復合固化材料固化淤泥無側限抗壓強度研究

曾照波，郭航燕

(新疆北新路橋集團股份有限公司，烏魯木齊 830002)

0 引言

我國大部分疏浚后的淤泥放置在堆場，但是堆場放置的淤泥只靠天然蒸發(fā)遠遠達不到預期效果，含水率仍然較高。近年來，淤泥產(chǎn)量不斷增加，很多學者采用各種辦法來處置疏浚淤泥，取得了一定的效果。王東星等向淤泥中加入大摻量的粉煤灰作為固化材料，效果顯著，固化淤泥土的最佳含水率明顯降低，最大干密度、無側限抗壓強度、抗拉強度及彈性模量均有提高[1]。曹玉鵬等利用水泥等新型復合固化材料處理高含水率的疏浚淤泥[2]。張婉吟等利用巖土固化劑來處理淤泥，發(fā)現(xiàn)并非摻量越高越好，應根據(jù)實際情況合理使用巖土固化劑，同時發(fā)現(xiàn)B固化劑的效果最好，用料少，節(jié)省資源，可以明顯縮短工期[3]。夏雄等利用普通硅酸鹽水泥作為固化劑，并對固化劑的合理摻量進行了研究[4]。曲濤等利用水泥固化土的無側限抗壓強度試驗，分析了水泥固化土在實際工程中的應用前景[5]。選取典型的河道淤泥，利用不同摻量的水泥和生石灰作為固化劑，對固化淤泥土進行擊實試驗、無側限抗壓強度試驗，通過SPSS正交設計分析軟件，探究其變化對淤泥強度性能的影響，嘗試得到一種經(jīng)濟型配比的固化劑。

1 配合比設計及擊實試驗

采用化學處理方法對典型的河道淤泥進行固化，固化用到的原料是水泥和生石灰。每一種固化劑對于淤泥的強度都有一定的影響，要想全面了解這兩種固化劑對試驗的影響是非常復雜的。研究表明，用生石灰與水泥作為固化劑時，生石灰超過一定摻入量后，強度不會增加反而會呈下降趨勢，即生石灰的摻入量并不是越高越好。結合具體情況，參照已有[6]的試驗結果，確定水泥劑量分別為2%、5%和8%(均為質量比)，生石灰劑量分別為4%、8%和12%，剩余的成分為淤泥含量。利用SPSS軟件，對水泥、生石灰和淤泥這三種材料進行正交試驗設計，再利用重型擊實方法對上述材料擊實[7]，計算得到最大干密度和最佳含水率，如表1所示。

表1 復合固化劑固化淤泥土最大干密度與最佳含水率結果Tab.1 Results of maximum dry density and optimum moisture content of the solidification of silt soil through compound curing agent

2 試件制備及養(yǎng)生

按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)[8]的規(guī)定要求制備試件，尺寸均為直徑×高=50 mm×50 mm的圓柱形無側限抗壓強度試件并進行恒溫恒濕養(yǎng)生，養(yǎng)生溫度控制在20℃±2℃、濕度控制在大于95%。

3 無側限抗壓強度的結果及分析

3.1 無側限抗壓強度計算

養(yǎng)生6 d后的試件浸水1 d后，進行無側限抗壓強度試驗，試驗加載速度為1 mm/min，按照式(1)和式(2)計算無側限抗壓強度：

(1)

式中：RC—固化淤泥土試樣的無側限抗壓強度，MPa；P—固化淤泥土試樣破壞時的最大壓力，N；A—固化淤泥土試樣的截面積，mm3。

(2)

式中：D—固化淤泥土試樣的直徑，mm)。

同一組配比的試驗需要進行6個試件的重復試驗，最終取6個試驗數(shù)據(jù)的代表值為無側限抗壓強度，試驗結果如表2所示。由表2可知，當生石灰劑量一定時，隨著水泥劑量的增加，7 d和28 d無側限抗壓強度基本呈上升趨勢；當水泥劑量一定時，隨著生石灰劑量的增加，7 d和28 d無側限抗壓強度變化幅度不大，且無明顯的規(guī)律。

表2 復合固化劑固化淤泥土7 d、28 d無側限抗壓強度試驗結果Tab.2 Results of unconfined compressive strength test maximum 7 d and 28 d after the solidification of silt soil through compound curing agent

3.2 無側限抗壓強度正交分析

利SPSS正交設計分析軟件，采用方差分析方法研究兩個因素，即生石灰和水泥的不同摻量對固化淤泥土7 d、28 d無側限抗壓強度的影響程度，從而得出其主體間的效應檢驗，如表3和表4所示。

表3 主體間的效應檢驗(7 d)Tab.3 Inter-subject effect test(7 d)

表4 主體間的效應檢驗(28 d)Tab.4 Inter-subject effect test(28 d)

由表3可知，水泥摻量的差異性顯著的檢驗值(Sig.)為0.011，小于0.05，說明水泥摻量對固化淤泥土的7 d無側限抗壓強度影響顯著；而生石灰摻量的差異性顯著的檢驗值為0.284，大于0.05，說明生石灰對7 d無側限抗壓強度影響不顯著。

由表4可知，水泥摻量的差異性顯著的檢驗值(Sig.)為0.014，小于0.05，說明水泥摻量對固化淤泥土的28 d無側限抗壓強度影響顯著；而生石灰摻量的差異性顯著的檢驗值為0.694，大于0.05，說明生石灰對28 d無側限抗壓強度影響不顯著。

為了分析2%、5%和8%的水泥摻量之間的差異關系，對其分別進行7 d、28 d多重比較，分析如表5和表6所示。

表5 多重比較分析表(7 d)Tab.5 Analysis of multiple comparisons(7 d)

表6 多重比較分析表(28 d)Tab.6 Analysis of multiple comparisons(28 d)

基于觀測到的均值。誤差項為均值方=0.004。均值差值在 0.05 級別上較顯著。

由表5可以看出：2%的水泥與5%的水泥的差異性顯著的檢驗值(Sig.)為0.288，大于0.05，說明2%與5%水泥摻量之間差異不顯著，而2%與8%水泥之間和5%與8%水泥之間的Sig.值分別為0.005和0.013，均小于0.05，說明其差異非常顯著，且2%與8%水泥的影響更顯著。

基于觀測到的均值。誤差項為均值方 (錯誤)=0.003。均值差值在 0.05 級別上較顯著。

由表6可以看出：2%的水泥與5%的水泥的差異性顯著的檢驗值(Sig.)為0.081，大于0.05，說明2%與5%水泥摻量之間差異不顯著，而2%與8%水泥之間和5%與8%水泥之間的Sig.值分別為0.006和0.036，均小于0.05，說明其差異非常顯著，且2%與8%水泥的影響更顯著。

為進一步分析不同摻量水泥和生石灰對于固化淤泥土強度的影響，對其分別進行7 d、28 d無側限抗壓強度均值計算，如表7、8、9、10所示。

表7 不同摻量水泥對應的固化淤泥土7 d無側限抗壓強度均值Tab.7 Mean value of unconfined compressive strength 7 d after the solidification of silt soil under different volumes of cements

根據(jù)表7、表8、表9和表10可知，綜合考慮不同摻量的水泥和石灰對固化淤泥土的7 d和28 d無側向抗壓強度的影響，水泥對固化土的無側向抗壓強度影響最大，即水泥含量越大，固化土的7 d和28 d強度越大。

表8 不同摻量生石灰對應的固化淤泥土7 d無側限抗壓強度均值Tab.8 Mean value of unconfined compressive strength 7 d after the solidification of silt soil under different volumes of lime

表9 不同摻量水泥對應的固化淤泥土28 d無側限抗壓強度均值Tab.9 Mean value of unconfined compressive strength 28 d after the solidification under different volumes of cements

表10 不同摻量生石灰對應的固化淤泥土28 d無側限抗壓強度均值Tab.10 Mean value of unconfined compressive strength 28 d after the solidification under different volume of lime

4 結論

運用正交試驗方法對復合材料固化淤泥土的無側限抗壓強度試驗進行正交設計，并運用SPSS軟件進行試驗數(shù)據(jù)分析，確定影響無側限抗壓強度的因素。對應8%的水泥劑量和12%石灰劑量的固化土，其7 d無側向抗壓強度的代表值為0.9 MPa，在水泥劑量相同的條件下，隨著石灰劑量的增大，28 d無側向抗壓強度增加得不明顯。

水泥對固化土的無側向抗壓強度影響最大，即水泥含量越大，固化土的7 d和28 d強度越大，但是，過大的水泥劑量容易造成固化土的干縮，并不夠經(jīng)濟。