水泥和礦渣固化河道底泥的應力—應變特性研究

陶子健 蒙 強 靳宏圓*

(1.上海師范大學附屬中學閔行分校，上海 201112; 2.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

水泥和礦渣固化河道底泥的應力—應變特性研究

陶子健1蒙 強2靳宏圓2*

(1.上海師范大學附屬中學閔行分校，上海 201112; 2.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

采用水泥作為主固化劑，礦渣為輔助添加劑，對底泥進行了固化處理，并分析了固化后底泥的無側限壓縮變形特性，研究結果表明:隨著水泥摻量的變化，破壞應變在0.4%～2.3%之間變化;隨著礦渣摻量的變化，破壞應變在0.6%～2.0%之間變化，且隨著水泥摻量、礦渣摻量的增加及齡期的增長，固化底泥的破壞應變呈冪函數減小，固化底泥破壞形態由塑性破壞逐步轉變為脆性破壞。

底泥，河道，水泥，礦渣，固化劑

0 引言

為保證河道正常的泄洪能力，很多河道開展了大規模的疏浚和清淤工程，產生了大量的疏浚底泥。環保疏浚產生的底泥，通常被作為固體廢物堆放在貯泥場中，不僅占用大量土地，而且對環境易產生二次污染。因此，開發經濟合理且不會導致二次污染的底泥資源化處理技術，已成為環保領域的重要課題。

固化/穩定化技術(Solidification/Stabilization，簡稱S/S法)是向底泥中添加固化材料，固化材料與水通過水化反應、離子交換反應和碳酸反應形成水化產物而起到底泥加固作用［1］。傳統的固化材料包括水泥、石灰單獨使用或者在其中加入一些工業廢料［2-5］，如:粉煤灰、高爐礦渣、鋼渣、堿渣、廢石膏，或者膨潤土、水玻璃、硅粉、木質素磺酸鈣等材料而得到的復合型固化材料。

底泥固化后可用作填方材料、建筑材料等用途［6］。固化底泥的強度和變形特性方面的研究是影響固化/穩定化技術應用的制約因素［7-9］。因此，開展這方面的研究，對于研究底泥固化處理后的資源化利用，具有重要的工程意義。

本文在以水泥為主固化劑的基礎上，加入礦渣作為輔助添加劑，通過室內試驗，研究了水泥、礦渣及齡期對固化底泥應力—應變關系及破壞應變的影響規律，為實際工程中固化劑的選取提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用的底泥取自上海黃浦江，底泥的主要化學成分見表1。

表1 底泥化學成分

試驗所用水泥為42.5號普通硅酸鹽水泥，礦渣為上海市某鋼鐵廠冶煉過程中所產生經加工而成的超細礦渣粉，其化學成分見表2。

表2 固化劑化學成分

1.2 試驗方法

1)底泥風干。在試驗前將底泥自然風干，用橡膠榔頭擊碎，過篩清除泥土中的雜質，密封備用。

2)固化劑拌和。按設計配比稱取干土、水泥、礦渣、生石灰和沸石，置于配樣桶中，充分混合。然后按照含水量50%摻水，攪拌均勻后分3層裝入內徑為45 mm、高100 mm的特制模具內(內壁涂一層薄層凡士林)制成試樣。

3)養護。用聚乙烯塑料袋包裹并置于溫度(20±2)℃、濕度大于95%的養護箱中養護24 h后脫模，脫模后將試樣放入自封袋密封，繼續在養護箱中養護至試驗齡期。

4)強度試驗。進行無側限抗壓強度試驗(強度測試方法參見ASTM D2166-06)，記錄試驗過程中固化底泥的應力—應變關系。控制軸向應變速率為1%/min。所有測試結果均取三個平行試樣的平均值。試驗方案見表3。

表3 試驗方案

2 試驗結果

2.1 應力—應變關系

1)水泥摻入量對應力—應變關系的影響。圖1分別為齡期7 d，14 d，28 d，60 d時不同水泥摻量下固化底泥的應力—應變關系曲線。由圖1可知，應力—應變關系曲線全過程大致可以分為3個階段:第一階段是近似直線的上升階段，第二階段是非線性增長階段，此時應力隨應變增長的速度較第一階段明顯變緩，第三階段即到達峰值后的陡降階段。當養護齡期較短時(7 d～28 d)，水泥摻入量在18%時，固化底泥試樣呈現出塑性破壞的特征。隨著水泥摻入量的增加，固化底泥由塑性破壞特征逐漸過渡到脆性破壞特征。

圖1 不同水泥摻量固化底泥的應力—應變關系

在相同水泥摻入量下，隨著齡期的增長，應力—應變曲線越陡，破壞應變越小。當養護齡期為7 d時，低水泥摻入量(18%，24%)的固化底泥表現為塑性破壞，高水泥摻入量(30%，36%)的固化底泥表現為脆性破壞。當養護齡期為14 d，28 d，水泥摻量為18%時，固化土呈現塑性破壞的特征，其余水泥摻入量的固化底泥呈現為脆性破壞。養護齡期達到60 d時，固化底泥均呈現為脆性破壞。隨著養護齡期的增長，固化底泥的破壞應變減小，由塑性破壞特征逐步轉變為脆性破壞特征。

2)礦渣摻量對固化底泥應力—應變關系的影響。圖2為不同礦渣摻量下固化底泥的應力—應變關系曲線。由圖2可知，應力—應變關系曲線全過程同樣可以分為3個階段。固化底泥摻加礦渣后，均呈現出脆性破壞的特征。在相同礦渣摻入量下，齡期越長，應力—應變曲線越陡。

圖2 不同礦渣摻量固化底泥的應力—應變關系

2.2 破壞應變

破壞應變εf是應力—應變關系曲線上與極限抗壓強度對應的應變值，它是衡量材料脆性或韌性的一個重要指標。

圖3為破壞應變隨水泥摻量的變化規律。由圖3可知，隨著水泥摻量的增加，固化底泥的破壞應力越大，所對應的破壞應變越小。相同水泥摻入量下，齡期越長，破壞應變越小。當養護齡期為7 d時，隨著水泥摻量的變化，破壞應變在1.2%～2.3%之間，表現為塑性破壞。當養護齡期為14 d，28 d，60 d，水泥摻量較小時，破壞應變較大，此時為塑性破壞，養護齡期達到90 d時，破壞應變低于1.0%，此時屬于脆性破壞。

圖3 破壞應變與水泥摻量關系曲線（礦渣摻量16%）

圖4 破壞應變與礦渣摻入量關系曲線（水泥摻量24%）

圖4 為破壞應變隨礦渣摻入量和齡期的變化規律。由圖4可知:隨著礦渣摻量的增加，固化底泥的破壞應力增大，而破壞應變減小。當養護齡期為7 d時，隨著礦渣摻量的變化，破壞應變在1.5%～2.0%之間。當養護齡期為14 d，28 d，60 d時，隨著礦渣摻量的增加，破壞應變均小于1.5%。此時屬于脆性破壞。這說明，隨著礦渣摻入量的增加及養護齡期的延長，固化底泥的破壞應變減小，呈現出脆性破壞特征。

3 結語

本文研究了水泥摻量、礦渣摻量及齡期對固化底泥應力—應變關系的影響規律，得到以下主要結論:

1)固化底泥的應力—應變關系隨著水泥摻量的增加，其變形特性由塑性破壞特征逐漸轉變為脆性破壞特征。摻加礦渣后，固化底泥的應力—應變關系均呈現脆性破壞的特征。礦渣摻量越高，應力—應變關系曲線越陡。

2)隨著養護齡期增加，未摻加礦渣的固化底泥應力—應變關系逐漸由塑性破壞特征轉變為脆性破壞特征。摻加礦渣的底泥，隨著養護齡期的增長，應力—應變關系曲線變陡。

3)固化底泥的破壞應變隨著水泥摻量、礦渣摻量的增加、養護齡期的增長而減小。破壞應力越大，破壞應變越小。

［1］王月香.污泥的固化穩定化技術綜述［J］.四川建筑科學研究，2011，37(5):206-210.

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［6］張春雷，朱 偉，李 磊，等.湖泊疏浚泥固化筑堤現場試驗研究［J］.中國港灣建設，2007(1):27-29.

［7］荀 勇.含工業廢料的水泥系固化劑加固軟土試驗研究［J］.巖土工程學報，2000，22(2):210-213.

［8］周承剛，高俊良.水泥土強度的影響因素［J］.煤田地質與勘探，2001，29(1):45-48.

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Experimental study of stress-strain properties of slag and cement solidified sludge

Tao Zijian1Meng Qiang2Jin Hongyuan2*
(1.High School Affiliated to Shanghai Normal University(Minhang Branch)，Shanghai 201112，China; 2.School of Environment and Architectural，University of Shanghai for Science＆Technology，Shanghai 200093，China)

This paper present a study on unconfined compressive deformation properties of sludge solidified by cement as the main agent and slag as subsidiarity additive.Results of the test show that the failure strain decreases from 0.4%to 2.3%.With the increased dosage of cement，and declines from 0.6%to 2.0%with the variation of slag.The stabilized soil changes plastic collapse into a brittle failure and reduces the strain at failure with the increase of curing time，cement and slag content.

sludge，riverway，cement，slag，curing agent

1009-6825(2016)36-0091-03

TV143

:A

2016-10-17

陶子健(1999-)，男，在讀學生通訊作者:靳宏圓(1993-)，男，在讀碩士