有機質對水泥固化淤泥強度的影響

鄭 少 輝

(福建省建筑工程質量檢測中心有限公司，福建 福州 350028)

有機質對水泥固化淤泥強度的影響

鄭 少 輝

(福建省建筑工程質量檢測中心有限公司，福建 福州 350028)

通過制作水泥固化有機質淤泥和非有機質淤泥試樣，在不同養護溫度下的恒溫水箱中養護至不同齡期后，開展無側限抗壓試驗，研究了有機質和養護溫度對水泥固化淤泥強度的影響，并對其內在影響機理進行了分析。

水泥固化淤泥,有機質,養護溫度,內在機理

0 引言

隨著國內外港口建設、湖泊清淤等工程的發展，采用水泥固化淤泥技術已經得到廣泛的應用[1]。土中有機質的存在會對水泥固化淤泥強度造成很大的影響。目前，已有大量學者研究了有機質對水泥固化淤泥強度發展的影響。劉叔灼等[2]通過調配不同有機質含量的兩種淤泥土樣，開展大量的室內試驗，發現水泥土強度隨著有機質含量的增加而降低，并提出了“有機質軟化含量”概念。焦志斌等[3]對水泥加固有機質含量較高的淤泥質酸性土進行研究，得出結論：水泥固化淤泥質酸性土的前期強度增長較快，晚期強度增加則緩慢，一般選取28 d強度作為水泥固化黑土的設計值。然而，上述研究并未從有機質對水泥固化淤泥強度影響的內在機理進行分析。

本文通過大量的室內試驗，測定水泥固化有機質淤泥在不同養護溫度下的強度發展指標，引入既有文獻的相關數據，進一步說明有機質對水泥固化淤泥強度發展的影響，初步分析了有機質對其強度影響的內在機理。

1 材料物理參數及室內試驗

試驗所用土樣取自武漢某湖泊沉積淤泥質黏土，其基本物理性質指標見表1。將有機質通過550 ℃燒失量法燒去后，得到不含有機質的淤泥土。對比兩者可發現，有機質對黏土的基本物理性質有顯著影響，當黏土中存在較高含量的有機質，土的液限、塑限均會大幅增加。

表1 黏土基本物理性質指標

將上述兩種土樣按一定配合比(水泥劑量Aw為25%，含水率

W為200%)制作成水泥固化土試樣，每組制作3個試樣，共36組試樣，制作過程如下，其中水泥采用標號為425的普通硅酸鹽水泥：將淤泥—水—水泥按照一定的配合比混合，并放入攪拌機攪拌均勻后，分層裝入圓柱形PVC試模(尺寸為內徑50 mm×高100 mm)，震蕩均勻；待試樣成型后，將試樣裝入密封袋中，并分別放入溫度為20 ℃，40 ℃和60 ℃的恒溫水槽中養護；養護至規定齡期(2 d，3 d，7 d，14 d，28 d和56 d)后，進行無側限抗壓試驗。試樣破壞為剪切破壞。取1組3個試樣的平均值作為該工況下的強度值。

2 試驗結果分析

2.1 水泥固化非有機質土的強度發展

圖1為水泥固化非有機質土強度在不同養護溫度條件下(20 ℃，40 ℃和60 ℃)的發展過程圖。由圖1可知，水泥固化淤泥試樣的強度隨養護時間的增加而增大，并且強度增長速率在試樣的養護初期比較明顯，隨著齡期的增加其增長速率逐漸變緩；養護溫度越高，水泥固化淤泥試樣的強度明顯越高，其56 d強度在60 ℃條件下的強度比20 ℃條件下提高了34.9%。

2.2 水泥固化有機質淤泥的強度發展

圖2為水泥固化有機質淤泥強度在不同養護溫度條件下(20 ℃，40 ℃和60 ℃)的發展過程圖。由圖2可知，水泥固化有機質淤泥的早期強度隨著養護溫度的增加而減小，以2 d養護齡期為例，20 ℃，40 ℃和60 ℃養護溫度下的水泥固化有機質淤泥強度分別為41 kPa，39 kPa和32 kPa。與圖1中的水泥固化非有機質淤泥對比，其2 d養護齡期下的強度分別為93 kPa，142 kPa和188 kPa，其前期強度隨著養護溫度的升高而明顯增加。對比可以發現，提高養護溫度會降低水泥固化有機質淤泥的早期強度。20 ℃養護溫度條件下，養護初期水泥固化有機質淤泥強度隨著養護齡期的增加而增加，然而到了養護后期其強度趨于平緩，甚至出現強度減小回降的現象；60 ℃養護溫度條件下，雖然水泥固化有機質淤泥的初期強度會比低養護溫度下的強度小，當其養護齡期到達某一值(t0)時，強度會大幅度增加，呈現一種陡增的現象，14 d強度比7 d強度提高了224%，該現象在40 ℃養護溫度下也同樣會出現，只是增加的幅度比較小，14 d強度比28 d強度提高了60%，且出現變化的齡期t0也比較長。

對比圖1和圖2可知，水泥固化有機質淤泥的強度明顯比非有機質土的強度低，土中有機質的存在會極大程度上抑制水泥固化土強度的發展。

2.3 更高有機質含量對水泥固化淤泥的影響

為更好的分析土中有機質對水泥固化黏土強度的影響規律，引入文獻[4]中水泥固化有機質淤泥在不同養護溫度條件下強度發展的試驗數據，材料參數如表2所示。

表2 既有文獻相關參數

圖3為文獻[4]中兩種水泥固化有機質黏土試樣在不同養護溫度條件下強度發展曲線。由圖3可知，水泥固化有機質黏土的強度發展沒有明顯的規律；整體上說，高溫養護條件下水泥固化有機質黏土的強度變化趨勢較低溫養護的平緩；水泥固化有機質黏土的強度隨著養護溫度的升高而減小，20 ℃養護條件下的強度比60 ℃的大約提高了1倍～2倍。這表明，土中有機質對水泥固化黏土的強度發展有顯著影響，使得其強度隨溫度的發展規律與水泥固化淤泥的截然不同。

綜上所述，土中有機質的存在對水泥固化淤泥的強度有顯著影響，其影響規律對不同類型的土樣也是各不相同的，但總體上起到了抑制水泥固化土強度增加的作用，且隨著養護溫度的增加，其抑制效果更明顯。

3 有機質對水泥固化淤泥影響機理

土中有機質的成分主要包括富里酸、胡敏酸和胡敏素[5]。其中，富里酸擁有極其復雜的分子成分，可以溶解于酸性和堿性溶液中，具有多價酸根，是無定形膠體物質，其與礦物金屬離子結合形成的一、二、三價鹽類均能溶于水，且具有還原和絡合能力，能與多價陽離子形成具有很強吸附性的絡合物。胡敏酸是可以溶解于堿性溶液而不溶解于酸性溶液的高分子化合物，具有多價酸根，其與一價陽離子形成的鹽類易溶于水，二價鹽類難溶于水，三價鹽類不溶于水。胡敏素既不溶于酸，又不溶于堿，化學性質穩定，對水泥固化淤泥強度的形成和發展幾乎沒有影響。

初步分析有機質對水泥固化淤泥強度影響主要表現在以下三個方面：

1)富里酸的影響。翟瑩雪[6]假定富里酸可以為二元弱酸H2A，得出的滴定曲線可以很好地用該二元弱酸表征。同樣，在富里酸溶液中加入Ca2+后，各離子或者基團發生以下反應：

qCa2++2HqAr?CaqA2r+2qH+

2rA-+qCa2+?CaqA2r

HqAr?qH++rA-

由以上化學反應式可看出，大量的H+被置換出來，且由于水泥水化產生大量的Ca(OH)2，電離形成的OH-與被置換出來的H+反應，H+濃度降低，上述的可逆反應向正反應進行，土中孔隙水的pH值降低。

另外，富里酸中含有大量的羧基、酚羥基、醇羥基和酮基，這些官能團的解離與溶液中的pH值有很大的關系。一般水泥固化淤泥中孔隙水的pH達到10～12。在高pH環境下，富里酸的酸性官能團(羧基、酚羥基和醇羥基)上的H+會逐漸解離，形成酸性基團(An-)，與溶液中的Ca2+絡合形成絡合物。富里酸在水泥固化淤泥中，pH和Ca2+濃度均較高，大量的Ca2+會被富吸附形成吸附層，嚴重阻礙了水化反應的進一步進行。水泥水化反應產物C-S-H和C-A-H同樣受富里酸的影響，富里酸的分解作用導致水泥固化淤泥的結構受到破壞，強度降低。

2)胡敏酸的影響。在水泥水化體系中，胡敏酸僅對鈣離子具有敏感性。楊亞提等[7]通過滴定試驗，發現胡敏酸(HA)為一種多元酸或混合酸，當供試HA(黑壚土)由兩種一元酸組成時，胡敏酸的解離程度隨pH的增加而大幅度增加。水泥固化淤泥由于水泥的水化反應使得溶液呈堿性，在此環境下胡敏酸會大幅度解離，并與Ca2+反應產生難溶于水的二價鹽分布在黏土顆粒孔隙中，對土體結構的形成起到一定的作用。同時，由于胡敏酸存在更多的官能團，所以具備更強的交換能力。研究表明，胡敏酸在pH>5.0時羧基開始解離；當pH>6.0時，羧基已全部解離，較弱解離性酸基開始解離；pH>10時，酚羥基開始解離。胡敏酸與Ca2+的反應具備“兩相反應”的特點，即反應不僅涉及表明結合位點與離子的反應，還包括金屬離子擴散進入胡敏酸內部并與內部結合位點的反應。“兩相反應”是胡敏酸—鈣形成的重要反應機制，不僅需要更多的Ca2+參與反應，還能生成更穩定的絡合物。因此，在水泥固化淤泥中，由于pH較高(一般大于10)，胡敏酸能與更多的Ca2+反應生成絡合物，延緩水泥水化的進程。

3)內部微觀結構特征。有機質的顆粒一般較小(比大多數黏土礦物顆粒小)，分子結構呈絮狀結構，顆粒間會互相吸引而聯結形成簇團。有機質的上述結構特性決定了其持水性和吸附性都很強，當采用水泥固化高有機質黏土時，有機質顆粒會迅速吸水并吸附于黏土顆粒簇表面，延緩水泥的水化反應，并阻礙水化產物與粘土顆粒間的膠結作用，導致水泥加固土的效果較差，水泥土的強度嚴重降低。

4 結語

本文通過大量的室內試驗，并引入既有文獻中水泥固化有機質淤泥的強度發展數據，分析了有機質對水泥固化淤泥強度發展的影響；從細觀角度分析有機質對水泥固化淤泥強度影響的內在機理。得出的主要結論如下：

1)土中有機質的存在會抑制水泥固化淤泥強度的發展。2)養護溫度對水泥固化無有機質淤泥強度有明顯的影響，養護溫度越高，水泥固化土的強度越高。3)土中有機質對水泥固化淤泥強度影響機理主要表現在富里酸的影響、胡敏酸的影響和內部微觀結構特征的影響。

[1] 朱 偉,張春雷,劉漢龍,等.疏浚泥處理再生資源技術的現狀[J].環境科學與技術,2002,25(4):39-41.

[2] 劉叔灼,巴凌真,楊醫博,等.有機質含量對水泥土強度影響的試驗研究[J].武漢理工大學學報,2009,31(7):40-43.

[3] 焦志斌,劉漢龍,蔡正銀.淤泥質酸性土水泥土強度試驗研究[J].巖土力學,2005,26(sup):57-60.

[4] Francisco G Hernandez-Martinez.Ground improvement of organic soil soils using wet deep soil mixing.Cambrige[D].UK:University of Cambrige,2006.

[5] 腐殖質化學[M].夏榮基,譯.北京:北京農業大學出版社,1994:64.

[6] 翟瑩雪.富里酸與幾種金屬離子的相互作用及影響因素研究[D].重慶:西南農業大學,2003.

[7] 楊亞提,張一平.土壤胡敏酸的解離及其與Cu2+的絡合特征[J].環境科學學報,2001,21(6):731-736.

The influence of organic to the strength development of cement stabilized clay

Zheng Shaohui

(FujianArchitecturalEngineeringQualityInspectionCenter,Fuzhou350028,China)

In this study, several sets of laboratory tests were conducted to acquire the unconfined compressive strengths of cement stabilized organic clay and clay at different curing temperature and curing age. Then, the effects of organic and curing temperature to the strength of cemented clay were investigated, and the internal influence mechanism analysis.

cement stabilized clay, organic, curing temperature, inner mechanisms

1009-6825(2017)20-0088-03

2017-04-19

鄭少輝(1990- )，男，碩士，助理工程師

TU447

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