高含水率疏浚底泥固化及強度預測模型

2022-09-24 02:41:34馬學通高德彬嚴耿升

中國農村水利水電 2022年9期

馬學通，高德彬，雷穎，嚴耿升

（1.長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054；2.黃土高原水循環與地質環境教育部野外科學觀測研究站，甘肅正寧 745399；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

城市河網疏浚會產生大量的疏浚底泥，疏浚底泥力學性質差，因此目前常用的處理措施是就近堆填，這不僅會侵占大量的土地，同時底泥中的污染物可能會對環境造成二次污染［1，2］。在綠色低碳發展背景下，固化工藝作為一種可以固定底泥中有害物質并提高底泥強度的處理工藝而被廣泛應用。眾多類型的底泥固化劑，如硅酸鹽水泥、石灰、高爐礦渣、水泥窯灰、粉煤灰、稻殼灰、電石渣及活性氧化鎂等均已廣泛用于底泥固化改性領域。張偉等［3］采用粉煤灰、爐渣作為固化劑，并利用神經網絡建立了固化底泥強度預測模型。杭天飛等［4］根據單軸抗壓試驗結果指出粉煤灰的摻入可以有效提高固化底泥的后期強度。丁慧等［5］探討了采用粉煤灰及礦粉固化疏浚底泥的可行性。崔勇濤等［6］采用水泥、石灰組成的復合固化劑對底泥進行改良，結果表明隨著齡期及固化劑含量增大，固化底泥滲透系數明顯變小。Horpibulsuk 等［7］研究表明，水泥摻量與水泥土的無側限抗壓強度關系曲線具有明顯分區，當水泥摻量小于分界摻量時，水泥固化土強度增長較為緩慢。H.J.H.BROUWERS等［8］指出水泥和生石灰對疏浚底泥中有害成分的消解呈現互補效應。章榮軍等［9］、鄭少輝等［10］指出，當水泥摻量較小時，固化高含水率海泥的強度隨水泥摻量的增加呈非線性增大，當摻量較大時，其呈線性增大。由于水泥、生石灰等屬于鈣基材料，容易對環境造成破壞，而Cheng［11］、王東星［12］、何晶等［13］指出堿性材料可以有效提高固化劑活性，增強材料固化后的力學強度，同時可以有效減少鈣基材料的使用，且在高性能混凝土中得到廣泛應用，但其在巖土工程領域的應用尚未推廣。基于此，本文結合“西安市全域治水工程”實踐，通過正交試驗研究了不同摻量水泥、生石灰、礦渣、聚丙烯及高分子吸水樹脂對灞河河道疏浚底泥的固化效果，并建立了固化底泥強度預測模型，為疏浚底泥用于濱河沙坑回填、路基填筑、異地填埋處置等的強度預測提供依據。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗選用灞河右岸岸坡底部的疏浚底泥，呈暗黃色。底泥物理性指標及其他物質含量測試結果見表1。可以看出，底泥天然含水率超過液限，屬高壓縮性黏性土。同時，與其他陸相沉積的土體存在明顯的差異，即底泥含有機質、磷鉀及重金屬等物質。試驗用的固化劑選擇普通硅酸鹽水泥、生石灰、聚丙烯、礦渣及高分子吸水樹脂等5種材料。

表1 試驗用土物理力學指標Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil

1.2 試樣制備及試驗方法

1.2.1 正交試驗設計

試驗目的是為確定復合疏浚底泥固化劑中各因素水平對固化疏浚底泥的固化效果，以水泥摻量（A）、生石灰摻量（B）、聚丙烯摻量（C）、礦渣摻量（D）及高分子吸水樹脂摻量（E）作為正交試驗的5 個因素，每個因素選取5 種水平，選用L25（55）正交表見表2。

表2 正交試驗各因素水平 %Tab.2 Levels of factors in orthogonal test

1.2.2 試樣制備

根據表1中天然含水率將試樣含水率設定為50%。試驗前將疏浚底泥以75 ℃烘干后用木碾碾散且過2 mm 篩，并加水攪拌浸潤24 h 以上，而后將固化劑摻入疏浚底泥中攪拌均勻后制樣。

由于試樣含水率較高，采用擊實法制樣會導致試樣的含水率在制樣過程中發生變化而影響試驗結果，因此本文選用振動密實法進行室內制樣。首先將攪拌好的混合土裝入內徑50 mm、高度100 mm 的圓柱形樣盒內，再放置于混凝土振動臺上振動5 min 以密實試樣。試樣制備完成后稱量試樣質量，以確保試樣密度保持相同。最后在溫度20±2 ℃條件下，將試樣放入保濕器中養護1 d 脫模，并繼續養護至預定齡期（7 和28 d）進行試驗。強度試驗選用應變控制式無側限壓力儀進行強度測試，加載速率1.0 mm/min。為了減少試驗誤差，取每組3 個試樣的平均值作為該組試樣的最終抗壓強度。

2 試驗結果及分析

2.1 無側限抗壓強度試驗結果

無側限抗壓強度試驗結果見表3。

由表3 可知，不同固化材料組合的固化試樣的28 d 抗壓強度均大于7 d。7 d 養護時間條件下，試驗編號22（A5B2C1D5E4）對應的復合固化試樣的無側限抗壓強度最大，其抗壓強度為1 461.5 kPa，同等試驗條件下，28 d養護期所對應的最大強度為3 544.2 kPa，且為同一試驗編號，表明在該編號對應的固化材料組合條件下，各固化材料可較其他組合大程度地發揮其固化效應，該固化效應具協同性，使得固化試樣抗壓強度整體增大，且具有持續性，不會隨著養護時間的變化存在差異性。因此，該組固化材料配比為最優水平組合，其最優配比為：水泥（A）∶生石灰（B）∶聚丙烯（C）∶礦渣（D）∶高分子吸水樹脂（E）=2 000∶400∶10∶1 100∶8。

表3 無側限抗壓強度試驗結果Tab.3 Test results of unconfined compressive strength

2.2 極差及方差分析

通過計算正交試驗各因素的極差并構建方差統計量F，分析不同固化劑對固化底泥強度的影響主次關系，計算結果見表4、5。

表4 7 d正交試驗分析結果Tab.4 Analysis results of 7 d orthogonal test

表5 28 d正交試驗分析結果Tab.5 Analysis results of 28 d orthogonal test

由表4、5 可知，礦渣摻量對固化疏浚底泥的強度影響程度最大，其次為水泥及生石灰。另外發現，聚丙烯與高分子吸水樹脂的影響次序發生變化，高分子吸水樹脂在養護后期對固化試樣抗壓強度的增長有促進作用，而聚丙烯僅在養護前期較高分子樹脂對固化強度的增長略有優勢，這可能與高分子吸水樹脂的特性有關。

由圖1 可以看出，各固化劑對底泥固化強度的影響程度順序為D＞A＞B＞C＞E。即礦渣＞水泥＞生石灰＞聚丙烯＞高分子吸水樹脂。同時，各固化劑對底泥固化強度的影響程度不完全一致。底泥的固化強度隨著礦渣（D）和水泥（A）摻量的不斷增加不同程度地增大，其中，固化強度隨著礦渣摻量的增大呈現較陡的增長趨勢，而水泥增長趨勢相對較緩，D5、A5分別為兩者的最佳摻量；底泥固化強度隨生石灰（B）、聚丙烯（C）、與高分子吸水樹脂（E）摻量增加呈現先增大后減小的趨勢，表明該3種固化材料存在最佳摻量值，其分別為B2、C1和E1。

圖1 正交試驗分析結果Fig.1 Analysis results of orthogonal test

產生這一現象的可能原因分析如下：①聚丙烯、高分子吸水樹脂不與底泥成分發生化學反應，其中聚丙烯僅是利用了纖維自身的抗拉性能以改善土體開裂等問題，因而對固化土的抗壓強度影響較小［14］。②高分子吸水樹脂僅起到保水及釋水作用，從而增大固化底泥的強度［15］。③而水泥、生石灰與底泥中的水發生化學反應，生成一系列的水化產物，且該水化產物具黏結性大及強度高等特點，并消耗了底泥中的自由水及孔隙水，從而固化強度在宏觀上表現為強度增大；同時，對底泥中有害物質的固化作用也顯著提升［8］。④礦渣作為堿性材料，除了發生與水泥、生石灰類似的水化反應外，還可以提供足夠的堿性環境，有效促進水泥、生石灰與底泥之間的化學反應［8，13］，因此，礦渣的摻入對底泥強度的提升有促進作用。

由此可知，底泥固化除了采用物理方法降低高含水率疏浚底泥外，還可以采用化學固化方法，該方法可有效封閉底泥中的有害物質。另外，可以節省大量的運輸成本，減少占地面積，同時，其處理規模較其他固化工藝大，也積極響應了“資源再利用型社會”的號召。

3 固化底泥強度預測模型

為了建立底泥強度的預測公式，根據自變量的顯著性排序，基于逐步法進行多元線性回歸［16］。每次引入一個具有統計學意義的自變量，由少至多依次進行線性回歸分析，并對引入的所有自變量進行檢驗，若其無統計學意義則剔除該自變量，直到納入無統計學意義的因素為止，該過程中變量的引入和剔除交替進行。預測結果見表6、7，預測公式中A、B、C、D分別為水泥、生石灰、礦渣和聚丙烯纖維摻入質量百分數，E為高分子吸水樹脂摻入質量千分比，預測公式R2如圖2所示。