黃河口有機質疏浚土壓縮特性及改良利用研究

2023-02-21 06:46:38劉勇文

人民黃河 2023年2期

劉勇文，胡畔，馬力

（1.黃河水利職業技術學院土木與交通工程學院，河南開封 475004；2.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州 450001）

為了改善河流通航條件，擴大運輸通道，并有效控制洪水，我國每年產生3.5億～4.0億m3的疏浚土［1］。因疏浚土體量龐大、理化性質迥異、污染程度不同，故其處置面臨著巨大的挑戰。

長期以來，疏浚土處置方法以填埋、堆放和海洋拋泥為主，不僅占用大量土地，而且在雨水沖刷作用下可能帶來重金屬、有機物等二次污染，此外土中有益成分不能得到合理利用，造成資源浪費［2］。近年來，疏浚土建材化開始引起重視，由于疏浚土往往具有高壓縮性、低強度等特點，因此將其建材化利用之前需要摻入改良材料。國內外學者以水泥［3］、粉煤灰［4－5］、聚丙烯酰胺（PAM）［6］、鋼渣［7－8］、活性MgO［9］為改良材料，開展了一系列研究工作，總體上發現在不同含水率和干密度下，改良后疏浚土的強度指標提升明顯，固結系數等指標有所改善。此外，還有學者對多種改良材料的復合改良效果開展了研究，在考慮經濟成本的前提下，提出了淤泥、水泥、礦粉、石膏4種改良材料之間的最優配比［10］。上述許多工作從含水率、干密度等角度研究了疏浚土的工程性質及改良方法，這是對大多數建材化用土進行研究的常規思路。然而疏浚土本身是一種性質復雜的材料，其性質與其含有大量有機質密不可分，而目前對不同有機質含量改良疏浚土的相關研究較少。

鑒于此，本文從考慮有機質含量的角度出發，通過試驗確定了不同有機質含量疏浚土的工程指標，采用掃描電鏡（SEM）和X射線熒光光譜分析（XRF）對疏浚土的微觀結構及礦物成分進行了分析，并通過一維固結試驗，分析不同改良方案（石灰、粉煤灰、火山灰）下疏浚土的壓縮特性，探討有機質含量對改良效果的影響，最后提出合理的疏浚土改良配比，旨在為水運工程中疏浚土的建材化利用提供參考。

1 試驗材料

本研究使用的疏浚土為山東省黃河入海口某河段底泥，疏浚工程目標為：減少內源污染，改善水環境；拓浚河道斷面，恢復河道行洪能力。將采集的底泥樣品（見圖 1）密封保存，標注編號，在避光條件下運送至實驗室。隨后將樣品放在陰涼通風處自然風干，過0.5 mm尼龍篩。疏浚土中黏粒（粒徑＜0.005 mm）含量為42%，粉粒（0.005 mm≤粒徑＜0.075 mm）含量為57%，其基本物理性質指標見表1。

圖1 采集的疏浚土樣品

表1 疏浚土的基本物理性質指標

采用石灰、火電廠粉煤灰和火山灰作為改良材料，密度分別為2.45、2.65、2.54 g／cm3，研究不同有機質含量疏浚土的改良效果。

2 試驗方案

有機質含量OMC測定根據《土工試驗方法標準》（GB／T 50123— 2019）［11］進行，天然疏浚土OMC值約為11%。將疏浚土樣品在440℃溫度下進行烘烤，對烘烤時間進行標定，獲得不同有機質含量（0%、4%、7%、11%）的未改良疏浚土樣品（對應編號為0OM、4OM、7OM、11OM），如圖2所示。

圖2 不同有機質含量的疏浚土樣品

采用掃描電鏡（SEM）來觀察疏浚土的微觀結構，同時進行X射線熒光光譜分析（XRF）以獲取疏浚土的礦物成分信息。建材一般有壓縮性、抗裂性等方面的要求，本文主要針對壓縮性開展研究，采用一維固結試驗來測定天然疏浚土及改良土的孔隙比、壓縮指數、體積壓縮系數，摻入的改良材料含量分別為5%、10%、15%和20%，相應的編號規則見表2。

表2 改良疏浚土編號規則

一維固結壓縮試驗根據《土工試驗方法標準》（GB／T 50123— 2019）［11］進行，固結室中充滿蒸餾水，因此所有試樣在試驗期間始終保持飽和。在加載期開始前，首先施加5 kPa的初始軸向應力，固結24 h后在豎直方向施加24.5、49、98、196、392、784 kPa的應力，加載時間為24 h。選擇的負荷增量比為1，以確保疏浚土的固結曲線形態與太沙基理論固結曲線［12］相似，然后卸載至196、49 kPa，以確定膨脹性能。每種試驗條件下至少重復2次試驗，以檢驗結果的可靠性，如果結果不合理，則重復第3次試驗甚至更多。

3 試驗結果及分析

3.1 有機質含量對天然疏浚土的影響

天然疏浚土密度ρ與OMC之間的關系如圖3所示。可以看出，隨著有機質含量的增多，土的骨架結構越來越松散，密度下降，兩者成反比關系。

圖3 密度和有機質含量的關系

不同有機質含量對疏浚土工程性能指標的影響見表3。隨著OMC的增大，疏浚土的液限、塑限增大，界限含水率明顯增大。OMC影響界限含水率的原因在于有機質對水具有較高的吸附能力，從而使大量的水覆蓋在土顆粒周圍形成水膜。有機質還將導致疏浚土的堿性減弱，有機質含量為0%～11%的疏浚土pH值在7.2～8.9之間，屬于微堿性（pH值為7～ 8）到中堿性（pH值為8～ 9）。此外，隨著有機質含量的增大，疏浚土的壓縮指數增大。

表3 不同有機質含量下疏浚土的工程性能指標

3.2 微觀結構分析

通過XRF獲取了不同有機質含量的天然疏浚土的礦物成分。疏浚土中黏土礦物含量在50%以上，其他礦物成分有方解石、云母、白云石、石英和長石。

圖4為疏浚土SEM圖像，不含有機質的0OM樣品（圖4（a））與有機質含量大的11OM樣品（圖4（b））區別明顯，后者含有魚骨、藻類和小枝等有機質。與天然疏浚土相比，粉煤灰改良土（圖4（c））和火山灰改良土（圖4（d））含有更多的細粒，而石灰改良土（圖4（e）和圖4（f））中有明顯的膠凝團聚物。由于石灰以二價正離子（鈣）取代一價正離子（鈉和鉀），因此導致土分子結構發生顯著變化，減小了顆粒之間的排斥力，從而引起絮凝，形成了水化硅酸鈣C－S－H之類的水溶性凝膠，化學反應見式（1）～式（3）。C－S－H不僅能夠填充土顆粒之間的孔隙，使土更加密實，而且能夠作為膠凝物起到膠結土顆粒的作用，改善土的工程性質。

圖4 疏浚土SEM圖像

3.3 壓縮特性

3.3.1 天然疏浚土

土的壓縮通常是由顆粒的重新排列和破碎造成的，本文中天然疏浚土試樣孔隙比e與一維固結試驗中有效應力σ＇的關系曲線如圖5所示。可以看出，孔隙比最大變化量Δe（Δe＝e0－e1其中e0為初始孔隙比，e1為加載后卸載至49 kPa時的孔隙比）屬于OMC最大的樣品，即Δe11OM＝0.38。隨著OMC的減小，孔隙比最大變化量也減小，例如Δe7OM＝0.23、Δe4OM＝0.20、Δe0OM＝0.12，說明有機質含量越大，疏浚土的抗壓縮性越差。最大膨脹曲線斜率也屬于OMC最大的樣品，原因是有機質親水性更強，11OM容易吸收更多的水分而膨脹。

圖5 天然土孔隙比與有效應力的關系

一維固結試驗中壓縮指數（Cc）與OMC的關系曲線如圖6所示。隨著OMC的增大，Cc線性增大。在一維固結試驗中，假設土顆粒體積保持不變，則總體積的變化是由水排出造成的，有機物的存在使得土顆粒周圍吸附大量水分，隨著有效應力增大，水分排出，可以觀察到明顯的軸向變形。本文中天然疏浚土Cc與OMC的擬合關系式為Cc＝0.02OMC＋0.07。

圖6 天然土壓縮指數與有機質含量的關系

3.3.2 石灰改良土

11OM以及相應的石灰改良土體積壓縮系數（mv）—有效應力（σ＇）的關系如圖7所示。在相同有效應力條件下，體積壓縮系數（mv）隨石灰含量的增大而減小，即石灰的摻入增大了疏浚土的體積剛度。例如，對于11OM以及相應的5%、10%、15%和20%石灰改良土，當有效應力為98 kPa時，mv分別為6.30×10－4、2.37×10－4、1.79×10－4、2.18×10－4、1.31×10－4kPa－1。此外，石灰含量越大，隨應力變化，mv變化越不明顯，即最終兩者幾乎無相關性，當石灰含量大于15%時，mv基本維持在5.0×10－4kPa－1以下。

圖7 石灰改良土體積壓縮系數與有效應力的關系

不同有機質含量下，壓縮指數（Cc）與石灰含量（L）的關系見圖8。Cc隨著L的增大而減小，范圍為0.043～0.247。對于有機質含量為0%～7%的疏浚土，5%～10%含量的石灰摻入已經可以明顯改善其壓縮性能，進一步增大石灰含量的作用不大，只有當有機質含量達到11%時，才有必要摻入更多的石灰，即有機質含量較大時，石灰的改良作用才明顯。

圖8 壓縮指數與石灰含量的關系

3.3.3 粉煤灰改良土

11OM以及相應的粉煤灰改良土體積壓縮系數（mv）—有效應力（σ＇）的關系如圖9所示。在相同的有效應力條件下，體積壓縮系數（mv）隨著粉煤灰含量的增大而減小。例如，對于11OM以及相應的5%、10%、15%和20%粉煤灰改良土，當有效應力為98 kPa時，mv分別為6.30×10－4、4.70×10－4、4.42×10－4、2.13×10－4、2.36×10－4kPa－1。與石灰改良土不同，粉煤灰改良土的mv始終與應力具有相關性，當粉煤灰含量大于15%時，mv基本維持在5.0×10－4kPa－1以下。

圖9 粉煤灰改良土體積壓縮系數與有效應力的關系

不同有機質含量下，壓縮指數（Cc）與粉煤灰含量（T）的關系如圖10所示。可以看出，在不同有機質含量下，壓縮指數都隨粉煤灰含量的增大而減小。粉煤灰粒度很小，海綿狀結構，填充在疏浚土的孔隙之中，增大了疏浚土的剛度。

圖10 壓縮指數與粉煤灰含量的關系

3.3.4 火山灰改良土

11OM以及相應的火山灰改良土體積壓縮系數（mv）—有效應力（σ＇）的關系如圖11所示。可以看出，火山灰摻入后土的壓縮性能改良效果不明顯，火山灰含量為5%～20%時，改良土的mv—σ＇曲線基本與天然土的重合，11OM5V樣品的mv相對較小，進一步增大火山灰含量后mv反而略有增大。例如，對于11OM以及相應的5%、10%、15%和20%火山灰改良土，當有效應力為98 kPa時，mv的值分別為6.30×10－4、5.73×10－4、7.81×10－4、8.36×10－4、7.72×10－4kPa－1。壓縮指數（Cc）和火山灰含量（V）的關系如圖12所示，在各個有機質含量下，Cc都隨著火山灰含量的增大而增大，Cc值最大為0.356。