干濕循環作用下固化淤泥的抗剪強度變化規律

劉文化，舒俊煒，孫秀麗，華淵，李芳菲

(江南大學 環境與土木工程學院， 江蘇 無錫 214122)

中國南方地區水系發達、河道縱橫，近年來，為保障航道暢通及改善內陸河、湖水質，開始有計劃地對城市湖泊、河流進行清淤，產生了大量的疏浚淤泥。據統計，中國每年的淤泥疏浚量在10億m3以上，僅太湖每年的疏浚量就達到400～600萬m3[1]，珠三角地區的年淤泥疏浚量則達8×107m3[2]。疏浚淤泥具有含水率高、強度低、受不同程度污染等特點，難以直接利用。淤泥的無害化處理及資源化利用已成為目前亟待解決的問題。

由于淤泥產量的逐年增加以及受城市土地資源日益緊缺的影響，傳統的海洋傾倒和陸地拋填方法受到越來越多國家的質疑。相反，采用水泥、石灰等固化材料對淤泥進行固化處理的淤泥固化技術因其成本低、效率高等優點而備受推崇。該法已成為目前淤泥處理的主要方法。淤泥固化技術是一項“變廢為寶”的重要舉措，既解決了淤泥處置占用土地和環境污染問題，也為工程建設提供了填料。經固化處理的淤泥可作為堆場圍堰、垃圾填埋場封頂層、路基等的填土材料進行回收利用[3-5]。目前，中國已在深圳、無錫、廣州等多地開展了固化淤泥作為回填材料的示范工程，并取得了較好的效果[6-7]。僅太湖地區就已將180萬m3淤泥進行固化處理并作為無錫市科教產業園的填土材料進行回收利用[8]。

研究者們對固化淤泥進行了大量的研究，研究成果主要集中在固化材料[9-11]、固化機理[12-13]、滲透特性[14]、污染物的穩定性[15]等方面。這些研究成果對固化淤泥技術的大規模應用起到了積極的推動作用。

由于降雨-蒸發、水位升降等原因，固化淤泥構筑的土工結構物在運營過程中不僅受到上覆荷載等機械因素的影響，干濕循環等環境因素也對固化淤泥的力學性能和長期穩定性產生影響，進而改變其工程性質。因此，如何對固化淤泥土工結構物的干濕穩定性進行系統地評價是采用固化淤泥構筑土工結構物時需要解決的問題。對此，少數研究者做了初步的探索，并取得了一些有意義的成果。Yang[16]在研究固化含汞淤泥的干濕耐久性時發現，干濕循環導致固化淤泥強度降低，但隨著固化劑摻量的增加，固化淤泥的干濕穩定性有所改善。李磊等[17]通過在室內采用烘干-浸水方式模擬干濕循環過程，測定了以膨潤土為輔助添加劑的水泥固化淤泥在水分強烈變化條件下的質量、體積及強度等參數，以干濕循環過程中試樣的質量損失率和試樣是否破壞為依據，評價了固化淤泥在干濕循環條件下的穩定性，結果表明，不同水泥和膨潤土摻量下的干濕穩定性存在較大差異。李亞林等[18]采用相同的干濕循環方法模擬干濕交替過程，對生石灰、粉煤灰和氯化鐵混合固化淤泥的干濕循環穩定性進行評價，結果發現，干濕循環后固化淤泥的無側限抗壓強度和抗剪強度均降低20%以上。

上述關于固化淤泥干濕穩定性的研究中，研究者多采用烘干的方式(溫度高于20 ℃)模擬干燥過程，通過對比干濕循環試樣和標準養護(溫度為20 ℃)試樣的無側限抗壓強度、抗剪強度等試驗結果，評價固化淤泥的干濕穩定性。大量試驗表明，水泥、石灰等固化材料的水化反應與溫度密切相關[19-20]，而水化產物是保證固化淤泥工程性質的重要條件。僅通過干濕循環試樣和標準養護試樣試驗結果的對比，難以分離干濕循環過程中溫度的影響，不能有效地反映固化淤泥的干濕穩定性。鑒于此，本文以水泥為固化劑對太湖疏浚淤泥進行固化處理，通過對比標準養護試樣、控制試樣和干濕循環試樣的抗剪強度試驗結果，研究水分強烈變化條件下水泥固化疏浚淤泥的力學特性變化規律，探討干濕循環的影響機理，為系統評價固化淤泥的干濕穩定性提供依據。

1 試驗材料

試驗所用的淤泥為太湖疏浚淤泥，淤泥的物理力學特性指標如表1所示。根據土的分類標準，該淤泥屬高液限黏土，其主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO。底泥挖出后，立即放入預備的塑料桶中靜置，除去上清液后，其含水率為80%。試驗所用固化劑為宜興市盛佳水泥廠生產的32.5復合硅酸鹽水泥。

表1 試驗用淤泥的物理性質指標Table 1 Physical properties of testing used sludge

2 試驗方法

2.1 試樣制備

取除去上清液的疏浚淤泥，按每立方米淤泥(含水率80%)中水泥添加量100、150、200 kg 3個配比，配制淤泥、水泥混合物，攪拌10 min后抽真空30 min，以消除混合物中的氣泡。而后，將淤泥、水泥混合物裝入61.8 mm×20 mm的環刀中，制備環刀試樣。裝樣過程中不斷振動模具，以排除氣泡使試樣密實。之后，將制備好的試樣放入恒溫恒濕箱(溫度20±2 ℃，濕度大于95%)中，養護28 d。養護完成后進行抽真空飽和，制備飽和固化淤泥試樣備用。基本步驟如圖1所示。

圖1 固化淤泥試樣制備流程Fig.1 Procedures for preparation of solidified sludge

2.2 試驗方案

按照上述制樣流程，將每一種水泥摻量制成72個標準環刀試樣，在標準養護條件下養護28 d后，將其中12個試樣取出，抽真空飽和后，參照《土工試驗規程》(SL 237—1999)[21]，在豎向壓力50、100、200、400 kPa條件下進行固結快剪試驗，剪切速率1.0 mm/min；剩下的60個試樣分成5組，每組12個樣(每種工況3個平行試樣)，第1組作為基準試樣(在標準養護條件下繼續養護)，第2、第3、第4組作為干濕樣，抽真空飽和后，在60 ℃(參考ASTM D4843-1988[22])條件下烘干8 h，之后再在20±2 ℃條件下進行抽真空飽和16 h，以此作為一次干濕循環。第2、第3、第4組擬定的干濕循環次數為4、8、12次。完成預定次數干濕循環試驗后立即參照SL 237-1999《土工試驗規程》[21]進行固結快剪試驗。在第2、第3、第4組試樣進行干濕循環試驗期間，第5組試樣則每天在溫度60±2 ℃，濕度大于95%的條件下養護8 h，在溫度20±2 ℃，濕度大于95%條件下養護16 h，以作為控制試樣(養護溫度與干濕循環試樣一致)。當第4組試樣(12次干濕循環)的固結快剪試驗完成后，取第1組的基準試樣和第5組的控制試樣，分別在50、100、200、400 kPa條件下進行固結快剪試驗。上述固結快剪的剪切速率均為1.0 mm/min。以3個平行試樣的平均值為最終試驗結果，對比分析不同干濕循環次數條件下固化淤泥的抗剪強度特性。干濕循環試驗方案如表2所示。

表2 干濕循環試驗方案Table 2 Testing program for drying/wetting

注：試樣編號采用“S-X-Y-Z”形式表示，其中“S”代表試樣，“X”為水泥摻量，“Y” 為養護溫度，“Z” 為干濕循環次數(其中“B”代表基準試樣，“C”代表控制試樣)；表內“空白”代表無此項數據。

3 試驗結果與分析

3.1 固化淤泥的抗剪強度變化規律

圖2所示為水泥摻量100 kg/m3條件下經歷不同干濕循環次數后固化淤泥的剪應力-剪切位移曲線?？梢钥闯觯煌蓾裱h次數條件下的固化淤泥試樣均呈現出應變硬化特性，隨著剪切位移的增加，剪應力逐漸增長。隨著干濕循環次數的增加，相同豎向壓力條件下，剪切初始階段的斜率逐漸減小，說明干濕循環導致固化淤泥的抗剪強度降低。

圖2 干濕循環作用下水泥摻量100 kg/m3固化淤泥的剪應力與剪切位移曲線Fig.2 Shear stress-shear deformation relationship of solidified dredged sludge with cement content of 100 kg/m3 subjected to different drying/wetting

水泥摻量150、200 kg/m3條件下，固化淤泥的剪應力-剪切位移曲線如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出，豎向壓力50 kPa條件下，水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣均呈現出應變軟化特征。豎向壓力100 kPa作用下，干濕循環后固化淤泥試樣均表現為應變軟化特征，而標準養護28 d的試樣表現為應變硬化。豎向壓力200 kPa作用下，水泥摻量150 kg/m3固化淤泥試樣均表現為應變硬化特征；水泥摻量200 kg/m3固化淤泥試樣標準養護28 d后，在豎向壓力200 kPa條件下，表現為應變硬化特征，經歷不同干濕循環次數后，則表現為應變軟化特征。豎向壓力400 kPa條件下，水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣干濕循環前后均呈現出應變硬化特征。由以上分析可知，經歷干濕循環后，水泥摻量150、200 kg/m3試樣的應力-應變曲線有從應變硬化向應變軟化轉變的趨勢。這可能與干濕循環過程引起的結構屈服應力增長有關，詳見3.4節討論。

水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣在經歷干濕循環后，剪應力-剪切位移曲線位于標準養護28 d條件下固化淤泥試樣的上方，說明干濕循環后固化淤泥的抗剪強度不降反增。這與水泥摻量100 kg/m3試樣截然不同。干濕循環前后固化淤泥的抗剪強度變化與干濕循環引起的裂縫發展以及干燥過程中水泥水化反應有關，關于這部分的討論將在3.4節進行。

從圖2～圖4還可以發現，隨著干濕循環次數的增加，固化淤泥抗剪強度變化總體呈現先快后慢的趨勢，干濕循環對固化淤泥剪應力-剪切位移曲線的影響主要發生在前8次干濕循環，而后逐漸趨于穩定?？紤]到文章篇幅，僅取豎向壓力50 kPa條件下的試驗結果進行具體說明。水泥摻量100 kg/m3試樣在干濕循環0、4、8、12次時的抗剪強度(根據《土工試驗規程》[21]，應變軟化曲線取峰值剪應力為抗剪強度，應變硬化曲線則取剪切位移等于4 mm對應的剪應力為抗剪強度)分別為7.0、6.5、6.0、5.7 kPa，干濕循環4、8、12次時的抗剪強度分別為干濕循環0次時的0.93、0.86、0.81倍。水泥摻量150 kg/m3試樣在干濕循環0、4、8、12次時的抗剪強度分別為13.4、16.8、18.1、18.4 kPa，干濕循環4、8、12次時的抗剪強度分別為干濕循環0次時的1.25、1.35、1.37倍。對于水泥摻量200 kg/m3的試樣，干濕循環0、4、8、12次時的抗剪強度分別為14.4、31.8、31.9、30.9 kPa，干濕循環4、8、12次時的抗剪強度分別為干濕循環0次時的2.21、2.22、2.14倍。顯而易見，隨著干濕循環次數的增加，固化淤泥的抗剪強度逐漸趨于穩定。

圖3 干濕循環作用下水泥摻量150 kg/m3固化淤泥的剪應力與剪切位移曲線Fig.3 Shear stress-shear deformation relationship of solidified dredged sludge with cement content of 150 kg/m3 subjected to different drying/wetting

圖4 干濕循環作用下水泥摻量200 kg/m3固化淤泥的剪應力與剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-shear deformation relationship of solidified dredged sludge with cement content of 200 kg/m3 subjected to different drying/wetting

3.2 固化淤泥強度變化機理分析

為探討干濕循環對固化淤泥試樣力學特性的影響，設置基準試樣和控制試樣，通過對比基準試樣、控制試樣和干濕循環試樣的直剪試驗結果，分析水分強烈變化條件下水泥固化疏浚淤泥的力學特性變化機理。

表3所示為不同養護條件和干濕循環條件下固化淤泥試樣的抗剪強度。通過對比基準試樣和控制試樣發現，相同水泥摻量、豎向壓力和養護齡期條件下，控制試樣的抗剪強度大于基準試樣。這主要是因為控制試樣具有較高的養護溫度，與基準試樣相比生成了較多的水化產物，抗剪強度提高。這一結果也說明干濕循環試樣在干燥過程中受到的烘干溫度(與控制試樣的養護溫度一致)會促進水泥的水化，在相同齡期條件下，生成了更多的水化產物，水化產物的增加增強了土顆粒之間的粘結，使得固化淤泥試樣具有較高的結構強度，抗剪強度增大。

表3 抗剪強度試驗結果Table 3 Test results of shear strength

注：τfb為基準試樣的抗剪強度；τfc為控制試樣的抗剪強度；τf為干濕循環12次試樣的抗剪強度。

圖5 干濕循環12次后不同水泥摻量固化淤泥試樣裂縫發展情況Fig.5 Development of cracks on the surface of solidified sludge with different cement contents after subjected to 12 times drying/wetting

從表3還可以看出，干濕循環試樣的抗剪強度小于控制試樣，說明干濕循環過程中固化淤泥試樣的抗剪強度變化不僅受烘干溫度引起水泥水化產物增加的影響，還受其他因素的作用。事實上，固化淤泥試樣在干燥過程中，由于試樣表面與熱空氣接觸使得試樣表面的脫濕速率高于試樣內部，試樣內外部形成含水率梯度，導致試樣表面受拉而內部受壓，當試樣表面的拉應力超過其抗拉強度時，裂縫便隨之產生[23]。圖5所示為干濕循環12次后，不同水泥摻量條件下固化淤泥試樣的裂縫發展情況。可以看出，隨著水泥摻量的增加，試樣表面裂縫發展越不明顯。這主要是因為水泥摻量越大，膠結強度越高，較大的膠結強度增強了顆粒間的粘結力，提高了試樣抵抗拉應力的能力，干濕循環過程中產生的裂縫越少。干濕循環過程中，裂縫的產生降低了顆粒之間的粘結，破壞了土體結構，抗剪強度降低。

圖6所示為不同水泥摻量條件下基準試樣、控制試樣和干濕循環試樣的SEM圖像?？梢钥闯觯瑢τ谕火B護(或干濕循環)條件的試樣，隨著水泥摻量的增加，顆粒排列趨于緊密，水化產物含量增加，抗剪強度和抵抗拉應力的能力增加。對比同一水泥摻量條件下基準試樣、控制試樣和干濕循環試樣的SEM圖像發現，控制試樣和干濕循環試樣相對于基準試樣生成了較多纖維狀的C—S—H凝膠類水化產物(S-200-60-C最為顯著)。這也從微觀層面上證實了養護溫度越高，水化產物越多，固化體內部的孔隙進一步被填充，抗剪強度越高的結論。

圖6 固化淤泥的SEM

由以上討論可知，干濕循環過程中烘干溫度引起的水化產物增加和裂縫的發展對固化淤泥的抗剪強度產生截然相反的影響，即水化產物的增加引起固化淤泥強度增大，而裂縫的發展則使得固化淤泥的抗剪強度降低，干濕循環對固化淤泥力學特性的最終影響取決于上述兩方面所占的權重。

3.3 烘干溫度和裂縫開展對固化淤泥抗剪強度影響的權重分析

烘干過程中水化產物的增加與水泥的摻量有關，水泥摻量越高，烘干溫度引起的水泥水化反應越顯著，反之則水化反應不明顯。為定量分析烘干溫度引起的水化產物增加對固化淤泥抗剪強度的影響，定義烘干溫度引起的抗剪強度增長率為

ξ=(τfc-τfb)/τfb×100%

(1)

式中：ξ為溫度引起的抗剪強度增長率；τfc為控制試樣的抗剪強度；τfb為基準試樣的抗剪強度?？紤]到文章篇幅，僅取豎向壓力50 kPa條件下不同水泥摻量基準試樣與控制試樣的抗剪強度進行對比分析(表4)。由表4可以看出，水泥摻量越高，高溫養護后，試樣的抗剪強度增長率越大，說明水泥摻量越高，烘干溫度引起的水泥水化反應越明顯，抗剪強度增長越顯著。

前已述及，干濕循環對固化淤泥抗剪強度的影響受烘干溫度引起的水化產物增加和裂縫發展的共同作用。因此，通過綜合對比干濕循環試樣、基準試樣以及控制試樣的抗剪強度，可將干濕循環過程中溫度的影響以及裂縫的影響進行分離。以干濕循環試樣的抗剪強度變化為基礎，分離出干濕循環過程中溫度的影響即可獲得裂縫對固化淤泥試樣的影響。為此，定義裂縫引起的抗剪強度衰減率為

η=(τf-τfb)/τfb×100%-ξ(2)

式中：η為裂縫引起的抗剪強度衰減率；τf為干濕循環試樣的抗剪強度。從表4可以看出，3種水泥摻量固化淤泥試樣在干濕循環過程中裂縫引起的抗剪強度衰減率隨水泥摻量的增加逐漸減小。這一結果也證實了水泥摻量越大，試樣的膠結強度越高，抗拉強度越大，干濕循環過程中產生的裂縫越少，干濕循環過程中裂縫引起的抗剪強度衰減越小。

表4 豎向壓力50 kPa條件下基準試樣與控制試樣的抗剪強度對比Table 4 Shear strength of the based specimen and the controlling specimen under vertical stress of 50 kPa

注：τfb為基準試樣的抗剪強度；τfc為控制試樣的抗剪強度；τf為干濕循環12次試樣的抗剪強度。

3.4 試驗結果的討論

相對于天然結構性土而言，固化土稱之為人造結構性土，其壓縮屈服應力即為結構屈服應力。根據Butterfid[24]采用的雙對數坐標法可確定干濕循環前后固化淤泥的結構屈服應力。水泥摻量100、150、200 kg/m3固化淤泥試樣在干濕循環0次時的結構屈服應力分別為62.2、85.7、104.0 kPa；干濕循環12次后的結構屈服應力分別為26.3、165.7、271.7 kPa?？梢钥闯觯鄵搅?00 kg/m3固化淤泥試樣干濕循環后結構屈服應力降低，而水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣干濕循環后結構屈服應力增大。這與直剪試驗結果的變化趨勢相一致。

干濕循環前后固化淤泥剪應力-剪切位移曲線形式的轉變與干濕循環過程中引起的結構屈服應力變化有關。對于水泥摻量100 kg/m3的固化試樣，由于試樣在干濕循環前后的結構屈服應力均小于或接近50 kPa，因此，試樣剪切時均屬于正常固結土，應力-應變曲線均為應變硬化特征。水泥摻量150 kg/m3固化淤泥試樣在干濕循環0次時，結構屈服應力大于50 kPa而小于100 kPa，因此，在豎向壓力50 kPa條件下剪切時為超固結土，表現為應變軟化特征；而在豎向壓力大于等于100 kPa時為正常固結土，表現為應變硬化特征。干濕循環后結構屈服應力大于100 kPa而小于200 kPa，因此在豎向壓力小于等于100 kPa條件下剪切時為超固結土，表現為應變軟化特征；而在豎向壓力大于等于200 kPa時表現為應變硬化特征。同理，對于水泥摻量200 kg/m3的固化淤泥試樣，干濕循環0次時，在豎向壓力小于100 kPa時表現為超固結土，屬應變軟化特征，大于等于100 kPa時為正常固結土，呈應變硬化特征；干濕循環后，在豎向壓力50、100、200 kPa下剪切時表現為超固結土，屬應變軟化特征，豎向壓力400 kPa時為正常固結土，呈應變硬化特征。

通過對比烘干溫度引起的抗剪強度增長率ξ和裂縫引起的抗剪強度衰減率η，即可評價干濕循環對固化淤泥試樣抗剪強度的最終影響。對于水泥摻量100 kg/m3的固化淤泥試樣，雖然溫度的提高促進了水泥的水化，但由于水泥含量較低，烘干溫度引起的水泥水化產量增加較少(如圖6所示)，抗剪強度提升較少；同時，由于水泥含量較低，顆粒間具有較小的粘結力，僅能承受較小的拉應力，干燥過程中形成的試樣內外含水率梯度使得試樣表面會出現一定的拉應力，從而在干濕循環過程中產生了較多的裂縫(如圖5(a)所示)，試樣的抗剪強度降低較多，導致裂縫的影響大于烘干溫度的作用，最終固化淤泥試樣的抗剪強度降低。而對于水泥摻量150、200 kg/m3的固化淤泥試樣，由于水泥含量較高，使得烘干溫度引起的水泥水化產物增長較多(如圖6所示)，膠結強度顯著提升，抗剪強度明顯增大；同時，較大的膠結強度增強了顆粒間的粘結力，提高了試樣抵抗拉應力的能力，干濕循環過程中產生的裂縫較少(如圖5(b)、圖5(c)所示)，抗剪強度降低不明顯，最終導致干濕循環過程中烘干溫度的影響大于裂縫的影響，因此，干濕循環后，固化淤泥試樣的抗剪強度增大。根據以上的討論分析，對于太湖疏浚淤泥而言，當水泥摻量大于150 kg/m3時，可不考慮干濕循環對固化淤泥抗剪強度的劣化作用；而水泥摻量小于100 kg/m3時，干濕循環對固化淤泥抗剪強度的劣化作用應當引起足夠的重視。

4 結論

1)干濕循環過程中，固化淤泥力學特性變化與水泥摻量有關。對于水泥摻量100 kg/m3的固化淤泥試樣，干濕循環后試樣的抗剪強度降低，而水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣經歷干濕循環后的抗剪強度增大。

2)干濕循環條件下，固化淤泥的力學特性受干濕循環過程中烘干溫度引起的水化產物增加和裂縫發展的共同影響，最終的表現取決于這兩方面所占的比重。

3)在評價干濕循環對水泥固化疏浚淤泥力學特性的影響時，應盡量采用與現場相一致的干濕循環條件(如干燥溫度)，以獲得能夠反映現場實際情況的試驗結果，對實際工程提供可靠指導。

4)干濕循環試驗均是在無上覆荷載條件下進行，這與實際情況可能存在一定差異。上覆荷載和干濕循環耦合作用下固化淤泥力學特性的變化規律還有待深入研究。此外，干濕循環條件下，水泥固化淤泥中水化產物的量化分析也有待深入研究。