基于连云港海相软土的新型土工材料强度试验研究

苗永红，杨 淼

(江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

国内外沿海地区海岸工程的大规模兴起产生了大量的疏浚淤泥，对于淤泥处理有物理法和热处理两种传统方法[1-3].物理法主要是陆地抛填、海洋倾倒，其会产生海洋污染环境、占用大量耕地等问题.热处理主要采用脱水、烧结，但造价较高，且对大批量、高含水量的淤泥不适用.近些年淤泥固化技术由于固化效率高、效果好、成本低而受到广泛关注.淤泥固化技术，一般采取固化和轻量化两种方法来处理，这些方法既可有效解决淤泥占用土地和污染环境的问题，又可为沿海地区工程建设提供大量的工程填料.

传统的固化材料以水泥为主要掺料，通过一定的配合比混合制成，固化效果不稳定且造价较高[4-6].目前对于固化剂的探索，国内外学者们不仅对无机复合材料展开了大量研究，还尝试用高分子无机材料、生物酶等制备新型固化材料.

王东星等[7]基于传统水泥和石灰固化处理方法，提出了利用大掺量低钙粉煤灰、水泥和石灰固化剂进行淤泥固化处理的方法.丁建文等[8]提出用水泥-磷石膏固化高含水率疏浚淤泥的方法，并通过一系列室内试验验证了固化效果.Kolias等[9]使用水泥和粉煤灰固化黏土获得了较好的固化效果，并研究了固化剂掺入量与固化强度的规律.

Seze A等[10]研究了掺入工业矿渣、石灰的黏土的无侧限抗压强度变化规律.高术森等[11]研究了海涂淤泥中掺入聚丙烯纤维对固化效果的影响，分析了聚丙烯纤维的固化机理. Hou[12]通过无侧限抗压强度试验，研究了EPS轻质土优化配方方案，给出了强度、密度和混合土的掺入量的经验公式.沙玲等[13]通过三轴试验研究了EPS颗粒掺量、龄期对轻质混合土的抗压强度影响.曹玉鹏等[14]提出了用水泥-生石灰-高分子复合材料固化高含水率淤泥的方法，通过室内试验探讨了各固化剂掺入比与无侧限抗压强度的影响规律. Lu等[15]研究了原位土中的细菌微生物对土壤的固化效果，实验结果表明微生物可通过增加土壤内部物质的沉淀、凝固来提高抗压强度.

综上所述，针对淤泥土的固化还需展开大量的研究，本研究针对传统的淤泥固化方法从轻质、环保两方面尝试进行改良，以期得到经济的新型土工材料.通过对新材料进行强度试验，分析不同固化材料掺量、不同龄期对无侧限抗压强度的影响，探讨淤泥土固化的机理，并提出一个简单、高效、经济的淤泥固化方案，试验结果对同类工程具有现实的指导意义.

1 试验设计

1.1 固化材料

试验采用的淤泥土样取自连云港东港区.主要化学成分包括：SiO2、Al2O3及其他碱金属氧化物.表1中的物理力学性质指标表明，该土具有含水率高、渗透性差、压缩性高的特点.

表1 淤泥土物理力学性质特征

本试验用到的材料包括：水泥、EPS、粉煤灰、矿渣、石灰、石膏、细砂.水泥为南京钟山牌42.5#普通硅酸盐水泥；发泡聚苯乙烯EPS颗粒粒径范围2～3 mm，密度为0.036 8 g/cm3，EPS材料具有良好的轻质性，且具有一定的强度，主要用于轻量化处理；粉煤灰为煤燃烧后的烟气中收集的细灰，主要的氧化物组成包括SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO；矿渣来自于工业生产中的废料，含铁量在93%以上，规格为0.2～2.0 mm；生石灰粉，主要成分CaO；石膏粉，主要化学成分CaSO4•2H2O；砂为SiO2含量不小于96%的天然硅砂，粒度范围0.25～0.65 mm.

1.2 试验方案

无侧限抗压强度是分析淤泥固化效果最重要也最直观的力学性能指标.因此，为研究各掺料的固化效果进行了一系列的室内无侧限抗压强度试验.试验选取EPS颗粒为轻质材料，水泥为主固化材料，粉煤灰、矿渣、砂、石灰、石膏等为辅助固化材料，其中石灰、石膏主要作为减水剂使用.首先对水泥单一固化材料进行无侧限抗压强度试验，再对掺入两种或多种固化剂的新型土工材料进行对比试验.具体试验方案见表2.

1.3 试样制备

按照试验方案的配合比，称取一定量的淤泥倒入搅拌机内进行搅拌，再加入水泥，机械强制拌5 min后加入EPS颗粒及其他固化剂，搅拌均匀后将混合好的土工材料装入直径39.1 mm、高80 mm的三瓣模具中.模具内壁涂抹机油以提高试件与试模内壁之间的润滑性.每组制作3个试样进行平行试验.

制样时按照《土工试验规程》(SL237-1999)，将混合土分三层装入三瓣模中.为排除试样中的孔隙使试样密实，采用分层压实的方法，确保试样不出现蜂窝、麻面.试样制备好后置入标准养护箱中，24 h后脱模并放入标准养护箱(湿度95%，温度20±2 ℃)中进行养护，养护龄期分别为7、14、28、60 d.制备的试样见图1.

图1 新型土工材料试样 Fig.1 The new geotechnical material sample

2 结果及分析

图2-图5所示分别为不同的水泥、粉煤灰、矿渣、砂掺量下与淤泥固化土的无侧限抗压强度变化曲线.试验结果表明,在水泥、EPS掺量不变的条件下，增加粉煤灰、矿渣、砂的掺量，都可有效地提高抗压强度，强度增长幅度分别为183%、165%、139%，并且随着各种材料掺量的增大，强度增长速度越快.

另外，结果表明，粉煤灰、矿渣、砂与淤泥混合都会发生一系列物理化学反应，从而生成具有一定强度的胶结物，促进新型土工材料强度的提高.对比图3、图4和图5可知，对无侧限抗压强度的影响程度大小依次为粉煤灰、矿渣、砂.

表2 试验方案

注：m1:水泥掺量;m2：EPS颗粒掺量；m3粉煤灰掺量；m4：矿渣掺量；m5：砂掺量；m6：石灰掺量；m7：石膏掺量

图2 水泥掺量与无侧限抗压强度的关系

图3 粉煤灰掺量与无侧限抗压强度的关系

在60 d龄期内，各种掺料固化后的试样无侧限抗压强度变化都随着龄期的增长逐渐呈现增大趋势，7 d至14 d龄期内强度增长速度最快，28 d至60 d龄期内强度增长趋缓.其中，图3曲线表明试样的抗压强度在28 d龄期后仍有小幅度的提升，其原因可能是粉煤灰的火山灰效应在养护28 d后才逐渐发挥效应，试样强度在28 d至60 d龄期内最大增长速率为21.3%.

图4 矿渣掺量与无侧限抗压强度的关系

图6所示为EPS颗粒掺量与淤泥固化土的无侧限抗压强度变化曲线.图6中数据表明，EPS颗粒的最初加入量小于8 g时会导致试样无侧限抗压强度会急剧减小，当掺入量大于20 g，试样的强度会有一定程度的提高，这是由于EPS颗粒之间呈现一定有序空间结构排列，能够在一定程度提高试样的抗压强度.由此可见，EPS颗粒虽然能够大幅度减小固化淤泥土的质量，但是过多地掺入EPS颗粒会影响新型土工合成材料的强度.

图5 砂掺量与无侧限抗压强度的关系

图6 EPS颗粒掺量与无侧限抗压强度的关系

图7所示龄期与淤泥固化土的无侧限抗压强度变化曲线.图7中曲线表明，添加石灰、石膏会使无侧限抗压强度有较大程度的增长，7 d至14 d龄期强度增加的幅度最大分别为98%、69%，28 d龄期后强度增长速度缓慢.因为石膏吸水后体积膨胀，强度降低，因此石灰的固化效果要好于石膏，在实际工程中可优先选用石灰作为固化材料.

图7 龄期与无侧限抗压强度的关系

由于新型土工材料与水泥土在工程中的用途相似，因此固化材料的掺入比可参照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T233-2011)中规定：水泥掺入比宜取10%～25%.结合以上典型的试验结果及工程经济性，取固化剂总的掺入比为10%±0.2%.

对淤泥固化剂配合比的研究成果[7-12]进行总结分析，可知水泥、粉煤灰、矿渣的最佳配合掺入比占固化剂总量的20%～40%，发泡聚苯乙烯EPS颗粒占4%～8%.因此，结合本试验结果得到每种固化材料的配合比范围：发泡聚苯乙烯EPS颗粒为4%～6%，水泥为20%～25%，矿渣为10%～15%，粉煤灰为15%～20%，砂为15%～20%，石膏为5%～10%，石灰为5%～10%.

取最佳配合比范围中的一组配比(聚苯乙烯泡沫EPS颗粒:4%;水泥:25%;矿渣:15%;粉煤灰:20%;砂:20%;石膏:6%;石灰:10%)，固化剂的总掺入比为10.2%制成试样，通过实验得到不同掺量比下龄期与抗压强度的变化关系，并与表2中单一固化材料(固化剂的总体掺入量大致为10%)的试验结果进行对比，结果如图8所示.

图8 不同掺量比下龄期与无侧限抗压强度的关系

图8中曲线表明在最佳配比中取任意组合固化效果显著，在最佳配合比下的试样固化强度在养护龄期60 d时达到450 kPa，远远大于单一固化材料作用下的最大抗压强度225 kPa.单一固化掺料作用下，28 d后轻质土工材料强度增长较为缓慢，但在最佳掺量配比下材料强度仍有部分提高.这些结果表明，水泥的水化作用、粉煤灰的火山灰效应、矿渣、石膏、石灰的水化作用等多种反应过程能够互相促进，紧密连接形成一个统一的整体，从而有效地提高轻质土工材料的后期强度.

3 固化机理探讨

新型土工材料的强度形成是一个极为复杂的物理、化学反应过程.淤泥中的SiO2、Al2O3和有机质与水泥、EPS、粉煤灰、矿渣等材料间发生化学反应生成的水化物交叉连接形成一个空间网状结构，在土工材料内部生成一定的水泥石骨架结构，使土颗粒之间紧密的连接形成一个整体，从而起到固化的作用.

3.1 水泥固化

水泥使淤泥混合土强度增长的主要包括两个阶段：前期是水泥的水解和水化反应生成的水泥石骨架结构，从上述的试验结果可以看出，这个时期强度增长较快;而后期为淤泥中的黏土颗粒与水泥水化产物发生离子交换作用，这个过程强度增长较慢.不同于混凝土的化学反应过程，水化作用生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)、水化铝酸钙(C-A-H凝胶).水泥除了自身发生水化反应外，淤泥中的有机质所含硅、铝亦参与反应，使得整个反应过程更加复杂.

3.2 辅助固化剂与水泥共同作用的机理

粉煤灰、矿渣与水泥与水泥混合后都会发生水化作用生成C-S-H凝胶和C-A-H凝胶，不同之处在于：

粉煤灰对淤泥的固化作用分为两个阶段，前期主要是粉煤灰的形态效应和微集料效应，反应生成大量的细微颗粒和玻璃微珠，可以有效地填充淤泥土中的孔隙.后期是与水泥共同作用发生的火山灰效应.

矿渣主要化学成分为SiO2、Al2O3，除可与水泥混合发生水化作用外，还可生成高强度、难溶解的含水铝硅酸盐矿物(斜方硅钙石等)，这种细微晶体强度高、难溶于水且热力学性质极为稳定，使固化效果显著.

淤泥中掺砂后抗压强度明显提高的原因是，淤泥内部形成了以砂为粗骨料，水泥凝胶微粒作为填充、胶结材料的结构.砂骨料的强度远比水泥土凝胶微粒相互间吸附而形成的水泥土团粒的强度高，因此可使混合土强度显著提高.

生石灰粉与水泥固化机理相似，都是与淤泥中的有机质发生水化作用，但石灰粉的反应速度相比水泥较慢，因此固化效果在龄期的后期较显著.

石膏具有吸湿性好、凝结硬化快的特点，遇水后生成二水石膏胶体析出，并且伴随着水化作用，淤泥土中的自由水不断减少使微粒间的黏结力逐渐增强.

结合本试验结果可知，在该新型土工材料中水泥与粉煤灰、矿渣的水化作用构成了材料强度的主要来源，其次是粉煤灰的火山灰效应、矿渣生成的水硅酸盐矿物和砂形成的粗骨料.

4 结论

通过以连云港港区海相淤泥为原料的新型土工材料无侧限抗压强度试验，得出以下结论：

1)各掺料对软土的固化程度的影响不同，影响最大的是水泥，其次是粉煤灰、矿渣、砂，影响最小的是石灰、石膏.综合考虑固化效果并结合工程造价，试验得出的新型土木材料的最佳配比为：发泡聚苯乙烯EPS颗粒为4%～6%，水泥为20%～25%，矿渣为10%～15%，粉煤灰为15%～20%，砂为15%～20%，石膏为5%～10%，石灰为5%～10%.

2)在最佳配合比范围内，新型土工材料的无侧限抗压强度远大于单一固化材料的强度值.固化过程中的多种物理化学反应能够相辅相成，互相促进，使混合土内部紧密连接形成一个统一的整体.

3)分析软土的固化机理可知，该新型土工材料中水泥与粉煤灰、矿渣的水化作用构成了材料强度的主要来源，其次是粉煤灰的火山灰效应、矿渣生成的水硅酸盐矿物和砂形成的粗骨料.