河道疏浚淤泥固化技术研究

杭天飞,唐斌斌

(扬州市勘测设计研究院有限公司,江苏 扬州 225007)

0 引 言

河道清淤疏浚能有效清除河道底泥污染，改善水环境和扩大过水断面，提高排水能力。近年来，大量河道疏浚项目上马，由于疏浚河道而产生的淤泥是河道疏浚工程须解决的难点与重点之一[1]。河道疏浚淤泥由于其含水率高、强度低，不易于直接作为地基土，需对其进行固化处理。

目前，针对固化淤泥处理方式有多种，如石膏[2]、砂[3]、化学试剂[4]和水泥[5-10]等，其中水泥是一种最为常用的固化剂。粉煤灰是煤炭燃烧产生的一种废弃物，其与水泥作用能生成强度较高的钙化物，从而增强水泥作用效果。对固化河道淤泥而言，掺入粉煤灰能降低水泥使用量，降低工程成本。因此，对不同水泥掺量、不同水泥与粉煤灰掺量下固化淤泥强度进行研究，能为固化淤泥进行经济有效的设计提供指导。

单塘河位于姜堰城西北郊，新通扬运河以南，相传隋唐时期单雄信曾在此屯兵饮马，故名单塘河。单塘河为东西走向，全长约1.1 km。单塘河为历史性河道，缺乏投入，目前淤积严重，两岸环境差。根据《姜堰区生态建设规划》，按照“利于兴业、便于旅游、宜于人居”的生态名城要求，区政府决定对单塘河进行综合整治，打造亲水、活水通道，形成水清、岸绿、景美。本文以单塘河疏浚淤泥为试验对象，试验分为两部分，第一部分为确定水泥掺量(2%、5%、8%和10%)对河道疏浚淤泥固化效果；第二部分为水泥掺量为5%时，不同粉煤灰掺量下(2%、5%、8%和10%)河道疏浚淤泥固化效果。

1 试验材料与程序

1.1 试验材料

河道疏浚淤泥比重Gs=2.71，天然密度ρ=1.69 g/cm3，天然含水率为171%，液限ωL为72%，塑性指数塑限IP=48%，图1为河道淤泥级配曲线。根据水利部颁布的土工试验规程[11](SL 237-1999)，可将该河道疏浚淤泥分类定名为高液限黏土CH。水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5。

图1 颗粒大小分布曲线

1.2 试验程序

对水泥固化河道淤泥试样，在河道淤泥中掺入2%、5%、8%和10%的水泥，混匀后注入尺寸为Φ50 mm×100 mm模具中，24 h后脱模，并分别在标准养护条件下养护7、28和90 d；对水泥与粉煤灰共同作用固化淤泥试样，在河道淤泥中先掺入5%的水泥而后掺入2%、5%、8%和10%的粉煤灰，混匀后注入模具，24 h后脱模，并分别在标准养护条件下养护7、28和90 d。当试样达到养护龄期时，对试样进行单轴压缩试验，剪切速率为1 mm/min。试验平行3组进行，取3组试验平均值作为试验结果。

2 试验结果与分析

2.1 水泥掺量的影响

为探讨水泥掺量对河道疏浚淤泥单轴强度的影响，分别对水泥掺量为2%、5%、8%和10%的水泥固化河道疏浚淤泥进行单轴抗压强度试验，其强度与水泥掺量关系曲线见图2。由图2可以看出，不同龄期下(7、28和90 d)，试验水泥掺量条件下(2%～10%)，随水泥掺量增多，水泥固化河道疏浚淤泥强度呈一简单的线性关系，随水泥掺量增多，其强度值逐渐增大；水泥掺量每增大1%，龄期为7、28和90 d龄期水泥固化疏浚淤泥单轴抗压强度增大量分别约为27、36和33 kPa。

图2 单轴抗压强度～水泥掺量关系曲线

图3为龄期与水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度关系曲线。由图3可知，水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度与龄期呈对数关系，随龄期增大，水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度增大；以龄期为7 d时水泥为基准，水泥掺量为2%、5%、8%和10%的水泥固化河道疏浚淤泥28和90 d龄期单轴抗压强度分别提高42%、40%、31%、28%和117%、95%、76%、75%、65%。可以看出随水泥掺量增多，28和90 d龄期时，水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度相对于7 d龄期时,强度提高量逐渐减小；水泥掺量为10%时、90 d龄期时，其强度增长量仅约为水泥掺量为2%时强度增长量的一半。说明水泥掺量越多，其单位水泥增长效用越低，其经济效用越低。

图3 单轴抗压强度～龄期关系曲线

2.2 粉煤灰掺量影响

为探讨粉煤灰掺量对水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度的影响，分别对水泥掺量为5%，粉煤灰掺量为2%、5%、8%和10%的水泥固化河道疏浚淤泥进行单轴抗压强度试验。不同粉煤灰掺量下，水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度与粉煤灰掺量关系曲线见图4。由图4可以看出，龄期为7 d时，随粉煤灰掺量增大，水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度基本不变。这是由于粉煤灰与河道疏浚淤泥基本不反应，主要与水泥水化产物作用，而水泥水化物主要形成于反应后期，在前期水泥水化物基本未与粉煤灰反应，水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度主要受水泥掺量影响。龄期为28和90 d时，随粉煤灰掺量增多，水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度先增大，后逐渐趋于平稳，转折点粉煤灰掺量为5%。这主要是由于粉煤灰与水泥水化物反应，形成强度较高的骨架，使得水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度提高，粉煤灰与水泥掺量比值为1∶1时，水泥水化产物与粉煤灰基本反应完全；粉煤灰掺量超过5%时，随粉煤灰掺量进一步增大，过量的粉煤灰不能参与反应形成强度较高的稳定骨架结构，其强度不再增大，表现为随粉煤灰掺量增大，水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度先增大后趋于稳定的宏观规律。

图4 单轴抗压强度～粉煤灰掺量关系曲线

图5为掺粉煤灰水泥固化河道疏浚淤泥单轴抗压强度与龄期关系曲线。由图5可以看出，不同粉煤灰掺量固化淤泥单轴抗压强度与龄期基本呈对数关系，随龄期增大，其单轴抗压强度逐渐增大；龄期为7 d时，不同粉煤灰掺量固化淤泥单轴抗压强度基本相同；粉煤灰掺量为5%、8%和10%时，其在7、28和90 d龄期下，单轴抗压强度基本相同。而粉煤灰掺量为2%时，其各个龄期下单轴抗压强度均明显小于其他3个粉煤灰掺量下单轴抗压强度，表明粉煤灰掺量超过5%(水泥掺量)时，不同粉煤灰掺量固化淤泥抗压强度随龄期增长基本保持一致。

图5 单轴抗压强度～龄期关系曲线

3 结 论

本文对7、28和90 d龄期下，不同水泥掺量和水泥掺量为5%不同粉煤灰掺量固化河道疏浚淤泥进行单轴压缩试验，探讨水泥和粉煤灰掺量河道疏浚淤泥固化效果影响，主要结论如下：

1)随水泥掺量增大，河道疏浚淤泥单轴抗压强度逐渐增大，不同龄期下固化淤泥强度与水泥掺量均呈线性关系。

2)随龄期增长，不同水泥掺量下，固化淤泥单轴抗压强度与龄期呈对数关系，水泥掺量越多，单位水泥增长效用越低，经济效用越低。

3)7 d龄期下，随粉煤灰掺量增大，固化淤泥单轴抗压强度基本不变；而28和90 d龄期下，随粉煤灰掺量增大，其抗压强度先增大而后趋于平稳。