成型及養護制度對疏浚土塊體力學性能影響試驗研究

吳峰 高濤 王鋅鑫 柴星宇

摘 要：以航道整治疏浚土為原料，采用半干法壓制成型的方法制備水泥基材料。當疏浚土：水泥：礦粉：石膏：石灰=65：18：12：2：3時，成型壓力20MPa、標準養護及水固比15.0%條件下，通過壓制成型的疏浚土水泥基材料28天抗壓、劈裂抗拉和浸水強度分別為25.1MPa、2.5MPa和23.3MPa，可以達到C20混凝土標準。基于水泥、礦粉等無機結合料，以疏浚土為主要原料制備的水泥基材料抗壓、劈裂抗拉強度高，水穩定性好，可替代普通混凝土制備壓載塊等水工材料就地應用于港航工程，滿足水工應用需要。

關鍵詞：疏浚土塊體;成型條件;養護制度

1前言

近年來我國水運事業發展迅猛，為了更好地滿足船舶的通行，需要提升航道等級。疏浚作為提升航道等級的主要手段，會產生大量的疏浚砂土，傳統的處理方式即拋棄到指定水域，不僅對環境會造成破壞而且施工不當還會延誤工期使工程成本增加。隨著“綠色水運、生態航道”理念的推廣，將水運工程中的大量廢棄疏浚土進行資源化處理引起了科技工作者的廣泛關注[1-2]。

研究表明將淤泥和砂性棄土進行混合，摻入淤泥和砂性棄土研究其力學特性，經固結處理之后，土體的膨脹系數較小而阻力增長系數較大[3]。以黃河淤泥為原料，在添加粉煤灰等材料的基礎上制備承重多孔磚，發現淤泥制備的多孔磚與黏土制備的多孔磚具有類似的性能[4]。Basha[5]等人分析了水泥和稻殼灰對廢棄土固結程度和力學性能的影響，研究結果表明向廢棄土中加入水泥和稻殼灰會降低廢棄土的塑性，并且水泥和稻殼灰含量增加，廢棄土的抗壓強度也會增加，最終提出了最佳的水泥和稻殼灰配比來對廢棄土進行固結處理。

本文針對黃河流域疏浚土特性，通過添加適量水泥、石灰、石膏等廉價原料，探尋采用半干法壓制成型方法將疏浚土制備成壓載塊、護面磚等水工材料的成型條件和養護方法。

2 實驗材料及方法

疏浚土的顆粒形貌見圖1，顆粒的級配見圖2，從圖中可知，土顆粒較小，成絮狀聚集成整體，顆粒之間有黏連，邊緣毛糙不光滑。

按配比稱取一定量干土、水泥、石膏、石灰、礦粉，加水拌和均勻。試件尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體。成型方法為在20MPa下400N/s的加壓速率壓制成型。養護方法為在壓制成型后的試件定期灑水養護。檢測其抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度，依照DL/T 5150—2006（《水工混凝土試驗規程》），其中浸水強度需試件到達檢測齡期后浸泡水中4天后檢測。

3結果與討論

3.1 壓制強度

試件通過壓制成型使其擁有部分的早期強度，也為后期強度的形成創造了有利條件，在壓力作用下顆粒之間更加緊實，材料顆粒之間的物理化學反應可以持續地進行。

試件成型的壓力選取為5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa和30MPa，在水固比為12%的條件下，疏浚土、水泥、石膏用量為70%、18%、2%時，在標準養護28d后，成型的壓力與28天抗壓、劈裂抗拉、浸水強度關系見圖3。

從上圖可知，固化材料28d的強度與成型壓力成正比。但并非成型壓力越大越好，成型壓力在20MPa以下時隨著成型壓力增加試件強度上升較快，成型壓力大于20MPa時隨著成型壓力增加，試件強度上升平緩。一般而言，試件強度隨成型壓力增加而增加，當成型壓力過大時，能耗、成本和設備的要求增加，壓縮空氣的反作用力更大，反而使得試件不利成型。綜合考慮，試件成型壓力選用20MPa。

3.2 成型水分的影響

影響試件強度另一個十分重要的因素是壓制成型中的含水率，試件中的水起著多種作用，不僅作為潤滑劑為顆粒移動潤滑，并且可以使物料混合更加均勻，此外還是各種外加劑的溶劑，十分關鍵的是壓制成型中試件的水本身能和原材料有關成分發生水化反應。許多試驗發現壓制成型的含水率并非越大越好，而是有一個最佳含水率，當含水率過大壓制過程中容易出現黏模，而含水率太低的時候，壓制成型的試件密實度很低使得其強度不高。除此之外，試件壓制成型過程中所使用的壓力也是影響試件性能的重要原因，壓制成型的壓力不同對應著不同的最佳含水率。本文以20MPa的壓強探究在此壓強下的最佳含水率。

當選定成型的壓力20MPa，疏浚土的用量固定為70%時，水泥、石膏摻量為18%、2%，在此條件下選取水固比分別為10%、11%、12%、13%和14%，標準養護28天，摻水量對疏浚土水泥基材料28天性能影響曲線圖見圖4。

從圖4知，成型水分從13%逐漸增加到15%時試件的強度持續增長，當成型水分達15%，試件抗壓、浸水、劈裂抗拉強度均達到最大，當成型水分大于15%時試件的強度持續衰減。這是因為適量的水能夠與物料中充分發生水化反應使得試件強度提高。當含水率低于15%時，試件中的水量不足以與原料發生完全的水化反應，以至試件松散沒有粘結力，導致試件成型后出現分層、裂隙，強度不足。當含水率高于15%時，試件中水量過多出現過多泌水現象，太多的水既阻礙了固化劑與材料的作用，也降低了試件的密實度。根據試驗結果，本試驗選取最佳的成型水分為15.5%。

3.3 養護制度

在標準養護、自然養護、室內定期灑水養護和浸水養護條件下，進行了壓制成型疏浚土固化材料的力學性能試驗并比較了四種養護方法對固化材料軟化性能的影響。固化材料的標準養護制度是溫度20±2℃，濕度≥95%;定期灑水制度為每24小時灑水一次，浸水養護制度為成型脫模后的試件標養3天后浸水養護。

固定試驗原料質量配比為疏浚土：水泥：礦粉：石膏=70：18：10：2，成型壓力20MPa，成型水分15.5%條件下，考慮標準養護、自然養護、室內定期灑水養護和浸水養護條件下不同養護條件對固化材料28d劈裂抗拉、抗壓、浸水強度的影響。

疏浚土水泥材料常溫條件下強度主要來源于水泥熟料礦物的水化反應，以及由外部提供的固化材料中水泥熟料礦物自身水化所需要的水分。由圖5可知，自然養護試件28天抗壓強度、抗劈裂強度及抗水性能較差，這是由于自然養護無法提供固化材料中水泥熟料礦物自身水化所需要的水分所致。室內定期灑水養護試件性能相比自然養護有所提高，其28d浸水強度為20.76MPa，為試件抗壓強度（即軟化系數）的91.1%。標準養護試件的性能最佳，其28d浸水強度為22.25MPa，為試件28天抗壓強度94.8%，明顯提高了試件的抗水性能。標養3天后浸水養護強度較之標準養護的試件性能有所下降，但不明顯。可見，溫、濕度對試件影響很大，適宜的養護方式對強度發展有著有益的促進作用。

4結論

（1）當疏浚土：水泥：礦粉：石膏=70：18：10：2，成型壓力20MPa，成型水分15.5%條件下，通過壓制成型的疏浚土水泥材料28天抗壓、劈裂抗拉和浸水強度分別為23.5MPa、2.3MPa和20.7MPa，可以替代C20普通混凝土應用。

（2）基于水泥、石膏和礦粉等無機結合料，以航道工程整治疏浚土為主要原料，通過半干法壓制成型制備疏浚土水泥基材料。制備的固化材料抗壓、劈裂抗拉強度高，水穩定性好，可替代普通混凝土制備壓載塊等水工材料就地應用于港航工程，滿足水工應用需要。

參考文獻：

[1]朱偉，張春雷，劉漢龍，等.疏浚泥處理再生資源技術的現狀[J].環境科學與技術，2002，25（4）：39-41.

[2]王磊明，肖慧榮，程小軍，等.硅酸鹽制品半干壓成型制度的研究[J].江西建材，2000（3）：17-23.

[3]Mun K J， Hyoung W K， Lee C W. Basic Properties of Non-sintering Cement Using phosphogypsum and Waste Lime as Activator[J]. Construction and Building Materials，2007，21：1342-1350.

[4]林宗壽，黃赟.堿度對磷石膏基免煅燒水泥性能的影響[J].武漢理工大學學報，2009，31（4）：132-135.

[5]Basha E A; Hashim R;Mahmud H B;Muntohar A S.Stabilization of residual soil with rice husk ash and cement[J]. Construct Build Mater，2005，19（6）：448-453.