絮凝固化聯合真空預壓處理高含水率淤泥(漿)試驗研究

徐志豪，章榮軍，鄭俊杰，屠林偉

(華中科技大學 巖土與地下工程研究所，武漢 430074)

近年來，隨著基礎設施與生態工程建設的推進，大量港口碼頭不斷擴建、湖泊河流也相繼開展生態治理。各類工程建設中會產生大體量的高含水率疏浚淤泥(Mud Slurry at Extra High Water Content，以下簡稱EHW-MS)[1-2]。這些疏浚產生的淤泥往往呈流塑態泥漿狀，存在細粒土占比過大、有機質與重金屬離子污染程度較高等不良性質[3]，不適于直接利用和棄置處理[4]。目前，針對大體量EHW-MS采用的主要處理方式仍為堆場處理[5]。其主旨是將淤泥漿泵送至堆放場地，待一定時間自然風干或采用真空和堆載預壓等人工干化技術[6-7]進一步脫水處理后再結合固化劑改性處理進行減量資源化利用。然而，堆場處理后淤泥含水率雖然有所降低[1]，但部分堆場區域仍處于較高含水率水平(>150%)是比較常見的現象，從而大大限制了傳統水泥固化方法(PCSM)的固化效率[8-9]，無法在兼顧經濟性的同時滿足相關資源化利用標準。

圖1 VP-FSCM處理淤泥漿筑堤原理圖

筆者旨在通過室內試驗確定提出的VP-FSCM的可行性和機理，具體工作包括：研究等效初始含水率對VP-FSCM處理EHW-MS后沉積特性與力學特性的影響；探究VP-FSCM的可行性以及其處理優勢隨等效初始含水率的變化規律；采用XRD和SEM測試手段從微觀層面探析VP-FSCM的內在機理。

1 試驗內容

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥取自溫州某堆場，土樣基本物理特性如表1所示。試驗淤泥比重為2.69，天然含水率在90%～110%，約為2倍液限，土樣中含有少量有機質。采用激光粒度分析儀對土樣進行了粒徑分析，得到其粒度組成，如表2所示。根據《土的分類標準》(GBJ 145—90)，將其分類為高液限粉土。

表1 試驗用淤泥基本特性

表2 試驗用淤泥顆粒級配組成

試驗選用的固化劑為42.5#普通硅酸鹽水泥，所用絮凝劑溶液為陰離子AN926SH型有機高分子聚丙烯酰胺(PAM)的水溶液。具體配制方法是將PAM顆粒與水以1∶1 000的比例(質量分數為0.1%)經人工攪拌60 min(轉速為90 r/min)配制而成。

1.2 模型實驗裝置

真空預壓模型試驗裝置主要由帶通氣口的防護蓋板、塑料排水板和模型箱組成(如圖2(a)所示)。模型箱采用厚度為1 cm的有機玻璃材料制成，尺寸為60 cm×12 cm×40 cm(長×寬×高)。其中，通氣口主要是將固化淤泥漿與大氣相通，從而依靠其自身水體密封隔絕空氣的方式進行自密封處理(低位真空預壓工藝)，防護蓋板與模型箱采用可拆卸式螺栓連接。試驗中水平排水板放置于模型箱底部，對排水板一端進行密封，另一端通過抽濾接口將排水軟管連接至抽濾瓶，抽濾瓶濾口通過轉換接頭將軟管與真空泵源進行連接。另外，在模型箱外壁粘貼有一次性塑料刻度條，用于觀測土體沉降。

1.3 實驗流程

2)開展真空預壓工作。將真空泵壓力設定為50 kPa，對VP-PCSM與VP-FSCM實驗組進行50 min低位真空預壓。期間監測試樣沉降情況，記錄試樣邊緣高度變化并測定排入抽濾瓶中水的質量。

3)開展力學特性試驗。養護至指定齡期后，利用取土器按圖2(c)所示齡期布置取樣并刮平，采用圖2(b)所示十字板剪切儀測定不排水抗剪強度su，每個齡期測3個點取平均值，并測定試樣養護后含水率wei。重復前述步驟，直至28 d齡期完成。

圖2 真空預壓模型試驗示意圖

4)開展微觀試驗。待28 d齡期后，按上述區域取距表層一定深度土樣分別做X射線衍射試驗和場發射掃描電子顯微鏡試驗。

1.4 實驗工況

表3 室內試驗工況

2 試驗結果與分析

2.1 沉積特性

為證實上述絮凝劑與真空預壓處理的協同效益，圖3對比了VP-PCSM與VP-FSCM兩種工法處理不同等效初始含水率EHW-MS的沉降量曲線。

圖3 VP-PCSM或VP-FSCM試樣邊緣沉降量變化曲線

結果顯示，VP-FSCM處理后試驗組的沉降速度顯著提升，短時間內即可完成沉降，并且隨著等效初始含水率wei的增加，VP-FSCM沉降量及沉降速率也越大。

2.2 脫水特性

圖4為VP-PCSM或VP-FSCM處理不同等效初始含水率EHW-MS的排水量變化曲線。圖中顯示，VP-FSCM處理后試樣的排水量與排水速度相比VP-PCSM都存在明顯提高，并且其排水量與排水速度均隨著等效初始含水率wei的上升而增長，這一定程度上是因為含水率越高越有利于土顆粒間絮體形態的改善及數量的提升，促進了絮團間大孔隙的生成，從而進一步提高脫水效率。

圖4 VP-PCSM或VP-FSCM處理試樣排水量變化曲線

2.3 力學特性

2.3.1 等效初始含水率對不排水抗剪強度的影響 為充分揭示等效初始含水率對采用3種工法(VP-PCSM、VP-FSCM與FSCM)固化疏浚淤泥的強度特性的影響規律，圖5對比了3種工法處理后試樣各齡期不排水抗剪強度。結果顯示，相較其余兩種工法，EHW-MS經VP-FSCM處理后抗剪強度更高。表明絮凝劑的脫水作用、真空預壓的物理壓實作用以及固化劑的化學粘結作用三者可以共同發揮協同耦合效應優勢。此外，總體來看，VP-FSCM與其余兩種工法的強度差異與等效初始含水率存在著一定相關性，表現為隨著等效初始含水率的增長，VP-FSCM與VP-PCSM的強度差異越來越顯著，但同FSCM對比，其強度差異卻逐步縮小。

圖5 3種工法處理不同wei的EHW-MS后各齡期不排水抗剪強度su對比圖

圖6給出了3種工法處理EHW-MS后不排水抗剪強度隨等效初始含水率wei的變化曲線。顯然，隨著等效初始含水率的增長，3種工法抗剪強度均表現出衰減的趨勢。不同的是，VP-FSCM與FSCM衰減速率緩慢，即使在等效初始含水率為440%的情況下，也有較高的不排水抗剪強度。這表明應用FSCM與VP-FSCM處理淤泥漿后的強度特性受等效初始含水率影響，但其“敏感性”遠不及VP-PCSM工法。由此可以推測，在極高含水率下結合FSCM相比于結合PCSM處理淤泥漿具有更為顯著的強度特性優勢。此外，也可以明顯發現，相較于FSCM與VP-PCSM，VP-FSCM處理后試樣不同齡期間強度差異明顯，表明VP-FSCM的強度增長受齡期的影響較大。

圖6 VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM處理EHW-MS后不排水抗剪強度su隨wei的變化曲線

為深入了解其強度與齡期的關系，分析3種工法的強度增長差異，圖7給出了3種工法處理EHW-MS后不排水抗剪強度隨齡期的變化曲線。圖中顯示，3種工法處理后，試樣強度增長模式仍為早期快速增長中后期增速減緩。但與之不同的是，VP-FSCM在整個強度發展過程中強度增速明顯高于VP-PCSM與FSCM。以等效初始含水率為260%的泥漿為例，VP-FSCM試樣強度7 d可達到約22 kPa，而同等情況下，VP-PCSM與FSCM處理后均在13 kPa左右，相比提高了69.23%。另外，VP-FSCM后期強度增速也明顯較大。

圖7 VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM處理EHW-MS后不排水抗剪強度隨齡期的變化曲線

2.3.2 等效初始含水率對養護后含水率的影響 眾多研究表明，固化淤泥養護后的含水率wac越低，其不排水抗剪強度越高。養護后含水率wac不僅能印證前述VP-FSCM強度優勢，而且也作為表征淤泥固化效率的一個重要指標。圖8對比了3種工法處理不同等效初始含水率wei的EHW-MS各齡期養護后含水率wac。

圖8顯示，EHW-MS經VP-FSCM處理后的養護后含水率明顯低于VP-PCSM與FSCM。這較好地解釋了強度差異的結果，也在一定程度上說明養護后含水率決定了不排水抗剪強度的大小。此外，等效初始含水率不同，3種工法處理的養護后含水率差異也不盡相同。

圖8 3種工法處理不同wei的EHW-MS后各齡期養護后含水率wac對比圖

圖9繪制了VP-PCSM、VP-FSCM、FSCM處理EHW-MS后養護后含水率wac隨等效初始含水率wei的變化曲線。總體來看，3種工法處理后，養護后含水率wac均隨著等效初始含水率wei的增長呈增長趨勢。其中VP-PCSM呈線性增長趨勢，而VF-FSCM與FSCM則表現出先快后慢的增長趨勢。此外，可以發現隨著等效初始含水率wei的增長，VP-FSCM與VP-PCSM的養護后含水率wac差異越來越大，但與FSCM逐漸接近。

圖9 3種工法處理后養護后含水率wac隨wei的變化曲線

為了進一步闡明等效初始含水率對固化淤泥漿養護后含水率wac隨齡期的影響規律，圖10給出了3種工法處理EHW-MS的養護后含水率隨齡期的變化曲線。圖10表明，VP-FSCM的養護后含水率衰減主要在早期階段進行，后續隨著水化反應的持續進行而略有下降，這與VP-PCSM及FSCM的發展模式相近，也印證了上述強度增長規律為早期快速增長而中后期緩速增長的模式，但VP-FSCM早期衰減速率明顯快于VP-PCSM與FSCM。以等效初始含水率為440%的泥漿為例，VP-FSCM的試樣7 d養護后含水率為203.75%，而同等情況下VP-PCSM與FSCM分別為341.17%與229.73%，分別降低了約40.28%與11.31%。

圖10 VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM處理EHW-MS的養護后含水率wac隨齡期的變化曲線

2.4 微觀機理探析

為了解VP-FSCM處理EHW-MS的微觀固化成分，對兩組典型含水率工況wei=260%與wei=440%的EHW-MS經3種工法處理28 d后的土樣進行了XRD分析，組分譜圖如圖11所示。

圖11 wei=260%與wei=440%的EHW-MS經VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM處理后XRD譜圖

圖11表明，VP-FSCM處理的EHW-MS固化產物中，CSH與CASH凝膠含量較VP-PCSM與FSCM顯著提升，并且含水率越低，效果越顯著。CSH與CASH起著填充孔隙，膠結土顆粒的作用，促進了固化泥漿強度的發展[16]，從而在微觀層面給予了VP-FSCM強度較高的合理解釋。

為了進一步探析VP-FSCM處理EHW-MS的固化微觀機理，采用場發射掃描電鏡對固化淤泥試樣的微觀形貌進行微觀測試。圖12為典型工況wei=260%與wei=440%的EHW-MS經3種工法處理后的10 000倍SEM照片。可以發現，相同等效初始含水率下的EHW-MS經VP-FSCM處理后水化產物鈣礬石與C(A)SH凝膠發育形態突出、數量較多。其中，鈣礬石已發育成密集的棒簇狀聚集體，C(A)SH凝膠也呈團簇狀聯結著土顆粒，在固化過程中填充于顆粒之間的大孔隙中，使得土體內部大孔隙逐漸縮小甚至填充閉合，兩者的共同作用使得土顆粒間更加致密，土體強度增加[17]。同時，從整體來看，VP-FSCM處理EHW-MS后，雖在早期絮凝脫水過程中形成較大孔隙，但在養護過程中已經被C(A)SH、鈣礬石填充密實，孔隙大大減少，以致強度明顯高于VP-PCSM與FSCM。對比VP-FSCM處理等效初始含水率為260%和440%的EHW-MS后SEM照片發現，在等效初始含水率為260%時,EHW-MS固化后的鈣礬石與C(A)SH凝膠發育程度較高，且孔隙更小、更少，結構更加緊湊致密，強度更高。出現此現象的原因是在等效初始含水率為260%的情況下，水泥水化反應所需的水分已經充足，而當等效含水率逐漸增大時，除水化反應所需的水之外，多余部分會分布于土體顆粒的孔隙之中，使得C(A)SH凝膠及其他膠凝材料在單位體積中的數量較少[16]，不足以提供有效的膠結土顆粒、填充孔隙、支撐土骨架作用[18]，因而強度隨等效含水率有明顯的下降趨勢。

圖12 wei=260%與wei=440%的EHW-MS經VP-PCSM, VP-FSCM或FSCM處理后養護28 d的10 000倍SEM照片

2.5 VP-FSCM的適用性探究

為深入評估VP-FSCM在強度特性上的優越性及其隨等效初始含水率的變化規律，引入強度比參數λ與μ，定義分別見式(1)、式(2)。將強度比參數λ與μ分別作為定量衡量VP-FSCM相比于VP-PCSM、FSCM在強度特性方面展現處理效率優勢的一個重要參數。

(1)

(2)

式中：λ為VP-FSCM與VP-PCSM不排水抗剪強度之比；μ為VP-FSCM與FSCM不排水抗剪強度之比；SuVF、SuVP、SuF分別為VP-FSCM、VP-PCSM與FSCM處理后固化淤泥的不排水抗剪強度，kPa。

圖13給出了不同等效初始含水率的EHW-MS各齡期下的λ值與μ值。圖中顯示，λ值與μ值主要受等效初始含水率wei的影響，與齡期關系不大。其中，λ值隨著等效初始含水率wei的增長呈遞增趨勢，最高可達到3.73倍。μ值隨著等效初始含水率的增長呈遞減趨勢，高含水率下最低可降至1.2倍。結合λ值與μ值的意義來看，表明在高等效初始含水率下，VP-FSCM相比于VP-PCSM的強度優越性越顯著，而相比于FSCM的強度優越性漸不明顯。

圖13 不同wei的EHW-MS各齡期下的λ值與μ值

3 結論

基于室內模型試驗研究了等效初始含水率對VP-FSCM處理EHW-MS后物理力學特性的影響，探究提出的VP-FSCM的可行性和機理，得到以下主要結論：

2)結合XRD與SEM試驗，VP-FSCM的強度特性優勢在微觀層面上體現為其C(A)SH凝膠、鈣礬石等水化產物數量及發育程度得到明顯提升，結構的填充與密實效應顯著，宏觀上體現為加固后的十字板強度明顯提高，土體整體得到了有效加固。

3)隨著等效初始含水率的增長，VP-FSCM相比于VP-PCSM的處理效率優勢逐漸顯著，而相比于FSCM，雖仍具有一定優勢，但優勢逐漸弱化。