生物炭添加對固化疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀影響研究

宋苗苗 吳振威 曹裕翔

摘? 要：為明確生物炭添加對固化高含水率疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀的影響，該文對生物炭改良固化疏浚泥開展了一維壓縮試驗和柔性壁滲透試驗。基于試驗結果，對固化高含水率疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀隨生物炭摻量的變化規律進行了研究，并分析了生物炭添加引起其壓縮性狀和滲透性狀變化的原因。結果表明，生物炭添加將引起固化高含水率疏浚泥壓縮性和滲透系數的減小，且減小幅度隨生物炭摻量的增加是變化的。對于研究所用固化疏浚泥，生物炭摻量以在（5%，15%）范圍內為宜。

關鍵詞：固化疏浚泥 高含水率 生物炭 壓縮性狀 滲透系數

中圖分類號：TU44? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2021）11（a）-0000-00

Experimental Study on Compressive-Hydraulic Properties of Biochar-Amended Cemented Dredged Clay

SONG Miaomiao? ?WU Zhenwei? ?CAO Yuxiang

（School of Civil Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng， Jiangsu Province， 224051 China）

Abstract： A series of one-dimensional compression tests and permeability tests were conducted to investigate the biochar effects on the compressive and hydraulic behavior of cemented dredged clay at high water content. The related mechanisms responsible for changes were also discussed. Based on test results， it can be found that the addition of biochar would induce a reduction in the compressibility and permeability coefficient for cement-treated dredged clay. Meanwhile， the decrease is affected by the biochar content. For cemented dredged clay used in this research， the appropriate biochar is in the range of （5%， 15%）.

Key Words： Cemented dredged clay; High water content; Biochar; Compression behavior; Permeability coefficient

為改善港口、河道、湖泊等的水質、通航能力等，我國每年都要對其進行大規模的疏浚清淤，從而產生大量的高含水率疏浚淤泥[1-2]。此外，人工島修筑、港口建設等工程也需要進行大量的海底清淤。疏浚泥通常呈流動狀態，具有含水率高、壓縮性大、強度非常低的特點，故一般作為廢棄物進行處理。常用的吹填和拋泥兩種方法，不僅需占用大量土地，還易污染周邊環境。而疏浚泥的固化資源化利用，不僅可解決疏浚泥棄置占用大量土地、污染環境的問題，還可變廢為寶為港口建、人工島等修筑提供大量的理想填料[3-4]。國內外一些學者也通過室內試驗、現場試驗、實際工程等驗證了將固化疏浚泥作為理想填料是可行的[5-6]。

水泥因具有材料來源廣、價格低廉、性能良好等特點，成為目前實際工程中最常用的固化劑。但在環境保護和生態可持續發展的背景下，水泥、石灰等在生產和使用過程中存在明顯的缺陷，如水泥生產過程排放大量的CO2、粉塵、NOx等有害物質，且在生產水泥需消耗大量的能源和自然資源。此外，水泥處理易造成固化疏浚泥堿性的增加和生態性的降低。因此，積極研發綠色低碳、環境友好的疏浚泥改良劑，以及疏浚泥生態改良和加固技術具有十分重要的意義。

另一方面，生物炭作為一種新型環境功能型材料，具有比表面積大、穩定性高等特點[7]。近年來在土壤改良、污染土修復等方面得到了廣泛的應用。如陳凌源等人[8]通過研究發現，生物炭的添加可顯著提高土體對銅的阻滯能力;李伸鑫等人[9]對不同生物炭摻量的固化疏浚開展一系列的無側限抗壓試驗，基于試驗結果指出生物炭的添加將引起固化疏浚泥強度的增加。由此可見，將生物炭用于固化疏浚泥的改良不僅可改善其強度性狀，同時還有利于降低水泥的用量，以及我國碳達峰和碳中和目標的如期實現。

該文以含生物炭的固化疏浚泥為對象，開展了一系列的一維壓縮試驗和柔性壁滲透試驗。基于試驗結果，分析了固化疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀隨生物炭摻量增加的變化規律，并探討了生物炭添加引起固化疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀變化的原因。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用疏浚泥取自安徽省蚌埠市某疏浚泥堆場，由液塑限聯合測定法測得其液限和塑限分別為58%和27%。土體比重由比重瓶法測定，其值為2.7。采用密度計法測定土中的黏粒含量為62%。前述試驗均根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）進行操作。

試驗所用水泥購自鹽城阜寧佳寧水泥有限公司，為P. O. 42.5普通硅酸鹽水泥，其基本性質均滿足國家標準要求。其中，水泥的初凝時間為155 min，終凝時間為220 min。故后續制備試驗所用試樣時，應不超過水泥的初凝時間，以防止水泥凝固影響制樣。

試驗前，首先將購買的黑色柱狀椰殼生物炭放入粉碎機內粉碎;之后，再將粉碎后的生物炭顆粒過篩，從而得到試用所用的生物炭顆粒，其粒徑在（0.6 mm，1 mm）范圍變化。

1.2 試驗方案

該研究將采用3倍液限（176%）作為疏浚泥的初始含水率。試驗時，首先將現場取回的疏浚泥攪拌均勻并測定含水率;其次，根據疏浚泥的初始含水率、生物炭摻量（0，5%，10%和15%）和水泥摻量（15%），計算需外加水、水泥以及生物炭的質量。其中，水泥摻量為水泥質量占干土質量的百分比，生物炭摻量為生物炭質量占干土質量的百分比;最后，將需外加的水加入疏浚泥中，攪拌均勻后再依次加入水泥和生物炭，并將“疏浚泥+水泥+生物炭”混合物快速攪拌均勻，以避免混合物發生硬化，影響后續制樣。試驗所用壓縮試樣和滲透試樣的具體制備方法詳見白傳貞等的研究[10]，故在此不再贅述。

壓縮試驗和滲透試驗所用固化疏浚泥試樣養護齡期為28天。壓縮試驗時，按照1：1的加載比由12.5 kPa依次加載到1 600 kPa。和壓縮試驗不同，柔性壁滲透試驗開始前，需先在真空飽和缸內對試樣進行飽和，之后再進行滲透試驗。

2 結果與討論

圖1為不同生物炭摻量下固化疏浚泥的εv – lgP壓縮曲線，圖中圖例為試樣中的生物炭摻量。由圖可知，當豎向壓力較小時，固化疏浚泥的微觀結構未遭到破壞，故相同豎向壓力下不同生物炭摻量試樣間的體應變差別較小。而隨著豎向壓力的進一步增加，相同豎向壓力下固化疏浚泥試樣的體應變隨生物炭摻量的增加而逐漸減小。這可能是由于生物炭顆粒具有較大的比表面積，有利于固化土顆粒吸附在其表面，形成大的團聚體。宏觀表現為土孔隙體積的減小。另外，由于生物炭顆粒本身具有較高的強度，可抵抗一定的外部荷載。二者共同作用，提高了含生物炭固化疏浚泥試樣抵抗豎向壓力的能力。需要注意的是，當生物炭摻量達到15%后，繼續增加生物炭摻量對土體壓縮性的影響較小。

由于結構性對固化疏浚泥的壓縮性狀具有重要的影響，因此有必要明確生物炭添加對固化疏浚泥結構性的影響。圖2為試驗所用固化疏浚泥試樣屈服應力Py隨生物炭摻量的變化規律。其中，固化疏浚泥的屈服應力采用Casagrande法確定。當生物炭摻量較?。?%）時，生物炭的添加基本不引起固化疏浚泥屈服應力的變化。隨著生物炭摻量進一步增加到15%后，固化疏浚泥的屈服應力也由235 kPa增加為380 kPa。之后，生物炭摻量的進一步增加（20%），固化疏浚泥的屈服應力基本保持不變。綜上可知，采用生物炭改善固化疏浚泥的壓縮性狀時，存在一個最優的生物炭摻量范圍。對于該文研究所用固化疏浚泥，生物炭摻量以大于5%且不超過15%為宜。

根據壓縮實驗結果可知，試驗所用固化疏浚泥試樣的屈服應力基本都大于200 kPa，故柔性壁滲透試驗的圍壓和滲透壓分為設置為250 kPa和100 kPa。通過記錄滲透試驗進行不同時間的出水量Q，再由公式（1）計算獲得固化疏浚泥的滲透系數k。

k=QL/tAh? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：L為滲流長度，等于固化疏浚泥試樣的高度（cm）;A為固化疏浚泥試樣的橫截面面積（cm2）;h為滲透試驗采用的水頭差（cm）;t為滲透時間（s）;Q為t時間段內的出水量（cm3）。

表1為養護28 d固化疏浚泥的滲透系數。由表可知，和不含生物炭的固化疏浚泥相比，生物炭的添加整體上將引起固化疏浚泥滲透系數的減小，但減小幅度隨生物炭摻量的增加是變化的。當生物炭摻量不超過15%時，生物炭顆粒散布在固化疏浚泥試樣中，且其表面被固化疏浚泥顆粒覆蓋，形成不透水層，從而減少了試樣中水的滲透路徑，故將出現固化疏浚泥滲透系數的小幅度減小。而當生物炭摻量進一步增加到20%后，生物炭顆粒相互間搭接形成土骨架，由于其表明不透水，故將大幅度增加試樣中滲流路徑的長度，并減少試樣中的滲流路徑，故宏觀表現為試樣滲透系數的大幅度減小。

3 結論

對不同生物炭摻量的固化高含水率疏浚泥開展一維壓縮試驗和柔性壁滲透試驗，基于試驗結果研究了生物炭添加對固化高含水率疏浚泥壓縮性狀和滲透性狀的影響，得到以下結論。

（1）當豎向壓力較小時，生物炭添加對固化疏浚泥的壓縮性狀影響較小。生物炭添加對固化疏浚泥壓縮性狀的影響主要發生豎向壓力較大時。

（2）隨著生物炭摻量的增加，固化疏浚泥的屈服應力呈先增大后逐漸趨于穩定的變化趨勢。對于該文研究所用固化疏浚泥，生物炭摻量以大于5%且不超過15%為宜。

（3）生物炭的添加使固化疏浚泥中的滲流路徑減少，從而引起固化疏浚泥滲透系數的減小。但整體而言，生物炭添加引起固化疏浚泥滲透系數的減小幅度較小。

參考文獻

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基金項目：江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目《鹽分侵蝕下水泥固化疏浚泥力學性狀劣化研究》（項目編號：202110305022Z）。

作者簡介：宋苗苗（1987—），女，博士，講師，研究方向為疏浚泥地處置及資源化利用。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2111-5042-8527