復(fù)合型淤泥固化劑固化性能與力學(xué)性能表征

曹巢鋒 孫曉龍

(1.中鐵四局集團(tuán)建筑工程有限公司，安徽 合肥 230022；2.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

淤泥作為不良土，其具有較高的含水量和鹽分含量，同時(shí)有機(jī)質(zhì)成分含量高，導(dǎo)致其自身強(qiáng)度與工程性極差，無(wú)法作為填筑材料應(yīng)用于路基填筑施工中。在實(shí)際施工過(guò)程中，由于淤泥自身特點(diǎn)，往往需要對(duì)路基中存在的淤泥進(jìn)行挖除，然后采用優(yōu)質(zhì)填土進(jìn)行回填后才可保證路基的整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性，而在淤泥開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)占用大量的施工場(chǎng)地或耕地，而且較高含量的有機(jī)質(zhì)還會(huì)釋放出刺激性氣體，對(duì)于周圍環(huán)境具有不良影響。因此，淤泥的處置和利用就成為我國(guó)交通行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的難題之一[1-2]。現(xiàn)有針對(duì)淤泥資源化利用多采用固化劑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，通過(guò)固化劑的膠凝特性改善淤泥材料的力學(xué)和工程特性，從而滿足路基填筑的相關(guān)要求，對(duì)于淤泥的合理與環(huán)保處置至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域針對(duì)淤泥固化的研究較多，多集中于淤泥和軟土相關(guān)固化劑固化效果的研究，而且研究基本在室內(nèi)試驗(yàn)條件下開(kāi)展，雖然取得了對(duì)于淤泥質(zhì)土良好的固化效果，但仍存在固化劑摻量較大、固化效果不穩(wěn)定、固化劑成分存在污染與固化后含水量過(guò)大等諸多問(wèn)題，在實(shí)際工程應(yīng)用中無(wú)法得到良好的應(yīng)用，高含水量和高有機(jī)質(zhì)含量在一定程度上削弱了固化劑的淤泥固化效果。同時(shí)，現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范缺少對(duì)于淤泥質(zhì)土固化處理工藝和施工要點(diǎn)要求，施工控制指標(biāo)也尚未涉及，相關(guān)規(guī)定僅限于換填、拋石擠淤、超載預(yù)壓與反壓護(hù)道等處治方法，而且并未給出高含水量淤泥質(zhì)土的固化施工標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的施工質(zhì)量控制指標(biāo)，在一定程度上延緩了淤泥質(zhì)土的資源化利用及綠色處置的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外研究人員和學(xué)者針對(duì)淤泥質(zhì)土的處置和資源化利用展開(kāi)了一定的研究。如，河海大學(xué)朱偉[3]將疏浚淤泥作為研究對(duì)象，采用固化的方式將淤泥制備成為土工材料，并對(duì)制備的固化土工材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測(cè)試，最終提出了經(jīng)濟(jì)合理的疏浚淤泥處置工藝，為實(shí)體工程應(yīng)用提供了相關(guān)參考依據(jù)。寧波大學(xué)林安珍[4]借助力學(xué)性能試驗(yàn)、溶出試驗(yàn)和微細(xì)觀表征，明確了固化劑對(duì)于疏浚淤泥的作用機(jī)制和影響規(guī)律，確定了疏浚淤泥作為路基填出材料的可行性。姬鳳玲[5]采用淤泥固化劑制備含有不同摻量固化劑的固化淤泥試件，分析固化劑摻量對(duì)于淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)的影響規(guī)律，并對(duì)淤泥固化和強(qiáng)度的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了探討。梁靜[6]、朱偉和相關(guān)人員[7]深入研究了養(yǎng)護(hù)齡期和摻配比例對(duì)于水泥固化淤泥強(qiáng)度與力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，提出了相關(guān)了淤泥質(zhì)土處置方案和施工要點(diǎn)。范公俊[8]確定了淤泥質(zhì)土固化后的試件體積參數(shù)與含水率的相關(guān)關(guān)系，并給出了相關(guān)計(jì)算方法和預(yù)測(cè)指標(biāo)。梁松[9]提出了不同類型淤泥質(zhì)土固化后的強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式，確定了預(yù)測(cè)公式中不同因素的相關(guān)關(guān)系，并通過(guò)28d強(qiáng)度對(duì)90d強(qiáng)度做出了合理的預(yù)測(cè)。范昭平[10]和焦志斌[11]分別與各自的研究人員通過(guò)對(duì)不同有機(jī)物含量的固化試驗(yàn)揭示了有機(jī)質(zhì)含量對(duì)淤泥固化的效果影響的規(guī)律，并提出了對(duì)于高有機(jī)質(zhì)淤泥采用水泥-石膏進(jìn)行固化的方法。劉振杰與相關(guān)研究人員[12]對(duì)比分析了泥灰漿液混合吹填的沉積土與攪拌混合土之間的強(qiáng)度及力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)吹填混合土具備更優(yōu)的強(qiáng)度和力學(xué)性質(zhì)，工程應(yīng)用價(jià)值更高。李志威、朱書景[13]和周旻分別與各自的研究人員[14]針對(duì)新型淤泥固化劑的應(yīng)用開(kāi)展了相應(yīng)研究，并將固化淤泥成功應(yīng)用于工程建設(shè)。現(xiàn)有研究已取得了相應(yīng)的研究成果，但固化材料的相關(guān)效果存在較大差異，而且效果穩(wěn)定性不良，因此，亟需研發(fā)固化效果穩(wěn)定、力學(xué)性能改善效果優(yōu)良的淤泥固化材料，從而滿足淤泥資源化利用的實(shí)際需求。

因此，在以往研究的基礎(chǔ)上，本文優(yōu)選新型固化改性材料，制備不同類型復(fù)合固化淤泥試件，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定復(fù)合固化淤泥的最佳含水量和最大干密度，基于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)與CBR試驗(yàn)，評(píng)價(jià)復(fù)合固化淤泥材料的力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上，借助透射電鏡試驗(yàn)表征固化淤泥的微觀結(jié)構(gòu)與形貌，為新型復(fù)合淤泥固化劑的應(yīng)用和推廣提供了科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 固化添加劑

為了降低淤泥的含水率和有機(jī)質(zhì)含量，采用甲基纖維素和蛭石粉進(jìn)行復(fù)配制備復(fù)合固化劑(質(zhì)量比3∶1)，在淤泥中的摻加量約為淤泥質(zhì)量的1%～4%。蛭石粉細(xì)度為100目(約0.15mm)。甲基纖維素技術(shù)性能和蛭石粉的化學(xué)組成如表1和表2所示。

表1 甲基纖維素技術(shù)性能指標(biāo)

表2 蛭石粉化學(xué)組成

1.1.2 水泥

采用普通硅酸鹽水泥作為淤泥固化的強(qiáng)度補(bǔ)充材料，標(biāo)號(hào)為C425，3d和28d的抗壓強(qiáng)度分別不小于17MPa和42.5MPa，3d和28d抗折強(qiáng)度分別不小于3.5MPa和6.5MPa。所用普通硅酸鹽水泥初凝時(shí)間不得早于45min，終凝時(shí)間不得遲于10h。水泥摻加量約為淤泥質(zhì)量的8%。

1.1.3 淤泥

淤泥初始含水率過(guò)高，界限含水率偏大，無(wú)法直接應(yīng)用于工程實(shí)際，需采取相應(yīng)的降水處治措施。同時(shí)，淤泥中含有的部分化學(xué)鹽類會(huì)對(duì)固化劑產(chǎn)生腐蝕作用，嚴(yán)重固化材料的淤泥固化效果。基于此，本文針對(duì)所取用的淤泥材料進(jìn)行測(cè)試，主要獲取技術(shù)指標(biāo)如表3和表4所示。

表3 淤泥技術(shù)性能指標(biāo)

表4 淤泥含鹽量/(mmol/kg)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

將施工現(xiàn)場(chǎng)提供的淤泥質(zhì)土進(jìn)行風(fēng)干處置，待淤泥質(zhì)土風(fēng)干完成后，將其進(jìn)行粉碎處理成相應(yīng)土顆粒，將粉碎后的土顆粒過(guò)篩(5mm)，然后將過(guò)篩后的淤泥土裝入潔凈的容器中。在淤泥土顆粒中取一定質(zhì)量試樣，對(duì)試樣的含水量進(jìn)行測(cè)試，然后15%～28%等6個(gè)含水率制備相應(yīng)的淤泥擊實(shí)試件，并采用噴水壺往淤泥土表面均勻撒布預(yù)定的水量，然后攪拌均勻后裝入塑料袋內(nèi)浸潤(rùn)24h。依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)，采用重型Ⅱ法進(jìn)行。

1.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，依據(jù)最大干密度推算單個(gè)固化淤泥試件的質(zhì)量，取相應(yīng)質(zhì)量的淤泥進(jìn)行悶料，然后將完成悶料的材料倒入高度和直徑為10cm的試模中，然后將試模放置在萬(wàn)能壓力機(jī)上進(jìn)行試件制備。采用保鮮膜將制備完成含有不同摻量固化劑的固化淤泥試件進(jìn)行包裹，然后將包裹好的固化淤泥試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件的養(yǎng)護(hù)7d和28d，養(yǎng)生完成后對(duì)固化淤泥試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，從而通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)固化劑對(duì)于淤泥質(zhì)土的實(shí)際固化效果。

1.2.3 抗壓回彈模量試驗(yàn)

借助抗壓回彈模量試驗(yàn)評(píng)價(jià)固化后淤泥的力學(xué)性能，從力學(xué)性能角度衡量固化劑的固化功效。抗壓回彈模量試驗(yàn)采用模具尺寸為直徑10cm，高度10cm的圓筒狀試模，將固化淤泥制備成相應(yīng)尺寸試件后放入養(yǎng)護(hù)箱，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)89d，然后進(jìn)行浸水處理1d，將處理好試件放置于測(cè)試設(shè)備上測(cè)定其抗壓回彈模量，取抗壓強(qiáng)度的60%～70%作為回彈模量測(cè)定時(shí)的計(jì)算單位壓力，記錄每次加載卸載完成后千分表的讀數(shù)，計(jì)算固化淤泥試件的抗壓回彈模量。

1.2.4 微觀形貌分析

為了明確固化劑和淤泥質(zhì)土之間的反應(yīng)機(jī)制與微觀形貌，采用透射電鏡(TEM)對(duì)不同類型固化淤泥的微觀結(jié)構(gòu)及形貌進(jìn)行表征，分析淤泥顆粒與固化劑之間的結(jié)合狀況與界面分散狀態(tài)。TEM分析采用JEM-3010高分辨透射電子顯微鏡(TEM)，固化淤泥試樣采用無(wú)水乙醇進(jìn)行分散。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固化淤泥擊實(shí)特性研究

按照15%，18%，20%，23%，25%，28%等含水量制備擊實(shí)試驗(yàn)試樣，采用重型擊實(shí)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。復(fù)合固化劑固化淤泥擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)比分析如圖1所示。

根據(jù)圖1中不同復(fù)合固化劑摻量的固化淤泥擊實(shí)曲線分析可知，隨著含水量逐漸增加，不同固化劑摻量的固化淤泥干密度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，而最大干密度所對(duì)應(yīng)的含水量存在一定差異。

圖1 固化淤泥擊實(shí)曲線及對(duì)比分析

當(dāng)固化劑摻量為1%和2%，干密度在含水量18%處達(dá)到最大值，分別為1.82g/cm3和1.80g/cm3；而當(dāng)固化劑摻量繼續(xù)增大，最大干密度對(duì)應(yīng)的含水量也明顯增大，固化劑含量為3%和4%的固化淤泥在含水量20%處取得最大干密度，分別為1.76g/cm3和1.73g/cm3。同時(shí)，固化劑摻量的增加還在一定程度上縮小了固化淤泥的最大干密度。由圖2分析可知，在固化劑摻量較低時(shí)，降水效果不明顯，最佳含水量提高較小，隨著摻量增加，降水幅度開(kāi)始增大，但當(dāng)固化劑摻量由3%增加到4%時(shí)，降水效果不再明顯。固化劑在摻量較小(3%)的情況下，最佳含水量達(dá)到22%，降水效果較為明顯。

圖2 固化淤泥最佳含水量及最大干密度變化規(guī)律

2.2 固化淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究

固化淤泥試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 固化淤泥抗壓強(qiáng)度變化曲線

固化劑摻量從0增加到4%時(shí)，淤泥的7d抗壓強(qiáng)度提高了約250%，而28d抗壓強(qiáng)度則相應(yīng)提高了約100%，這表明固化材料的摻入能夠顯著提高固化淤泥的強(qiáng)度。同時(shí)復(fù)合固化淤泥的抗壓強(qiáng)度均能滿足規(guī)范的相關(guān)強(qiáng)度要求，可初步確定固化摻加材料的摻量為2%～3%。

2.3 CBR試驗(yàn)分析

不同壓實(shí)度固化淤泥的CBR試驗(yàn)結(jié)果如圖4。由圖4試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著固化材料摻量的增加，不同壓實(shí)度條件下固化淤泥的CBR值逐漸增大；在固化材料摻量較低時(shí)，摻量增加對(duì)于固化淤泥CBR值的提升速率影響較大，但當(dāng)固化材料摻量超過(guò)3%后，CBR值的增長(zhǎng)逐漸趨于平緩，同時(shí)，壓實(shí)度的增大可在一定程度上提高固化淤泥的CBR值。基于CBR試驗(yàn)結(jié)果，可將固化材料的最佳摻加量定在3%左右。

圖4 固化淤泥CBR試驗(yàn)結(jié)果

2.4 固化淤泥抗壓回彈模量試驗(yàn)

固化淤泥抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由固化淤泥抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果可知，在摻量較低的情況下，隨固化劑摻量的增加抗壓回彈模量增加明顯，隨后變化逐漸趨于平緩；固化劑摻量從1%增加到2%時(shí)，抗壓回彈模量增加了約27%，而當(dāng)固化劑摻量由3%增加到4%時(shí)，抗壓回彈模量?jī)H僅增加了約5%，增大速率和幅度顯著降低，這表明固化劑的摻量超過(guò)3%后，其對(duì)固化淤泥抗壓回彈模量的影響不再明顯。因此，從提高固化淤泥抗壓回彈模量方面考慮，宜將固化材料的摻量定為3%。

圖5 固化淤泥抗壓回彈模量變化曲線

2.5 固化淤泥微觀結(jié)構(gòu)表征

對(duì)淤泥和固化淤泥分別進(jìn)行透射電鏡分析，分析淤泥土的微觀形貌，在不同分辨率條件下淤泥及固化淤泥試件的TEM試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。

圖6 風(fēng)干淤泥TEM圖

從圖6中可以看出，淤泥土顆粒形狀不規(guī)則，尺寸大小不一，分散不均勻，并存在明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。對(duì)樣品進(jìn)一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)淤泥土顆粒的表面形貌紋理不清晰，呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，這表明淤泥土的微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并無(wú)規(guī)則的形貌和分界。

從圖7中可以看出，當(dāng)淤泥土與固化材料共混后，固化材料能溝均勻分布于淤泥土顆粒周圍，而分散均勻的固化劑還可將淤泥土顆粒進(jìn)行包裹，并進(jìn)一步形成相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在固化材料的摻加后，淤泥土顆粒尺寸明顯減小，而且土粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，這可能由于固化劑吸收了淤泥土中的水分，降低了淤泥土顆粒之間的粘結(jié)力。

圖7 固化淤泥TEM圖

3 結(jié) 語(yǔ)

在固化劑摻量較低時(shí)，降水效果不明顯，最佳含水量提高較小，隨著摻量增加，降水幅度開(kāi)始增大，但當(dāng)固化劑摻量由3%增加到4%時(shí)，降水效果不再明顯。

固化材料的摻入能夠顯著提高固化淤泥的強(qiáng)度。同時(shí)復(fù)合固化淤泥的抗壓強(qiáng)度均能滿足規(guī)范的相關(guān)強(qiáng)度要求，可初步確定固化摻加材料的摻量為2%～3%。

在固化材料摻量較低時(shí)，摻量增加對(duì)于固化淤泥CBR值、抗壓回彈模量的提升速率影響較大，但當(dāng)固化材料摻量超過(guò)3%后，CBR值和抗壓回彈模量的增長(zhǎng)逐漸趨于平緩。

在固化材料的摻加后，淤泥土顆粒尺寸明顯減小，而且土粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，這可能由于固化劑吸收了淤泥土中的水分，降低了淤泥土顆粒之間的粘結(jié)力。