螃蟹殼改良疏浚泥抗壓強度試驗研究初探★

司朝輝，顧 暉，李仁昊，王 科，宋苗苗，房 晨

(鹽城工學院土木工程學院,江蘇 鹽城 224051)

0 引言

我國陸地面積約為960萬km2,幅員遼闊,其中海洋河流湖泊眾多,不可避免的會有大量淤泥產生,不僅僅限于自然界,城市發展建設、水利工程、海洋工程中,每天都產生大量的淤泥[1-2]。其中疏浚泥因為具有高含水率,強度很低,不僅無法作為工程材料進行回填,還會占用大量的用地,浪費大量人力、物力、財力,而傳統的水泥固化劑會產生大量的熱量和二氧化碳屬于高能高碳材料,與當今的社會綠色環保背景不符。所以,怎樣快速高效的解決河道中的淤泥和工程中的淤泥,是現在所面臨且亟需解決的重要問題之一。因為我國海域面積遼闊,蟹類的海洋水產資源非常豐富,每一年的捕撈量高達幾百萬噸,甚至更高,人們在食用之后大都把外殼當垃圾丟掉,造成資源的嚴重浪費。每年全國廢棄的蟹殼預計有幾十萬噸,人為的制造了自然資源的浪費和生活環境的污染[3]。

目前,環保高效地解決高含水率疏浚泥問題的方法為固化處理。固化處理之后可明顯提高疏浚泥的強度,從而進行資源再利用[4-5]。固化處理的常用方法之一是向高含水率疏浚泥中加入一定量的水泥、石灰等固化材料,固化材料之后會與疏浚泥發生物理和化學反應,生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)等膠結物質固化高含水率疏浚泥,從而達到提高疏浚泥強度的目的。雖然加入水泥之后會提高疏浚泥的強度,但因水泥成本高,單方面使用水泥也無法最大限度的提高固化強度,因此不少學者提出在加入水泥的同時加入一些輔助材料來提升疏浚淤泥的強度。桂躍等[6]通過添加粉煤灰、礦渣、磷石膏等工業廢料與水泥等固化劑發現工業廢料與水泥組成的復合固化劑的效果更優,可顯著提高疏浚淤泥的無側限抗壓強度;張小芳等[7]利用核磁共振弛豫分析(NMR)、礦物成分分析(XRD)、微觀結構分析(SEM)探究了水泥、礦渣與粉煤灰等復合固化劑作用下淤泥的無側限抗壓強度與抗剪強度的變化規律并建立了相對應的函數關系;林彤與劉祖德[8]分析了粉煤灰、石膏與生石灰加固軟土的可行性,指出通過添加少量的石膏至粉煤灰中,可顯著提高軟土地基的前期與后期強度;丁建文等[9]提出水泥與磷石膏雙摻固化疏浚淤泥,并且強度增效效果顯著并且固化劑存在最佳摻量。綜上所述,采用水泥與其他輔助材料固化高含水率疏浚淤泥的方法,以廢治廢,經濟合理,有一定的應用前景。

本文以螃蟹殼作為輔助材料加入到高含水率疏浚泥中研究其強度變化。眾所周知,螃蟹殼的主要成分為碳酸鈣。在建筑行業中,碳酸鈣粉末在混凝土中的重要性不言而喻,在可以降低生產成本的同時,增加相關產品的韌性和強度等等[10-11];Yoon等[12]基于無側限抗壓強度試驗與礦物成分分析(XRD)探討了利用韓國本土的粉碎牡蠣殼來改善沙土的力學性能,并指出牡蠣殼在改良土體方面的可行性。鑒于此,我們選用我國丟棄廣泛的螃蟹殼加入到高含水率疏浚泥中研究其強度變化。

本文在固化高含水率疏浚泥時加入不同摻量的螃蟹殼細粉,養護一定齡期后開展無側限抗壓強度試驗。學者提出,疏浚泥的強度在齡期達到28 d時基本達到了90%及其以上,之后隨齡期的增加,強度增幅不是很明顯[13],故本文中的養護齡期最大設置為28 d。基于試驗結果,首先分析了不同養護齡期下螃蟹殼細粉添加對固化高含水率疏浚泥的軸向應力-軸向應變曲線和無側限抗壓強度的影響,同時探討了螃蟹殼細粉的添加使固化疏浚淤泥強度性狀發生改變的原因。之后,進一步研究了加入螃蟹殼細粉引起固化疏浚泥破壞應變和破壞形態的變化,為廢棄物螃蟹殼和廢棄泥的資源化利用提供理論支持。

1 實驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用疏浚泥來自安徽省蚌埠市五河縣某工程,基本的物理性質如表1所示。土壤的液限為58.8%,塑限為27.0%,沙礫、粉粒、黏粒含量分別為1.0%,61.1%和37.9%,比重為2.68。根據土體的塑性指標在塑性圖中的位置[14],試樣的土壤為高液限黏土。

表1 試驗用淤泥的基本物理性質

選材上,試驗所用的螃蟹殼來自于廣東某水產公司,螃蟹殼規格全部選用5 cm～8 cm不帶肉純殼(見圖1)。然后用專用磨粉機,磨成細粉,通過0.075 mm大小的篩子后,用于本實驗。所使用的水泥為鹽城阜寧佳寧水泥有限公司所生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 實驗步驟

試驗前取一定質量的疏浚泥,放入事先準備好的塑料桶中后,加一定質量的水浸泡,用攪拌棒把存在的小土塊全部打散,攪拌均勻后調至目標含水率。安徽省蚌埠市五河縣疏浚泥的液限為58.8%,目標為3倍液限的含水率,即176.4%。配置完成高含水率疏浚泥后,需要利用高速旋轉攪拌器將其充分的攪拌均勻,不能有顆粒狀的土塊出現。因為水泥的含量對疏浚泥的應力會有影響,綜合考慮我們控制水泥的質量分數為15%(水泥質量分數為總質量的15%),設定螃蟹殼的質量分數為0%,5%,10%,15%(螃蟹殼的含量為螃蟹殼的質量占干土質量的百分比)。按照順序加入事先稱好的螃蟹殼細粉和水泥。混合物攪拌均勻后,試驗材料就準備好了。在制備試樣前應準備好模具,本實驗選用的為直徑46 mm,高100 mm的PVC精致模具。把模具清洗干凈并把水分全部擦拭,等模具干燥后在模具的內壁及上下兩端的蓋子均勻涂抹醫用凡士林,作用是減小試樣和模具間的摩擦,使其在脫模時更加輕松,試樣更加完整。涂抹凡士林之后用電子稱記錄一下模具的質量。然后將攪拌均勻的固化土混合物分三次加入到模具中,在途中通過多次的振搗把試樣中的氣泡排除,以保證所有的試樣質地均勻緊密,使所有平行樣之間沒有明顯差別。三次分裝至模具裝滿后,使用刮土刀將試樣的上表面刮平,然后放入到標準養護室中進行養護,標準養護室的養護溫度為(20±1) ℃,相對濕度為(96±2)%。24 h后試樣基本成型,對其脫模,把沒有達到試驗齡期的試樣放回養護室繼續養護直至達到目標齡期。等達到目標齡期后取出需要試驗的試樣測量其直徑、高及質量,然后采用YSH-1型應力-應變控制式無側限壓力儀(精度:軸力0.01 kN、軸向位移0.01 mm)進行無側限抗壓強度試驗,每組樣做3個平行樣,記錄數據進行分析[14]118-120。無側限抗壓強度試驗方案見表2。

表2 無側限抗壓強度試驗方案

2 結果與討論

2.1 應力-應變曲線分析

圖2為養護齡期分別為7 d,14 d,28 d的固化疏浚泥無側限壓樣數據匯總圖,我們控制的變量為蟹殼細粉的含量。從應力-應變的曲線可以看出曲線可分為四個階段:第一階段為圖像的初始階段,又叫做加載階段(此階段時間相比長一些),應力會越來越大并且速度越來越快,應力-應變的曲線接近一條直線,此時的試樣不會出現什么裂紋,表面沒有任何的變化。第二階段叫做塑性上升段,在圖像中表示為峰值前面到峰值的一段。在這個階段里應力會達到最大值,越接近峰值應力表的數值變化越緩(此階段時間比較短,變化比較大),此時的試樣沒有明顯變化。第三階段為陡降階段,也為材料的破壞階段。這時會在應變增加不大的情況下,應力會急速的減小,并且出現了反彎點(此階段時間比較短,變化比較大),現在的試樣表面已經出現裂隙比較明顯。在應力-應變的曲線圖上對應為產生峰值后面的一段曲線。第四階段為殘余強度階段,這時候的應力變化很小可忽略不計,但是應變會逐漸增大。這該階段的試樣變化最大,可以明顯看出試樣產生了較大的塑性變形。這種破壞屬于延性破壞。

由圖2中的應力-應變曲線可以發現,任一齡期下含螃蟹殼的疏浚泥固化土的應力變化幅度均比不含螃蟹殼的疏浚泥固化土的更大。在相同的齡期下,曲線的幅度隨著螃蟹殼含量的增加而越來越大,峰值也隨著螃蟹殼含量的增加而增大,也就是含螃蟹殼的固化土的峰值強度均顯著高于不含螃蟹殼的固化土,說明螃蟹殼在改善軟土方面存在應用的可能性。軸向應變為2%左右的時候,應力會出現峰值,這是因為制樣時我們加入了一定質量的水泥,水泥會發生水化反應形成了土骨架支撐架構,提高了土骨架的承載力[15]。同時,從圖2可發現,養護時間為7 d的應力-應變的曲線中,蟹殼質量分數為15%的水泥固化土的強度比不含蟹殼的水泥固化土的強度增加28 kPa,增幅為18.2%。從養護時間為14 d的應力-應變的曲線可以看出,蟹殼質量分數為15%的水泥固化土的強度比不含蟹殼的水泥固化土的強度增加了71 kPa,增幅為43.5%。蟹殼質量分數為15%的水泥固化土的強度比不含蟹殼的水泥固化土的強度增加56 kPa,增幅為20.4%。由此可見,隨著養護齡期的增加,螃蟹殼提高固化土的強度呈現顯著增加趨勢,其中的原因可主要歸因于水泥的硬化所致。

2.2 無側限抗壓強度分析

圖3為無側限抗壓強度與齡期的關系圖,無側限抗壓強度取自于圖2中各曲線上的最大軸向應力[14]118-120,可以看出在28 d養護齡期下,隨著齡期的增長,應力的峰值大致呈現線性增長,這與前人研究結果相似[5]53,[8]1051。同時,由趨勢線的斜率可發現含螃蟹殼的固化土的斜率均比不含螃蟹殼的固化土的斜率大說明螃蟹殼可以顯著提高固化土的無側限抗壓強度,而且在螃蟹殼質量分數為10%時,無側限抗壓強度增加的更加顯著,說明利用螃蟹殼細粉提高高含水率疏浚泥的無側限抗壓強度存在最優解。

從圖3的養護齡期為7 d到齡期為28 d的四個點可以看出,齡期為7 d的四個點比較緊湊而齡期為28 d的四個點相對更加分散一些,說明無側限抗壓強度的增幅與螃蟹殼含量存在較強的相關性,而且隨著齡期的增加,不同螃蟹殼含量的固化土的無側限抗壓強度差異性會愈加明顯。

2.3 破壞應變分析

圖4為固化土試樣無側限抗壓強度試驗時被破壞試樣的實物圖,裂隙剛開始時會在試樣的表面出現微小的裂紋,伴隨著應變的增加,裂紋會由上下兩端慢慢向中間延伸,裂紋的寬度也會隨之增大。因為試樣的上下兩端有承壓面受到約束的影響,而試樣的中部橫向變化不受約束,所以在試樣中部會出現較大的裂隙,甚至脫落。固化土的破壞時間很短,從剛開始的出現細小裂紋到最終破壞經歷的時間只有短短20 s左右。圖4(a)是不含螃蟹殼的固化土的破壞情況,可以看出不含螃蟹殼固化土被破壞后的裂隙比較大而且裂隙的分布很不均勻,整體來看只有一兩條大的裂隙,而由圖4(b)可發現含有螃蟹殼的固化土的裂隙就比較均勻,裂隙的大小、寬度更為均衡,可發現添加螃蟹殼粉末的疏浚泥固化后試樣整體上黏聚力較高,無側限抗壓強度有顯著提升,原因可歸因于隨著碳酸鈣成分增加,土性改變所致。

固化土在受到壓縮破壞時會有破壞應變,破壞應變作為衡量固化土的承載指標之一。破壞應變越大代表材料的韌性越好,即當材料在發生塑性變形和破裂過程中吸收能量的能力越強,發生脆性斷裂的可能性越低,相反破壞應變越小代表材料常常為脆性破壞[16-17]。在建筑施工單位一般采用韌性材料。圖5是螃蟹殼細粉含量為0與15%的破壞應變與無側限抗壓強度關系圖,由圖可以看出二者的破壞應變均與無側限抗壓強度呈反比,即試樣的破壞應變隨著無側限抗壓強度的增加而減小。同時可以發現,同一無側限抗壓強度下,含螃蟹殼的固化土的破壞應變大于不含螃蟹殼的固化土的破壞應變,表明含有螃蟹殼的固化土的韌性更好,抵抗變形的能力更強,所以在建筑施工材料中可適當添加螃蟹殼以提高施工材料的安全性與耐用性。

固化土的變形系數是衡量固化土壓縮特性的指標之一[18-19]。可用于彈塑性問題的分析計算,固化土的變形系數定義公式如下:

其中,σ1/2為豎向應變為破壞應變的一半時所對應的軸向應力;εf為破壞應變。由此可以把E50看作此時的割線模量。

由圖6變形系數與無側限抗壓強度的關系圖,可以看出隨著無側限抗壓強度的提高,變形系數呈增加的趨勢,這與朱偉等學者的研究結論一致[20-23]。通過擬合實驗數據我們得到含螃蟹殼的高含水率疏浚淤泥固化土的變形系數與無側限抗壓強度的定量關系為E50=55.2qu。

3 結論

本研究通過無側限抗壓強度試驗分析螃蟹殼在疏浚泥固化土研究中的可行性,其中,螃蟹殼含量分別設置為0,5%,10%,15%。通過對比分析含螃蟹殼的固化土與不含螃蟹殼的固化土的應力-應變曲線圖、無側限抗壓強度,并且觀察了破壞時試樣的具體狀態得出了結論如下:

1)含有螃蟹殼的固化土的應力-應變曲線圖和不含螃蟹殼的固化土應力-應變曲線圖一樣都有峰值的存在,含螃蟹殼的固化土應力比不含螃蟹殼的固化土的應力大,而且這個增大的幅度是隨著齡期的增長而增大。齡期越長蟹殼粉中的碳酸鈣與固化土的黏合度越高,破壞應力也就越大。

2)含有螃蟹殼的固化土無側限抗壓強度均比不含螃蟹殼的固化土無側限抗壓強度大,并且增大的幅度會隨著蟹殼含量的增加而增加的趨勢,這可歸因為螃蟹殼的主要成分是碳酸鈣,硬度比較大,可以很好的增加固化土無側限抗壓強度,其中當螃蟹殼質量分數為10%時,無側限抗壓強度增加幅度最為明顯。

3)含有螃蟹殼的疏浚泥固化土比不含螃蟹殼的韌性更強、抵抗承載力的能力更高,故在建筑施工材料中可適當添加螃蟹殼以提高施工材料的安全性與耐用性。

4)基于本身我們選用疏浚淤泥就是資源再利用,輔助材料選用廢棄物螃蟹殼,成本低、效果好、變廢為寶。這不僅能夠在工程中節省成本,還能利用其特性將廢棄物資源化利用,為工程提供性能優良的土質材料,有效的減少了對環境的危害。