準確性，需要再次進行改性淤泥固化土試樣的SWCC試驗。試驗參數如下，試驗(一):養護齡期為28 d，2%水泥摻量，92%，94%，96%和98%等4種不同壓實度;試驗(二):壓實度為92%，2%，4%，6%和8%等4種不同水泥摻量，測量對應壓實度下的素固化土孔隙比。

圖6為92%壓實度、不同水泥摻量對應的改性淤泥固化土28 d養護后的SWCC曲線，擬合參數值如表2所示。分析后可知:初始孔隙比e0和a值的預估值和實測值的最大差值分別為0.013 和0.002 7，而n的預估值與實測值則十分接近。

圖6 92%壓實度下，不同摻量的改性淤泥固化土的預估土—水特征曲線與實測值

圖7 2%水泥摻量下，不同壓實度的改性淤泥固化土的預估土—水特征曲線與實測值

圖7為2%水泥摻量下，不同壓實度的改性淤泥固化土的SWCC曲線特征。根據表3可知，初始孔隙比e0和參數a的預估值和實測值的最大差值分別為0.013和0.002 1，而n的實測值與預估值的最大差值為0.12。也就是說，本文所給出的預估公式是比較合理的。

表2 92%壓實度下，不同摻量的改性淤泥固化土的參數預估值與實測值

表3 2%水泥摻量下，不同壓實度的改性淤泥固化土的參數預估值與實測值

4 結語

本文針對武漢東湖穿湖隧道淤泥，以資源化利用(路基填料)為目標，利用化學固化劑和機械脫水等相結合技術得到淤泥固化土。摻入水泥進行改性處理后，本研究重點分析了水泥摻量、養護齡期和壓實度(初始孔隙比)等參數影響下改性淤泥固化土的SWCC變化規律。分析所得試驗數據，可得如下結論:1)水泥改性淤泥固化土相較于素淤泥固化土，其進氣值和殘余含水率均更大，飽和含水率和初始孔隙比均更低。隨著壓實度增大，土的進氣值逐漸增大，殘余含水率升高而飽和含水率降低。養護齡期超過7 d以后，養護齡期對改性淤泥固化土SWCC的影響相對較小。2)提出了考慮水泥摻量影響的改性淤泥固化土初始孔隙比預估模型，分析了初始孔隙比對V-G模型參數的影響規律，建立了考慮水泥摻量和初始孔隙比(壓實度)影響的改性淤泥固化土SWCC模型。3)針對不同水泥摻量和不同壓實度的改性淤泥固化土樣，開展SWCC試驗，通過模型參數預估值與實測值對比，證明本文所提出改性淤泥固化土SWCC模型是合理的。

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Soil-water characteristics of solidified sludge modified with cement★

Wang Yuanming1Zhang Fengde1Shen Liuming2He Yang3Cui Qingfeng1Zhang Zhichun1

(1.Sanjiang Engineering Construction Administration Bureau of Heilongjiang，Harbin 150006，China; 2.AC Construction Branch，State Grid Corporation of China，Beijing 100052，China; 3.School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

The Soil-Water Characteristic Curve(SWCC)of solidified sludge soil modified with cement was measured by TRIM system based on unsaturated transient flow theory.The influence of compaction degree，curing age and cement content on SWCC was emphatically analyzed.According to the experimental results of SWCC on cement-modified sludge soils，the established method for predicting the parameters of SWCC model related to the initial void ratio are analyzed，and then the SWCC model considering the effect of compaction degree，curing age and cement content is established.The SWCC model is proved to be reasonable by evaluation the effect of different influencing factors.

solidified sludge soil，SWCC model，cement，compaction degree

TU443

A

1009-6825(2016)35-0067-04

2016-10-09

★:黑龍江三江工程建設管理局項目(項目編號:SGZL/KY-15);中建三局投資發展有限公司科技項目(項目編號:250000270)

王遠明(1984-)，男，博士