MgO改性淤泥固化土壓縮特性試驗

王宏偉，王東星, 2，賀揚

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MgO改性淤泥固化土壓縮特性試驗

王宏偉1，王東星1, 2，賀揚1

(1. 武漢大學土木建筑工程學院，巖土與結構工程安全湖北省重點實驗室，湖北武漢，430072；2. 中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州，221008)

將低碳、環保的活性MgO引入淤泥固化處理，通過一維壓縮固結試驗開展系列探索性研究。對不同MgO摻量和不同養護齡期的淤泥固化土進行分析。研究結果表明：入摻活性MgO對淤泥固化土的壓縮特性具有明顯改良作用。隨著MgO摻量和養護齡期增加，淤泥固化土壓縮性呈逐漸減小趨勢，而固結屈服應力逐漸增大；對于所研究淤泥，當MgO摻量為6%時，淤泥壓縮性發生突變，由高壓縮性土體演變為低壓縮性土體。從壓縮模量角度研究固化淤泥壓縮性狀，發現壓縮模量隨應力演化過程受MgO摻量等因素影響；當MgO摻量達到6%左右時，模量?應力關系曲線出現明顯峰值現象；這種現象與土體結構性的形成密切相關，且該發現與淤泥壓縮性分析結果相吻合；峰值模量與壓縮指數變化趨勢大致服從冪函數關系模型。

活性MgO；固化淤泥；壓縮特性；壓縮模量；屈服應力

目前，在我國河道、湖泊等疏浚工程及港口建設過程中都會產生大量疏浚淤泥，據有關部門統計，廣州市河道淤泥年均清出量有100萬m3，武漢市東湖通道工程淤泥總處理量達82.5萬m2，江蘇太湖生態清淤工程5年共清理淤泥3 541萬m3。因此，如何采取合理、有效、環保的方法處理如此大量的廢棄淤泥已成為環保工程重要問題。傳統海洋傾倒、陸地吹填等處理方法存在污染環境、耗時長、成本高等系列問題。采用固化穩定化技術，可有效實現淤泥資源化利用，不但具有成本低、效率高、污染小等優點，而且固化后淤泥土可作為工程用土循環利用，且已受到國內外眾多學者的廣泛關注[1?3]。固化穩定化技術被美國國家環保總局確認為可有效處理57種有害廢棄物的最佳處理技術[4]。將廢棄淤泥進行固化處理作為工程建筑材料，既符合當今世界可持續發展理念，又可解決工程用土需求、淤泥堆積占地污染等環境問題。國內外許多學者對淤泥固化處理技術開展了系統深入的研究，取得了系列研究成果。黃英豪等[5]研究了初始含水率、水泥添加量和養護齡期等因素對水泥固化淤泥壓縮特性的影響。丁建文等[6]通過壓縮試驗，研究了高含水率疏浚淤泥固化土的壓縮性狀，探討了固化劑摻量、初始含水率和養護齡期等對固化土壓縮變形特性和結構屈服應力的影響。丁建文等[7]利用水泥?磷石膏雙摻固化處理高含水率淤泥，研究了磷石膏摻量、養護齡期和初始含水率對固化淤泥土壓縮變形特性的影響。魏明俐等[8]利用壓縮試驗對不同水泥摻量、不同鋅離子濃度的水泥固化污染土壓縮特性開展研究，探索了水泥固化鋅污染土的固結屈服應力和壓縮指數的變化。RAO等[9]從顆粒黏結強度形成的角度，分析了石灰固化黏土的壓縮特性，發現入摻石灰可使固化黏土屈服強度達到3.9~5.2 MPa。MOGHAL等[10]研究了快速加載方式對石灰固化土壓縮性的影響，觀察到石灰摻入對土體壓縮性具有顯著影響，且最終孔隙比隨著荷載持時的延長而增加。分析上述文獻可發現：前人研究主要利用石灰、水泥和粉煤灰等傳統固化材料，進行粉土和黏土等不同類型土體的壓縮性改良，而利用活性MgO等新興綠色材料改良淤泥性能等方面的研究則明顯較少。相比水泥等傳統固化材料，活性MgO具有以下優點：活性MgO的生產溫度通常低于900 ℃(約700 ℃)，遠低于硅酸鹽水泥的生產溫度(約1 450 ℃)，可有效減少能源消耗、減少CO2排放和降低環境污染[11?12]。因此，研究更加低碳、節能、環保的新型固化劑替代或部分替代硅酸鹽水泥，是可持續發展理念下的環境巖土工程研究熱點。近幾年，活性氧化鎂作為一種相對環保、低碳材料，開始受到國內外研究人員的逐漸關注。劉松玉等[13?14]將MgO用于加固粉土和黏土等地基土體，取得了豐富的研究成果。然而，整體上國內相關研究尚處于起步階段，尤其將活性MgO用于淤泥性質改良，目前尚未發現相關研究數據和報道。本文作者采用高活性MgO作為固化材料，開展MgO改性淤泥固化土壓縮試驗研究，結合MgO遇水反應微觀機理，分析MgO摻量和養護齡期等因素影響下淤泥固化土的壓縮特性，探索屈服應力、屈服前后壓縮指數等參數的變化規律，嘗試從壓縮模量角度分析MgO固化淤泥土的壓縮行為，揭示新興固化劑MgO改良淤泥壓縮特性的內在機制。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥取自武漢東湖通道穿湖隧道淤泥疏浚工程，臨時堆積于湖內場地且經過長時間天然晾曬而導致淤泥初始含水率較低。由于其本身物質組成等方面特殊性，為區別于一般土體，本文仍應稱之為淤泥。將取回的土樣烘干、粉碎并過篩，以去除土中雜質并確保所研究試樣顆粒粒度均勻。所研究淤泥的基本物理性質如表1所示，顆粒級配曲線如圖1所示。試驗結果表明：淤泥初始含水率為40%，遠低于液限；黏粒質量分數為18%，粉粒質量分數為45%；淤泥液限(質量分數)為54.9%，塑性指數(質量分數)為24.9%；比重為2.66；試樣最優含水率(質量分數)為24.4%，最大干密度為1.543 g/cm3。根據土的分類標準，該土屬于高液限粉土(MH)。

所用活性MgO購買自某鎂業有限公司，MgO純度達97%以上，吸碘值為110，屬于高活性氧化鎂。活性MgO和含水淤泥一起均勻拌合，部分水分吸附在MgO表面并擴散至多孔MgO顆粒的內部，與MgO發生水化反應生成Mg(OH)2(式(1))，Mg(OH)2具有弱黏結性，飽和沉淀后引起土顆粒發生團聚等現象，且水解后生成的Mg2+會與黏土顆粒中的低價陽離子發生離子交換反應，導致土顆粒發生凝聚反應形成土團等整體，從而使強度有所提高。此外，MgO材料中還含有少量CaO，SiO2和Al2O3等雜質，它們能夠與土體孔隙水發生火山灰反應，生成水化硅酸鈣(CSH)和水化鋁酸鈣(CAH)等膠體，從而填充和凝聚土顆粒，對土體強度的提高起輔助作用[15]。

表1 試驗用土基本物理特性

注：1) 土粒比重指土顆粒的質量與4℃蒸餾水質量的 比值。

圖1 東湖淤泥顆粒級配曲線

1.2 試驗方法

實驗開始前，應先將現場取回淤泥經晾曬、烘干，之后用橡皮錘粉碎后過孔徑為2 mm篩，將過篩試樣與水均勻混合至40%含水率，在塑料袋中密封放置用于后續制樣。結合已有研究，將活性MgO摻量分別設計為0，3%，6%和9%，摻量定義為MgO干粉質量與淤泥干土質量之比。詳細混合料配比如表2所示。

試驗過程中，稱取一定量濕土后，將MgO與濕土均勻拌合，養護10 min，制備MgO淤泥混合料所需壓縮試驗試樣，共需制備24個試樣。根據JTGE40—2007“公路土工試驗規程”[16]，壓縮固結試驗用環刀(規格為61.8 mm×20 mm)采用 “擊樣法”制樣，將制備好試樣用塑料保鮮膜包裹密封，編號、記錄和稱量后立即放入標準養護箱養護至設計齡期。養護齡期為7，14和28 d，養護條件為恒溫恒濕，即溫度為(20±1)℃，濕度為98%±1%。值得注意的是，每組試樣須制備2個平行試樣，取其平均值作為代表性結果。由于試驗研究的MgO改性固化土設定的齡期為7，14和28 d，采用常規固結方法加載周期太長將導致實際齡期與設定齡期不符合。為避免試驗過程中加載時間過長引起試樣性質發生劇變，研究將采用JTG E40—2007“公路土工試驗規程”[16]中的快速固結試驗方法，即每級荷載作用時間為1 h，該方法已被部分研究人員[16?17]所采用。試驗采用YS系列高壓固結儀，加載等級為12.5，25，50，100，200，400，800，1 600和3 200 kPa共9個荷載水平。

表2 試驗方案

2 結果及分析

2.1 淤泥固化土壓縮特性概述

由于每組試驗2個平行樣的壓縮試驗結果非常一致，為了清晰地展示MgO淤泥固化土孔隙比隨豎向固結壓力變化的關系，每組試樣僅繪制其中1條試樣壓縮曲線作為代表曲線。各組試樣初始孔隙比見表3。

表3 不同MgO摻量和養護齡期下淤泥試樣初始孔隙比e0

經分析可知：隨著MgO摻量的增加，淤泥固化土的初始孔隙比呈逐漸減小的趨勢，但養護齡期對初始孔隙比影響并不大，未發現明顯規律。圖2所示為不同養護齡期時，不同MgO摻量下淤泥固化土的圧縮曲線。養護齡期和MgO摻量的變化，引起試樣初始孔隙比不斷改變，進而引起各壓縮曲線位置和性狀的演化。

壓縮系數是表征土的壓縮性常用的指標之一，通常采用100~200 kPa壓力范圍內的壓縮系數1-2表示土的壓縮性[18]。圖3所示為1-2隨MgO摻量、養護齡期等因素的變化過程。經分析可發現：未固化淤泥土的壓縮系數1-2＞0.5 MPa?1，屬于高壓縮性土；摻入3%活性MgO改性淤泥土壓縮系數明顯減小至0.25左右。當MgO摻量達到6%時，淤泥固化土演變為低壓縮性土，這充分表明高活性MgO對固化淤泥壓縮特性具有明顯改良作用。由圖3可知：同一養護齡期下壓縮系數隨MgO摻量的增加而逐漸減小，并趨于一個穩定值；其關系曲線存在1個明顯拐點，此時對應MgO摻量為6%。在相同MgO摻量下，改性淤泥固化土的壓縮系數隨養護齡期增加略有減小，但差別不大，這說明養護齡期對淤泥固化土壓縮系數的影響不大。

養護齡期/d：(a) 7；(b) 14；(c) 28

MgO摻量/%：1—0；2—3；3—6；4—9。

圖2 MgO固化淤泥土壓縮曲線

Fig. 2 Compression curves of MgO-solidified sludge

(a) 壓縮系數隨MgO摻量變化曲線；(b) 壓縮系數隨養護齡期變化曲線

養護齡期/d：1—7；2—14；3—28

MgO摻量/%：4—0；5—3；6—6；7—9。

圖3 壓縮系數隨MgO摻量和養護齡期變化曲線

Fig. 3 Variation of compression coefficient with MgO content and curing times

2.2 MgO摻量和養護齡期對壓縮指數和屈服應力影響

綜合上述分析可知：活性MgO摻量和養護齡期對淤泥固化土壓縮性質起著重要作用。本研究采用BUTTERFIELD[19]提出的雙對數法(ln(1+)?lg)，以確定淤泥固化土的屈服應力。圖4所示為不同養護齡期對應不同MgO摻量下固化淤泥的雙對數壓縮曲線。從圖4可發現：添加MgO后淤泥固化土的壓縮曲線有逐漸向右平移的趨勢，初始孔隙比減少導致壓縮曲線位置逐漸下降；屈服前的壓縮曲線較為平緩，而屈服后圧縮曲線由于化學膠結形成的結構性遭到破壞而發生陡降現象。

圖5所示為不同MgO摻量下淤泥固化土的固結屈服應力和壓縮指數隨MgO摻量變化曲線。箭頭指示該曲線對應的豎向坐標軸。在?lg坐標系中，將屈服前和屈服后直線段斜率定義為屈服前后的壓縮指數，分別用s和c表示。經分析可知：淤泥固化土固結屈服應力隨MgO摻量的增加而逐漸增大，即MgO摻量越高，淤泥固化后的屈服強度也越高。值得注意的是，當MgO摻量為0%時，未固化淤泥表現出似屈服特性，這主要由制樣時原料含水狀態和壓實功誘發顆粒擠密而導致，并非由于顆粒間黏結效應引起的。這就是說，對于MgO固化淤泥土，計算所得屈服應力除受MgO摻量和養護齡期等因素誘發顆粒間化學膠結作用之外，還受到試樣含水狀態和壓實功等其他因素所影響。

養護齡期/d：(a) 7；(b) 14；(c) 28

養護齡期/d：(a) 7；(b) 14；(c) 28

總體而言，不同配比、不同齡期影響下淤泥固化土的s均較小，且隨著MgO摻量增加s呈逐漸減小的趨勢。未固化淤泥的s為0.071，而3%MgO摻量對應s為0.03，約為前者的50%，這說明高活性MgO的摻入使得固化淤泥未屈服階段的壓縮性顯著減小。然而，隨著應力水平增加，固化土體發生屈服破壞，試樣壓縮性發生突變。每種配比在不同齡期下的c較之s都明顯增大，且隨著MgO摻量的增加c整體上呈現逐漸減小趨勢。

活性MgO改性淤泥固化土內在機理，主要是由MgO與淤泥中自由水發生系列物理化學反應，而這種反應與時間因素有關。這就是說，養護時間對MgO固化淤泥土的強度起著至關重要的作用。圖6所示為不同MgO摻量時，不同養護齡期對應固化淤泥土的雙對數壓縮曲線；圖7所示為不同MgO摻量時，不同養護齡期下對應固結屈服應力和壓縮指數的變化曲線。由圖6和圖7可知：養護齡期變化對屈服前淤泥固化土的壓縮性s影響不大，但屈服后養護齡期較長的固化淤泥壓縮曲線位于偏右上方。曲線位置的變化將直接導致固結屈服應力發生變化。經分析可知：MgO改性淤泥固化土的固結屈服應力隨養護齡期的增加而不斷增大，即養護齡期越大，高活性MgO固化淤泥的屈服強度也越高。不同養護齡期對應的s變化范圍很小，且明顯小于c，而c隨養護齡期變化同樣也不大。

MgO摻量/%：(a) 3；(b) 6；(c) 9

2.3 壓縮模量的應力依賴性探討

壓縮模量s是評價土體壓縮特性的重要指標，為土在完全側限條件下豎向附加應力與相應應變增量的比值。本文嘗試從壓縮模量角度分析淤泥固化土壓縮特性，試圖開展初步探索。圖8所示為MgO固化淤泥土在7，14和28 d時壓縮模量隨荷載變化關系曲線。經分析可知：MgO摻量為6%和9%時，固化淤泥土壓縮模量與荷載變化曲線在7，14和28 d不同養護齡期時均表現出明顯的“峰值”現象。文中將該峰值定義為“峰值模量”，用sp表示(圖8(d))，則s?曲線相應地被分為2個階段，即峰值前上升階段和峰值后下降階段。

MgO摻量/%：(a) 3；(b) 6；(c) 9

峰值前上升階段：在達到峰值模量之前，壓縮模量s快速增長直至峰值模量sp。以圖8(d)中試樣(9%MgO，養護14 d)為例，固化土壓縮模量從初始值3.2 MPa迅速增大到峰值79.0 MPa。這主要是由于活性MgO摻入淤泥土后發生一系列物理化學反應而形成膠結物質，將細粒土顆粒連接在一起進而產生一定的結構性。當荷載小于土體結構屈服應力時，固化淤泥土的結構性保持較好，且荷載的施加使土顆粒間擠密或發生顆粒重排，土體微觀結構變得更為致密，引起固化土壓縮模量增加。

峰值后下降階段：在達到峰值模量后，壓縮模量出現快速或緩慢降低階段。圖8(d)表明所取代表試樣的壓縮模量從峰值79.0 MPa迅速下降到38.8 MPa，降低速度較快。這是荷載達到結構屈服應力后，固化淤泥土的結構強度遭到破壞，土體變形突然急劇增大而引起的。

值得注意的是，MgO摻量為0%和3%時，壓縮模量隨荷載變化曲線在7，14和28 d齡期時均未表現出明顯的“峰值”現象，整體上表現為壓縮模量s隨荷載增加而逐漸增大。該結果與入摻6%和9% MgO固化淤泥土所表現出的模量?應力關系曲線變化規律不同。究其原因，主要是高MgO摻量時化學反應生成的膠結產物黏結細粒土，從而表現出明顯的結構性；未固化淤泥或MgO摻量較低時，土顆粒黏結強度較弱從而未形成明顯的結構性，其表觀屈服強度的形成主要是由于制樣時壓實功和低含水狀態等共同決定的。在整個壓縮階段，低MgO摻量固化淤泥和未固化淤泥的壓縮模量s隨荷載水平增加而持續增加，直至趨向于高MgO固化淤泥的模量?應力關系曲線。這個過程與孔隙壓縮、顆粒變形和顆粒重新排列等因素密切相關，而無化學膠結或化學膠結較弱情況下顆粒重新排列擠密效應是誘發壓縮模量持續增長的主要原因。

(a) 7 d；(b) 14 d；(c) 28 d；(d) 典型試樣的Es?p曲線

針對低MgO摻量(0%，3%)無“峰值模量”，而高MgO摻量(6%，9%)出現“峰值模量”，上述分析深入揭示了這種現象出現的本質原因。這充分說明MgO摻量對MgO固化淤泥結構性的形成有很大影響，這直接影響固化淤泥土模量?應力曲線是否出現峰值模量現象。本研究顯示：只有MgO摻量達到6%左右時，經化學反應生成膠結物質誘發的結構性才能明顯起作用，該發現與圖3中MgO摻量達到6%時，淤泥由高壓縮性土體演變為低壓縮性土體的分析結果相吻合。值得注意的是，淤泥固化過程是非常復雜的系統工程，其試驗結果與固化劑摻量、養護齡期、土體性質和溫度效應等因素密切相關。

圖9 不同MgO摻量和不同養護齡期時固化淤泥峰值模量

圖9所示為不同MgO摻量和養護齡期影響下的峰值模量。由圖9可知：0%和3%MgO淤泥固化土并無峰值模量；6%MgO固化淤泥峰值模量達到28.5~31.9 MPa，受養護齡期影響較小；9%MgO固化淤泥峰值模量達到49.8~79.7 MPa，14 d和28 d齡期對應峰值模量明顯大于7 d齡期對應模量。

圖10所示為峰值模量sp與對應壓縮指數c的關系。圖10顯示：峰值模量隨壓縮指數增大而大致呈現遞減變化趨勢，二者的擬合曲線關系式為

3 結論

1) 活性MgO的摻入對改性固化淤泥土的壓縮性有明顯改良作用。隨著MgO摻量的增加、養護齡期的延長，固化淤泥土的壓縮性和初始孔隙比呈減小趨勢，且其固結屈服應力逐漸增大。

2) 淤泥固化土屈服后壓縮指數出現突變現象，遠大于屈服前壓縮指數；隨著MgO摻量的增加c呈現減小趨勢，而養護齡期對c影響較小。對于所研究淤泥，MgO摻量為6%時，淤泥壓縮性突變，由高壓縮性土體演變為低壓縮性土體。

3) MgO固化淤泥壓縮模量?應力關系曲線揭示了土體結構性形成與MgO摻量等因素相關。MgO摻量直接影響固化淤泥模量?應力關系曲線形態，進而影響峰值模量現象發生與否。若MgO摻量達到6%左右，可觀察到明顯峰值模量現象，這與MgO固化淤泥壓縮性變化規律相吻合。

4) 峰值模量水平受MgO摻量影響較大，而養護齡期對峰值模量影響程度與MgO摻量水平密切相關；峰值模量隨壓縮指數變化趨勢大致服從冪函數關系模型。

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(編輯 陳愛華)

Experimental study on compressibility behavior of solidified dredged sludge with reactive MgO

WANG Hongwei1, WANG Dongxing1, 2, HE Yang1

(1. Hubei Key Laboratory of Safety for Geotechnical and Structural Engineering,School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. State Key Laboratory for GeoMechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China)

The experimental study was performed by using 1-D consolidation test on the dredged materials solidified with reactive MgO, an environmental-friendly and low carbon binder. MgO-solidified sludges with different MgO contents and curing times were analysied. The results show that the addition of MgO has an important influence on the compressibility behavior of solidified sludge. The compressibility of MgO-solidified sludge tends to decrease with curing time and MgO content, while the yielding stress increases gradually. When MgO amount increases to 6% of dry soil mass, the compressibility of solidified sludge changes significantly, from high compressible soil to low compressible soil. Based on the concept of compression modulus, it can be found that the compression modulus against consolidation stress curves are significantly affected by MgO content, and the peak modulus appears once the MgO content reaches around 6%. Whether the phenomenon of peak modulus occurs is closely related with the formation of soil structure owing to the chemical bonding, and this finding agrees well with the variation of compressibility with MgO content. Finally, the result suggests that the peak modulus tends to change with compression index with a power function model.

reactive magnesia; solidified sludge; compressibility; compression modulus; yielding stress

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.022

TU411.5

A

1672?7207(2017)08?2133?09

2016?12?20；

2017?03?05

國家自然科學基金資助項目(51609180);湖北省自然科學基金資助項目(2016CFB115);深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室開放基金資助項目(SKLGDUEK1506);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2042016kf0048)(Project(51609180) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016CFB115) supported by Hubei Provincial Natural Science Foundation of China; Project(SKLGDUEK1506) supported by State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining & Technology; Project(2042016kf0048) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

王東星，博士，副教授，從事淤/污泥處置、污染土修復和軟基處理等環境巖土工程研究；E-mail：dongxing-wang@whu.edu.cn