普通硅酸鹽水泥對(duì)海底淤泥固化效果影響因素試驗(yàn)研究

楊俊釗

（中交天航（大連）浚航工程有限公司，遼寧 大連 116033）

0 引言

隨著沿海經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，港口建設(shè)、跨海通道等項(xiàng)目產(chǎn)生的海洋疏浚物與日俱增。2016年中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)在該年度的海洋傾倒量達(dá)到1.59億m3，并且均為清潔疏浚物[1]。其中，疏浚淤泥作為主要傾倒物，其處置方案逐漸向無(wú)害化、穩(wěn)定化和資源化的方向靠攏。

目前對(duì)于海洋疏浚淤泥的處理方法主要有三類[2]，1）將疏浚淤泥拋至指定傾倒區(qū)；2）將淤泥吹填至圍堰內(nèi)，再經(jīng)后期處理形成地基；3）利用物理化學(xué)固化和熱處理等手段，使原狀淤泥轉(zhuǎn)化為具有地基土特征的建筑材料。隨著國(guó)家對(duì)海洋、濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，前兩類方式逐漸會(huì)被限制，固化法既達(dá)到了廢物利用的目的又解決了二次污染問(wèn)題，將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。

淤泥固化技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)達(dá)到成熟并大規(guī)模投入使用，尤其在日本，自1998年至2007年，日本利用該技術(shù)完成了39項(xiàng)港灣工程，固化土總填筑量達(dá)到1 056萬(wàn)m3[3]。

本試驗(yàn)選用普通硅酸鹽水泥，以黃海某海域海底淤泥為原料，參照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]制備一系列土工標(biāo)準(zhǔn)試件，探究淤泥固化土料漿的泵送性能指標(biāo)，以及在不同水泥、外加劑摻量和不同水固比下各齡期試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與最佳配合比，最后對(duì)固化土在海水條件下的強(qiáng)度增長(zhǎng)情況進(jìn)行了考察。

1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

1.1 水泥

本試驗(yàn)使用大連生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。安定性合格，初凝時(shí)間173 min，終凝時(shí)間240 min、28 d膠砂強(qiáng)度 51.7 MPa，均符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的指標(biāo)要求。

1.2 海底淤泥

試驗(yàn)淤泥采用抓斗船取自海底，剔除表層2 m雜質(zhì)較多的淤泥后裝桶密封，淤泥的塑限為19.2%，液限為43.7%，含水率為60%，塑性指數(shù)為24.5，液性指數(shù)為1.67，有機(jī)質(zhì)含量為6.24，屬于低液限有機(jī)質(zhì)淤泥。

1.3 分散劑

為保證固化土料漿擁有合適的流動(dòng)度來(lái)滿足泵送施工要求，添加了山東品萘系分散劑（泌水率比為8%，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的指標(biāo)要求），以提高固化土料漿的泵送性能。本試驗(yàn)中萘系分散劑溶液按質(zhì)量濃度20%配制。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備滿足《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求。

2 固化土料漿流動(dòng)度影響因素

為使檢測(cè)手段簡(jiǎn)捷準(zhǔn)確，采用日本JHS A313—1992標(biāo)準(zhǔn)中流動(dòng)度的概念代替坍落度來(lái)表達(dá)淤泥固化土料漿的泵送工作性能。將涂有潤(rùn)滑油的有機(jī)玻璃筒置于水平光滑玻璃板上，分3層澆入固化土料漿并每層振搗。刮去多余物料后提起模具，坍塌體底邊直徑的平均值即為流動(dòng)度測(cè)定值，精確至0.01 cm。

2.1 水固比

水固比指混合料漿中水與固體材料質(zhì)量的比值。考察了當(dāng)水泥摻量一定時(shí)，水固比由0.60逐步提升至1.20時(shí)固化土料漿流動(dòng)度的變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 固化土料漿流動(dòng)度-水固比曲線Fig.1 Fluidity vs.water-solid ratio curve of solidified soil slurry

當(dāng)水泥摻量在3.75%～6.25%范圍內(nèi)，固化土料漿的流動(dòng)度隨水固比的提高呈二次函數(shù)型增長(zhǎng)，并且水固比越高，流動(dòng)度的增長(zhǎng)速率越快。對(duì)3條曲線進(jìn)行擬合，能夠得到水泥摻量為3.75%時(shí)的擬合公式：y=43.87x2-55.73x+26.29，相關(guān)系數(shù)R2=0.985；水泥摻量為5.00%、6.25%時(shí)擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.993、0.976。可認(rèn)為在試驗(yàn)范圍內(nèi)，水固比是影響料漿流動(dòng)度的顯著因素。

水固比提高意味著固化土料漿中自由水含量增加，使得土體中固體顆粒的間隙加大，降低料漿的黏聚力，直觀表現(xiàn)為流動(dòng)度的提升。

3種摻量下的料漿流動(dòng)度均有突變點(diǎn)，分別在水固比為0.8、1.0和1.1時(shí)。推斷因水固比的增加導(dǎo)致液性指數(shù)IL持續(xù)上漲，當(dāng)達(dá)到臨界值1.0時(shí)，固化土由軟塑態(tài)轉(zhuǎn)為流塑態(tài)，而流動(dòng)度在流塑態(tài)下的增長(zhǎng)速率大于軟塑態(tài)，這使得曲線斜率陡增，造成了流動(dòng)度突變。

2.2 分散劑

分散劑是一種表面活性劑，其分子中存在親水性基團(tuán)和親脂性基團(tuán)。當(dāng)固化土成型時(shí)，親水基團(tuán)與水結(jié)合，親脂基團(tuán)附著在水泥表面，導(dǎo)致了接觸面的張力顯著降低，從而增加了潤(rùn)滑作用，提升了流動(dòng)度。同時(shí)，該過(guò)程使得固化土料漿表面形成了雙電層，固體顆粒間由于靜電作用而遠(yuǎn)離，因此提升了水泥在水中均勻分布的程度[5]。

試驗(yàn)研究了不同分散劑摻量下固化土料漿流動(dòng)度的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 固化土料漿流動(dòng)度-分散劑摻量曲線Fig.2 Fluidity vs.dispersant dosage curve of solidified soil slurry

試驗(yàn)顯示流動(dòng)度隨分散劑摻量的提高呈二次函數(shù)型增長(zhǎng)，且水固比越高流動(dòng)度的增長(zhǎng)速率越快。水固比為0.80時(shí)的擬合公式：y=0.007x2+0.088x+9.19，相關(guān)系數(shù)R2=0.979；水固比為0.90時(shí)相關(guān)系數(shù)為0.987。可認(rèn)為分散劑是影響固化土料漿流動(dòng)度的顯著因素。

2.3 水泥摻量

在水固比分別為0.70、0.80、0.90和1.00的條件下，探究了固化土料漿流動(dòng)度隨水泥摻量的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 固化土料漿流動(dòng)度-水泥摻量曲線Fig.3 Fluidity vs.cement dosage curve of solidified soil slurry

試驗(yàn)顯示在水固比一定的情況下，流動(dòng)度隨水泥摻量的變化趨勢(shì)不明朗，各自在極差值0.3～1.8 cm范圍內(nèi)上下浮動(dòng)，料漿流動(dòng)度與水泥摻量的相關(guān)程度如表1所示。

表1 固化土料漿流動(dòng)度與水泥摻量相關(guān)性表Table 1 Correlation table of fluidity and cement dosage of solidified soil slurry

各組曲線的P值均遠(yuǎn)大于0.05，說(shuō)明水泥摻量不是影響固化土流動(dòng)度的顯著因素。

分析認(rèn)為，由于本試驗(yàn)料漿均為攪拌后立即檢測(cè)流動(dòng)度，在水泥初凝之前，水化反應(yīng)還不夠充分，土體未形成穩(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而是仍處于具有強(qiáng)可塑性的凝聚結(jié)構(gòu)階段[6]，此時(shí)單純?cè)黾铀鄵搅繉?duì)混合料漿固體顆粒的間距沒(méi)有顯著影響，不能改變固化土的可塑特性。

3 固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，由無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可推算出固化土陸域的地基承載力，從而對(duì)固化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)正交試驗(yàn)探究各因素對(duì)固化土強(qiáng)度影響的優(yōu)先程度及顯著性。

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)影響因素有3個(gè)，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)L9（33），試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)內(nèi)容分別如表2和表3所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 2 Orthogonal test design table

表3 正交試驗(yàn)內(nèi)容Table 3 Orthogonal test content

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，按照表3的試驗(yàn)內(nèi)容制作固化土標(biāo)準(zhǔn)試塊，不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 正交試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-齡期曲線Fig.4 Orthogonal test unconfined compressive strength vs.age curve

隨著齡期的增長(zhǎng)水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，試塊中逐漸析出新的晶體和水化硅酸鈣凝膠（CSH），不斷填充著顆粒間隙。凝膠具有巨大的表面能和吸附活性，封閉了土團(tuán)間隙形成牢固聯(lián)結(jié)，使得結(jié)晶結(jié)構(gòu)愈發(fā)穩(wěn)定、致密，直觀體現(xiàn)在試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)水化反應(yīng)接近完成時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)逐步放緩，因而無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期呈對(duì)數(shù)型而非線性增長(zhǎng)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)各齡期試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了極差分析和方差分析，以此來(lái)判斷水泥摻量、分散劑摻量和水固比對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響的強(qiáng)弱順序及顯著性。結(jié)果如表4和表5所示。

表4 極差分析表Table 4 Range analysis table

表5 方差分析表（α=0.05）Table 5 ANOVA table（α=0.05）

由極差分析結(jié)果可得，各齡期強(qiáng)度影響因素的極差值大小順序?yàn)椋核鄵搅恳蛩兀舅瘫纫蛩兀痉稚搅恳蛩亍８鶕?jù)方差分析結(jié)果，在顯著性水平α=0.05的情況下，3個(gè)影響因素中只有水泥摻量因素滿足F比＞Fα，說(shuō)明水泥摻量是影響無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的顯著因素[7-8]，而水固比和分散劑摻量對(duì)強(qiáng)度影響的顯著性不強(qiáng)。

綜合兩種分析結(jié)果，可知水泥摻量是控制固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的重要參數(shù)，而在該試驗(yàn)范圍內(nèi)，水固比與分散劑摻量均未表現(xiàn)出顯著性，為次要影響因素。

4 海水養(yǎng)護(hù)

為探究固化土在海水條件下的強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線變化情況，制備了一批無(wú)側(cè)限標(biāo)準(zhǔn)試件在室溫及海水條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。結(jié)果顯示，在海水養(yǎng)護(hù)條件下，固化土試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，同時(shí)，試件表面形成了厚度為3～4 mm的軟化層并出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，如圖5所示。

圖5 海水養(yǎng)護(hù)條件下試塊表層裂縫Fig.5 Surface cracks of the test block under seawater curing conditions

造成這種裂縫的原因主要是由于海水中存在Mg2+和SO42-離子，當(dāng)試塊處于海水浸泡條件時(shí)，這些離子與固化土中的水化硅酸鈣CSH之間發(fā)生了置換反應(yīng)，Mg2+將Ca2+置換出來(lái)形成水化硅酸鎂MSH，而SO42-與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)形成鈣礬石，該過(guò)程導(dǎo)致固化土原本形成的結(jié)構(gòu)體因鈣礬石形成過(guò)程的體積膨脹而形成裂縫，導(dǎo)致海水滲入，繼而使得固液接觸面形成軟化層，降低了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度[9]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，固化土料漿澆筑時(shí)應(yīng)連續(xù)施工，以保證固化土結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度的均勻性，更有益于固化土地基的承載力和抗滑移性。

5 結(jié)語(yǔ)

1）水固比和分散劑摻量是影響水泥固化土流動(dòng)度的顯著因素，流動(dòng)度隨二者的增加呈二次函數(shù)型增長(zhǎng)；而水泥摻量對(duì)流動(dòng)度的影響不顯著。

2）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，最佳配合比為水泥摻量6.25%、分散劑摻量0.6%以及水固比0.75。3個(gè)影響因素中只有水泥摻量是顯著因素，對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的先后順序?yàn)椋核鄵搅恳蛩兀舅瘫纫蛩兀痉稚搅恳蛩亍?/p>

3）在海水養(yǎng)護(hù)條件下，固化土試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，并且在試件表面形成了軟化層和裂縫，造成這種現(xiàn)象的原因是由于海水中的Mg2+、SO42-等破壞了固液接觸面的致密結(jié)構(gòu)。