养护压力对水泥固化高含水率淤泥强度的影响

2018-11-09郑少辉于同生章荣军郑俊杰

土木工程与管理学报 2018年5期

郑少辉，于同生，章荣军，郑俊杰

(1. 华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉 430074；2. 福建省建筑科学研究院，福建福州 350028)

随着近海工程的迅猛拓展，各种航道的疏浚和拓宽工程等不可避免地产生大量的疏浚弃土[1～3]。大多疏浚弃土是高含水低渗透性的流塑态淤泥，力学性质差，直接利用价值不高，其弃置问题为高度发展的沿海城市带来了巨大的环境压力和经济代价。另一方面，沿海高速交通基础设施建设规模日益宏大，理想填土资源(砂石材料)日益短缺。面临这种资源矛盾，一种环境友好且可持续发展的解决思路便是利用水泥固化疏浚淤泥(Cement Stabilized Mud，CSM)来作为交通基础设施路基填料。CSM技术既能解决疏浚淤泥弃置所带来的环境问题，又能缓解沿海地区砂石料资源短缺的问题，已经在日本、新加坡、韩国等地的交通设施建设中广泛应用[4～7]。

在CSM交通设施建设工程中，CSM的浇筑高度往往较大，甚至高达近30 m[4～6]，因此在上覆CSM自重作用下，下部CSM必将受到较大的有效养护压力。在此条件下，随着时间推移CSM不仅会发生水泥-水-黏土颗粒化学反应引起强度增长，在养护的同时(尤其是养护前期)还必然会发生一定的固结效应(CSM含水量很高，孔隙比往往高达3.5～4.5，所以渗透系数并不会非常低)，导致含水量和孔隙率降低。众所周知，饱和软黏土的不排水抗剪强度与剪切前的固结应力密切相关，一般随着含水量的减小及竖向固结应力的增加而增大[8～12]，可以通过Mesri法、Ladd法或有效固结应力法等来估算。但是Mesri法、Ladd法或有效固结应力法等未必适用于CSM，毕竟CSM在本质上还是与普通饱和软黏土存在差异。当存在养护压力时，CSM强度增长是固结效应这一物理过程与水泥-水-黏土颗粒化学反应耦合的结果，而饱和软黏土的强度增长却只与固结效应有关。这点区别意味着养护压力对CSM强度的影响与固结压力对普通饱和软黏土强度的影响可能不尽相同。然而，纵观既有文献，致力于研究养护压力对水泥固化淤泥强度影响的成果甚少，仅Jongpradist等[13,14]简单报道了不同养护压力下制备的水泥固化海泥试样的一维压缩屈服强度试验数据，但并未结合试验数据深入分析养护压力的影响机理，只是定性认为养护压力对水泥固化海泥强度的影响与固结压力对普通饱和软黏土强度的影响类似(即孔隙水排出，孔隙比降低，强度升高)。正如前文所述，这种定性的认识未必准确。

通常，CSM交通设施建设工程的填筑体积异常庞大，每单位体积的材料浪费最终都会给整个工程带来巨大的经济损失，这就意味着CSM配合比的确定必须尽可能准确。因此有必要进一步开展有针对性的研究工作，明确养护压力对CSM强度增长的影响规律。鉴于此，本文将基于室内单轴压缩试验(Uniaxialan Compressive Test，UCT)，测试不同养护压力条件下CSM的单轴抗压强度指标，分析养护压力对CSM强度的影响规律，探讨采用养护后孔隙比eot和有效孔隙比est作为基本指标来描述养护压力对CSM强度影响的适用性，并尝试分析养护压力对CSM强度影响的内在机理。

1 海泥性质及试验方法

本文所涉及的试验包括CSM试样的UCT试验及基本土性指标(包括养护后试样含水率wt、养护后试样容重γt、养护后试样比重Gst等)的测定试验。

试验所用海泥的基本物理性质详见表1。水泥采用高炉矿渣硅酸盐水泥(Portland Blast-furnace Cement，PBFC)，矿渣含量为65%。试验用水为海水，含盐量约为3%。

表1 试验用土样物理性质指标

UCT试验所设计的配合比及其养护压力详见表2。水泥掺量Aw(定义为水泥-水-海泥混合物中水泥与土颗粒(不包括水泥)的质量百分比)分别为8.5%，11.5%，养护时间T0为7 d。在养护压力为0条件下，共考虑了5种不同的初始含水率W(定义为水泥-水-海泥混合物中孔隙水与土颗粒(不包括水泥)的质量百分比)，目的是为了揭示无养护压力条件下CSM强度与养护后孔隙比eot之间的定量关系(基准曲线)。此外，对于几种高含水率情况，施加的养护压力pc分别为20，40，60，80 kPa，目的是为了辨别在有养护压力条件下CSM强度与养护后孔隙比eot之间的关系是否还与基准曲线吻合，从而判断养护压力对CSM强度的影响与固结压力对普通饱和软黏土强度的影响机理是否相同。

表2 UCT试验工况

CSM试样的准备流程和细节详见文献[15,16]。整个试验过程简述如下：(1)将制备的CSM试样分层注入定制的固结管内(见图1)，用敲击法驱出内部气泡，直至达到预设高度；(2)对已经成型的试样在竖向施加预设荷载，加载方式如图1所示；(3)在标准养护条件下(20±3℃，湿度>95%)养护7 d；(4)卸荷，轻轻顶出固结管内的CSM试样，进行UCT试样制备(包括两端切平、称重、测量直径和高度等)，UCT试样的标准尺寸是φ50 mm×100 mm；(5)进行UCT试验，测得单轴抗压强度；(6)从已经破坏的UCT试样中取出部分测定养护后试样含水率wt、养护后试样比重Gst等。整个UCT试验及养护后基本土性指标测定试验都严格按照相关规程进行。

图1 UCT试样制备与养护装置

特别需要说明的是，为确保UCT试样实际所受的养护压力与目标养护压力相同，试验中采取了特殊的措施来尽可能降低CSM与固结管之间的摩阻力。前期试验证明，若仅在CSM与固结管之间涂抹一层润滑剂，养护7 d后试样脱模时仍需要施加一定的顶推力，表明CSM与固结管之间的摩阻力并不能忽略不计。因此，本次试验中尝试了在CSM与固结管之间铺设一层塑料薄膜、且塑料薄膜内外均涂上润滑剂的方式，如图1所示。结果表明效果十分明显，在养护结束后揭开密封盖进行脱模时，CSM试样均能够自行滑出，CSM与固结管之间的摩阻力可忽略不计。

另外，为了减小和控制试验操作误差，对于表2所列出的每一种试验工况，均制备三个重复试样，并测得了三组试验数据，本文所报道的试验数据均为三个重复试样试验数据的平均值。

2 试验结果分析

2.1 不同养护压力下CSM无侧限抗压强度

图2给出了不同含水率不同养护压力条件下试样无侧限抗压强度。由图可知：当养护压力为0时，CSM强度随着初始含水率W增加呈指数函数形式降低，这种变化趋势与文献[17～19]中的试验结果是一致的。究其原因，在本试验所涵盖的初始含水量变化范围内，CSM在整个养护期间均处于饱和状态，随着初始含水率W增大，CSM中的孔隙比逐渐增大，CSM颗粒簇团之间的相互作用减弱，从而导致无侧限抗压强度降低。单从这一点上看，与含水量对重塑饱和软黏土强度的影响规律十分相似。

图2 不同工况下CSM试样无侧限抗压强度

同时，图2还表明：对于某一给定的初始含水率W而言，CSM无侧限抗压强度随着养护压力的增加明显增大。以初始含水率W=180%的情况为例，当养护压力从0增加到80 kPa后，CSM无侧限抗压强度从68 kPa增大至361 kPa，增大幅度超过430%。如此大的增大幅度固然与养护压力作用下CSM试样的排水固结效应(即孔隙比降低，相当于有效初始含水量降低)有关，但是否能够完全归结于排水固结效应仍然存疑。

2.2 既有评价指标应用于描述pc影响适应性分析

为了解答上述疑问，还需要进一步探究CSM强度与物理指标(尤其是养护后物理指标)之间的内在关联。文献[17～19]提出了一系列养护前物理指标(诸如水泥掺量、初始含水率、水灰比、灰土比等)来描述水泥固化黏土的强度。很显然，这些养护前指标不能计入养护压力的排水固结效应(即孔隙水排出有效含水率降低)，因此不适用于描述养护压力对CSM强度的影响规律。除了养护前物理指标之外，Lorenzo等[20,21]还分别提出了养护后孔隙比eot和有效孔隙比est(养护后)的概念。直观上讲，养护后孔隙比eot和有效孔隙比est可以在一定程度上反映养护压力的排水固结效应，因此或许可以用来描述养护压力对CSM强度的影响。下面结合本文和相关文献中的试验数据，分析采用养护后孔隙比eot和有效孔隙比est来描述养护压力对CSM强度影响的适应性。

2.2.1养护后孔隙比eot

依据Lorenzo等[20]的定义，eot的计算公式为：

(1)

式中：wt为养护后试样含水率；Gst为养护后土颗粒比重；γt为养护后试样容重；γw为水的容重。需要说明的是，由于CSM试样含水量很高(高于液限)，并且整个养护过程都是在水下进行，养护前后CSM基本上都处于饱和状态，因此eot与wt存在一一对应的关系，即指标eot的影响能够直接反应指标wt的影响。Lorenzo提出CSM的强度qu与养护后孔隙比eot之间满足下列关系式：

qu=ApaeB(eot/Aw)

(2)

式中：A，B为无量纲拟合常数；pa为标准大气压强。很显然，式(2)表明CSM的无侧限抗压强度qu与eot/Aw应该存在一一对应的指数关系。但实际上，本文所得的试验数据并不支撑这一论点。如图3a所示，在某一给定的养护压力条件下qu与eot/Aw确实存在一一对应的指数关系。但是对于不同的养护压力，qu-eot/Aw关系曲线并不重合，养护压力越高，qu-eot/Aw关系曲线的位置明显越高。

图3 不同养护压力工况下强度指标与eot /Aw关系曲线

由此可见，即使对于某一给定的Aw，CSM的强度也不仅仅只是与养护后孔隙比eot有关，因此养护压力对CSM强度的影响不能仅仅通过单一参数——养护后孔隙比eot来进行表征。

2.2.2有效孔隙比est

Jongpradist等[21]综合考虑了含水率和水泥剂量等对CSM强度特性的影响，认为初始含水率W对CSM强度的影响并不仅仅只是通过养护后孔隙比eot的大小来体现，还具有一定的附加效应，并提出了有效孔隙比的概念，其计算公式如下：

est=Wln(eot/Aw)

(3)

Jongpradist等[21]认为CSM强度只与有效孔隙比est有关，即：

q′=AeBest

(4)

下面进一步判断采用有效孔隙比est来描述养护压力对CSM强度影响的适应性。将图3中的试验数据做进一步的处理，不难得出CSM强度指标与有效孔隙比est之间的关系曲线，如图4所示。由图可知，式(4)能够很好拟合给定养护压力条件下任一类CSM的强度，表3给出了各类试样在不同养护压力条件下的拟合常数A，B的值。显然，对于不同的养护压力，拟合常数A，B的取值相差非常明显，即不同养护压力工况下的q′-est曲线不能采用同一函数进行描述。由此可见，单一参数——有效孔隙比est也不能合理地表征养护压力对CSM强度的影响。

图4 不同养护压力条件下下强度指标与est关系曲线

表3 各组试验数据对应的拟合常数A和B的取值

综上所述，不同养护压力条件下CSM强度与eot或est的关系均无法用同一函数曲线来进行描述，即仅仅采用单一参数eot或est无法合理地表征养护压力对CSM强度的综合影响。

3 pc对CSM强度影响机理初探

前面的试验数据已经充分表明，对于同样配合比条件下的CSM试样，养护压力pc升高，养护后孔隙比eot或有效孔隙比est减小，同时CSM强度明显增大。但更重要的是，对于不同的养护压力pc，q′-eot/Aw或q′-est关系曲线并不重合，养护压力pc越高，q′-eot/Aw或q′-est关系曲线的位置明显越高。这就意味着随着养护压力pc升高，CSM强度增长的相对速率明显高于养护后孔隙比eot或有效孔隙比est减小的相对速率。因此可以证实养护压力对CSM强度的影响规律的确与固结压力对普通饱和软黏土强度的影响规律不同。基于排水固结条件下饱和软黏土强度理论，并结合CSM中水泥-水-黏土颗粒化学反应机理，可推测养护压力对CSM强度影响的内在机理主要包括以下两个方面：

(1)挤压排水作用。对于高含水率CSM而言，孔隙比较大，渗透系数并非很小。试样固结过程中存在的养护压力将逐渐挤压黏土颗粒簇团骨架结构，使孔隙水逐渐排出，并促使试样的孔隙比减小。这相当于降低了试样的有效初始含水率，从而使CSM的强度增加。该作用机理与固结压力对普通饱和软黏土强度的影响机理是基本相同的。

(2)“自锁”效应。黏土颗粒粒径较小，粒间吸引力使得颗粒相互聚集，胶结形成具有一定结构性的黏土颗粒簇团骨架，如图5a所示。试样养护过程中存在的养护压力，使得黏土颗粒簇团骨架被挤压，颗粒间的孔隙减小，此时水泥-水-黏土颗粒间的化学反应尚未结束，如图5b所示。随着试样水泥-水-黏土颗粒间的化学反应的进行，反应产物——胶结性物质逐渐向黏土颗粒簇团之间的孔隙聚集，并在颗粒簇团间形成有一定强度的“链接”，如图5c所示。而到养护完成后，养护压力撤销，颗粒簇团间的作用力使化学反应产物——胶结“链条”拉伸，产生拉应力，以保持颗粒簇团的平衡(如图5d所示)。本文将这种拉应力定义为“自应力”(ΔP)，将这种效应定义为“自锁”效应。显然，在进行UCT试验或一维压缩试验过程中，所施加的试验荷载必须首先克服“自应力”，然后才能进一步发挥材料强度。因此，“自锁”效应的存在可以明显提高CSM的抗压强度。而这种“自锁”效应是不能通过养护后孔隙比eot或有效孔隙比est来体现的，这也是eot和est均无法定量描述养护压力对CSM强度影响的原因。

图5 CSM中“自锁”效应

4 不同养护压力下CSM的强度模型

实验数据已经充分证明有效孔隙比est也不能合理地描述养护压力对CSM强度的影响，因此，建立CSM在不同养护压力下的强度经验模型时需要引入变量pc。

由于不同养护压力下的qu-est曲线互不相同且不受混合比例的影响，在经验模型中引入变量pc对指出不同养护压力下qu-est曲线的相互关系有着重要作用。为了更方便地找出不同养护压力pc下qu-est曲线的相互关系，将不同水泥掺量条件下的实验数据点绘至图6a所示的ln(qu)-est坐标系中。曲线拟合结果表明，不同养护压力下的ln(qu)-est曲线都符合以下线性函数：

ln(qu)=ln(A)+Best

(5)

由拟合结果可以看出不同养护压力下的线性拟合线在ln(qu)轴上的截距(即ln(A)的值)几乎完全相同。因此，在建立经验模型时可以减少参数，拟合参数A在后续曲线拟合时可以设为一个常量。曲线拟合步骤如下：(1)给A设定一初始值(推荐设定A=minqu)；(2)利用式(5)和拟合参数A的赋值，用Microsoft Excel内置的求解器确定参数B在平方误差和SSEt最小时的值；(3)计算不同养护压力下所有qu的平方误差和SSEt，注意B在不同养护压力下的值不同；(4)将A的赋值等增量增长，重复步骤(2)和(3)；(5)将得到的SSEt和前步骤中的SSEt相比较；(6)若新求得SSEt减小，重复步骤(4)和 (5)；(7)选取使最小的参数A，B值作为理想的拟合常数。图6a为遵循以上拟合方法所得拟合曲线和拟合参数。图6b显示了拟合参数B对养护压力pc的依赖性。如前所述，拟合参数B几乎是随着养护压力pc的增长呈线性增长，即拟合参数B可以表示为：

图6 不同养护压力下qu-est曲线的拟合结果

B=mpc+n

(6)

式中：m，n为拟合参数(本文中m= 3.03×10-3，n= -0.43)。式(5)可以改写为：

qu=Aexp[(mpc+n)est]

(7)

式(7)为符合不同养护压力下CSM强度特性的模型，包括3个拟合参数：A，m和n。注意式(7)仅适用于特定单位的拟合参数，即qu和pc的单位为kPa。

尽管实际工程中est很难事先确定，但式(7)所给出的经验关系仍然具有重要的工程意义。如前所述，随着养护压力pc升高，CSM强度增长的相对速率远远高于养护后有效孔隙比est减小的相对速率，即“自锁”效应对CSM强度的影响要比挤压排水作用对CSM强度的影响显著得多。这意味着在实际工程中，可以偏于安全地忽略挤压排水作用的影响，将实验室标准养护条件(pc=0)下具有相同配合比的CSM试样的est代入式(7)，来估算实际养护条件(pc≠0)下CSM的强度，进而可以指导现场CSM配合比的优化设计。