ISS-水泥联合固化淤泥的力学特性研究

吴雪婷，唐杉，程明峰，王臻华，项伟，2，陈斌

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学（武汉）教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074；3.杭州师范大学理学院，浙江 杭州 310036）

0 引言

宁德海域广泛分布着深厚的第四纪海相沉积淤泥层，随着宁德地区基础建设的快速发展，大量与滩涂淤泥有关的工程问题不断涌现，淤泥的处理及资源化利用已经成为工程界迫切需要解决的问题[1]。

目前淤泥固化的传统材料常以水泥、石灰等无机材料为主，其单独使用或加入粉煤灰、高炉矿渣、废石膏等工业废料[2]，或者加入膨润土、水玻璃等得到复合固化材料[3-4]。新型固化材料是指各种专用固化剂如液态离子型[5]、高分子、纳米材料等。研究表明，新型固化材料固化效果优于传统固化材料，但是一般成本较高，只适用于处理量较小的特殊地基中；对于大量淤泥的处理，需要根据淤泥的特点研究经济有效的固化材料配方[6]。水泥作为一种主要固化剂广泛应用于淤泥加固中，将水泥和新型固化材料联合使用加固淤泥具有重要的研究意义。

新型固化材料离子土固化剂（Ionic Soil Stabi-lizer，ISS）具有成本低、施工方便、耐久、环保、就地取材、-位固化等特点，可广泛应用于道路、建筑基础、农田水利等领域。目前，国内外诸多专家学者开展了ISS固化土的试验及机理研究[7]，研究对象涉及多种土体类型[8]，均取得了较好的固化效果。

本研究使用酸性液态材料ISS和碱性固态材料水泥，单独和联合进行淤泥固化，以研究不同形态的酸碱固化剂单独和共存条件下固化宁德海相淤泥的效果及力学性能，探讨不同固化剂之间的相互作用机理。

1 试验材料

1.1 试验土样

试验土样为福建宁德海相淤泥，-状土取样深度0~3 m，淤泥呈灰黑色，流塑，具腥臭味。淤泥的主要物理性质指标见表1，颗粒级配见图1。

表1 淤泥的物理性质指标Table 1 The physical properties of silt

图1 淤泥的级配累积曲线图Fig.1 Accumulation curve of silt gradation

1.2 固化材料

1）离子土固化剂（ISS）

ISS采用美国路邦EN-1土壤固化剂，EN-1-液呈黑色，含有活性成分磺化油，是一种阴离子型表面活性剂。路邦EN-1的物理参数见表2。

表2 路邦EN-1的物理参数Table 2 The physical properties of Road Band EN-1

2） 水泥

水泥是一种碱性固态粉状水硬性无机胶凝材料，本试验采用湖北华新水泥厂生产的P·C32.5R复合硅酸盐水泥。

3）碱化剂（NaOH）

在不同形态的酸碱固化剂（酸性液态材料ISS、碱性固态材料水泥）共存条件下，酸、碱固化剂本身也会发生一定的反应，使固化土内部结构变化极为复杂[9]。为定性及定量研究酸碱固化剂共存对固化效果的影响，对部分样品掺入碱化剂NaOH，以调节试样的pH值到中性，即在掺入水泥之前，对ISS固化淤泥进行碱化处理。

1.3 试样制备及试验设计

试验研究过程中共制备了5类样品，分别为：1） S （Silt）：淤泥-状样。

2）S-In（Silt+ISS，其中ISS颐H2O（体积比）=1颐n）：淤泥+ISS的固化样。

3）S-Cm（Silt+Cement，其中水泥掺入比为m%）：淤泥+水泥的固化样。

4） SI-Cm （Silt+ISS+Cement）：淤泥 +ISS（最优）+水泥的固化样。

5） SIA-Cm （Silt+ISS+NaOH+Cement）：淤泥+ISS（最优）+碱化剂+水泥的固化样。

制样前将-状淤泥放入烘箱中在55益条件下连续烘烤48 h，冷却至常温后碾磨过2 mm标准筛备用。试验设计包括：ISS固化淤泥单掺试验、水泥固化淤泥单掺试验、ISS+水泥联合固化淤泥复掺试验、NaOH碱化的ISS+水泥联合固化淤泥复掺试验。

2 试验方法及数据分析

2.1 单掺ISS固化淤泥液塑限试验

ISS在使用之前，需要稀释成不同浓度的水溶液，单掺试验设计ISS颐H2O的体积比分别为1颐25、1颐50、1颐75、1颐100、1颐125、1颐150、1颐175、1颐200，与土样混合并搅拌均匀，密封静置24 h后测界限含水率，得到最优体积比为1颐50。在最优体积比附近加密间距，设计ISS颐H2O的体积比分别为1颐40和1颐60重复上述试验，得到ISS颐H2O的最优体积比仍为1颐50，最低塑性指数IPmin=13.24。固化淤泥的塑性指数与ISS浓度之间的关系见图2。

图2 塑性指数与ISS浓度之间的关系曲线Fig.2 Relationship between plasticity index and ISS concentration

2.2 单掺及复掺固化淤泥含水率及pH值试验

单掺水泥时设置水泥掺入比分别为0%、3%、6%、9%、12%、15%、18%，以1.3 g/cm3干密度和50.77%液限含水率制样S-C0耀18；再复掺ISS（ISS颐H2O=1颐50）和不同梯度的水泥，同样方法制样SI-C0耀18，搅拌均匀后密封养护24 h，测各样品含水率及pH值，试验结果见图3。

图3 水泥掺量与样品含水率和pH值之间的关系Fig.3 Relationship between cement content and water content and pH value of samples

由图3的含水率曲线可知，单掺水泥与复掺ISS-水泥的情况下，样品含水率均随着水泥掺量的增加而下降；样品SI-C0耀18的含水率均低于同比单掺水泥的样品S-C0耀18。无论是水泥还是ISS的掺入，均降低了淤泥的含水率。ISS在低掺量水泥（<9%）条件下对降低淤泥含水率起到了主要作用，使初始含水率迅速下降；水泥掺量逸9%以后，这种主导作用减弱；当水泥掺量达到18%时，两类样品含水率趋于一致，约为38.5%，降幅达24%。ISS有效降低了淤泥的初始含水率，对后续水泥固化起到了积极作用。

由图3的pH曲线可知，单掺水泥与复掺ISS-水泥的情况下，样品pH值均随着水泥掺量的增加而升高；样品SI-C0耀18的pH值均低于同比单掺水泥的样品S-C0耀18。由于ISS呈酸性，导致SI-C0耀18的pH值较低，ISS中的H+与水泥中的OH-发生了中和反应，消耗了水泥中的部分OH-。当水泥掺量逸12%之后，两类样品的pH值近似相等，ISS溶液对固化土pH值的影响逐渐减弱，ISS溶液与水泥之间的酸碱中和反应趋于结束。

2.3 单掺及复掺固化淤泥无侧限试验

将S-C3耀18和SI-C3耀18分别按照3个平行试样制样，在标准养护箱中养护（养护温度=（20依2）益，湿度>95%）至7 d设计龄期后进行无侧限抗压强度试验。实验结果的平均值见图4，样品SI-C3耀18的无侧限抗压强度均低于同比单掺水泥的样品S-C3耀18，在水泥掺量大于9%之后两条强度曲线大致平行。

图4 无侧限抗压强度与水泥掺量之间的关系Fig.4 Relationship between unconfined compressive strength and cement content

由图4可知，无论是单掺水泥还是复掺ISS-水泥，在水泥掺量为9%时均存在拐点，小于9%时无侧限抗压强度增长缓慢；大于9%时增长迅速；9%即为临界水泥掺量。低于9%水泥掺量时，水泥的水化产物过少，对淤泥的强度影响较小，属于固化非反应区。同时，ISS中H+阻碍了水泥的水化进程，反而使试样强度降低。随着水泥掺量的增加（>9%），淤泥的强度迅速增长，呈现明显的固化反应区；ISS中H+完成了与水泥的中和反应，试样强度发生转折式增加，但总体强度仍低于单掺水泥试样，同比降幅为13%耀25%。

由于酸性ISS与碱性水泥之间相互抑制，虽然两者均有效减小了土样的初始含水率，但联合使用却降低了固化土强度。因此进一步设计试验，在淤泥固化反应区内先用ISS稀释液（最优体积比）处理土样，并加入碱化剂NaOH调节pH值到中性，再分别掺水泥9%和12%，配制样品SIA-C9和SIA-C12。其无侧限抗压强度试验样品制作养护及测试方法同上，结果汇总于图4和图5。

图5 无侧限抗压应力-应变曲线Fig.5 Unconfined compressive stress-strain curves

由图4和图5可知，S-C9和S-C12破坏应变约为3%耀4%，而SIA-C9和SIA-C12破坏应变约为2%，碱化复掺样品的强度比单掺水泥同比涨幅约为20%耀60%。对比SI-C12和SIA-C9，两者强度相近，即达到相同的强度，碱化ISS-水泥相比于酸性ISS-水泥可节省约3%的水泥用量。对比SI-C9和SIA-C9、SI-C12和SIA-C12，可知碱化ISS-水泥比酸性ISS-水泥可以同比提高固化土强度约60%耀600%，在水泥掺量9%的临界掺量时提高效果最显著，SIA-C9无侧限抗压强度达4.574 MPa。当使用NaOH碱化ISS-水泥固化淤泥时，临界水泥掺量甚至可以低于9%，使图4上的淤泥固化反应区界限左移。

2.4 单掺及复掺固化淤泥直剪试验

对样品S-C9、S-C12、SI-C9、SI-C12、SIAC9、SIA-C12各制4个平行样，养护至7 d设计龄期后分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的垂直压力下进行直剪快剪试验，其中SIA-C9的剪应力-剪变形曲线及其剪切破坏形态见图6。各样品的抗剪强度曲线见图7，抗剪强度指标见表3。

图6 样品SIA-C9剪应力-剪变形曲线Fig.6 Shear stress-strain curves of sample SIA-C9

图7 各样品抗剪强度曲线Fig.7 Shear strength curves of samples

表3 各样品抗剪强度指标Table 3 Shear strength index of samples

由图7和表3分析可知，当水泥掺量为9%时，SIA-C9的黏聚力比S-C9提高了约1.5倍，内摩擦角提高了约1毅，比SI-C9的黏聚力和内摩擦角分别提高了约4.1倍和14毅；当水泥掺量为12%时，SIA-C12的黏聚力比S-C12提高了约1.5倍，内摩擦角提高了约5.5毅，比SI-C12的黏聚力和内摩擦角分别提高了约2.2倍和6.5毅。SIA-C9的抗剪强度指标与S-C12接近，即NaOH碱化ISS-水泥掺入在淤泥固化上可以节约水泥约3%的用量，而酸性ISS-水泥则会减弱固化淤泥的效果。

2.5 单掺及复掺固化淤泥24 h固结试验

利用高压固结仪对上述3类（共6种）淤泥样品养护7 d后进行24 h标准固结试验，采用液限含水率制备环刀样，施压等级为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa共4级荷载。得到各样品的压缩指标见表4。

表4 各样品的压缩指标Table 4 Compressibility index of samples

由表4分析可知，当水泥掺量为9%时，SIAC9的压缩系数比S-C9降低了0.06 MPa-1，压缩模量增加了4.38 MPa，比SI-C9的压缩系数降低了1.06MPa-1、压缩模量增加了13.3MPa；当水泥掺量为12%时，SIA-C12的压缩系数比S-C12降低了0.02 MPa-1，压缩模量增加了2.73 MPa，比SI-C12的压缩系数降低了0.06 MPa-1、压缩模量增加了6.61 MPa。对比各试样的压缩系数发现：SI-C9>S-C9>SI-C12>SIA-C9=S-C12>SIA-C12；在相同水泥掺量条件下压缩性大小为：SI-C>S-C>SIA-C。SIA-C9的压缩指标和S-C12接近，即NaOH碱化ISS-水泥联合固化淤泥可以节约3%的水泥用量，而酸性ISS-水泥反而减弱了水泥固化淤泥的效果。该结论与无侧限抗压强度、抗剪强度指标一致。

3 ISS-水泥联合固化淤泥作用机理及效果分析

ISS中含有的活性成分磺化油由植物油或鱼油与过量浓硫酸发生磺化反应制得，用浓硫酸磺化时，反应生成的水使硫酸浓度下降、反应速率减慢，因此要使用过量的磺化剂，导致ISS溶液中H+过量。磺化油由磺酸基（-SO3H）和烃基（R-H）的C-子直接相连而成，在结构上具有独特的二重性，分为“亲水头（RSO3H）”和“疏水尾（C-H）”。ISS与淤泥混合后，ISS的“亲水头”与黏土颗粒表面形成化学链，并溶解在黏土颗粒表面的结合水层中，其“疏水尾”则围绕着黏土颗粒或在黏土层间形成油性层，阻止水进入这个体系，减小结合水膜的厚度，增大粒间引力，孔隙减少，结构密实，且反应不可逆。

水泥加固淤泥时，水泥与土体中的水很快发生水解和水化反应生成各种化合物，随着水泥水化反应的深入，在碱性环境中，继续发生离子交换和团凝化作用。由于ISS溶液中H+过量，H+与Ca（OH）2发生中和反应，抑制水泥水化反应的进程，阻止火山灰反应和碳酸化反应的发生，从而影响水泥固化土的强度增长。

水泥固化土强度增长的过程缓慢且作用复杂，如果在中性和碱性环境下掺入水泥，则可以避免上述酸碱中和反应的不利影响。试验结果表明：NaOH碱化ISS-水泥联合固化土不但可以解决单掺水泥固化土早期强度不足的缺点，7 d龄期即可达到固化土的强度标准，在加快土体固化速率的同时还能节约水泥用量。

4 结语

1）EN-1型ISS固化宁德淤泥的ISS颐H2O最优体积比为1颐50；临界水泥掺入比为9%；使用NaOH碱化ISS-水泥固化淤泥时，可降低临界水泥掺量。

2）ISS通过减小结合水膜的厚度来改变淤泥含水率，水泥通过水化反应将淤泥中的自由水转变为矿物结晶水来减少淤泥含水率，两者联合使用对于降低淤泥初始含水率均具有积极作用。

3）酸性ISS与碱性水泥之间相互抑制，两者联合使用，ISS溶液中H+阻碍了水泥的水化进程，反而降低了固化土强度。

4）NaOH碱化ISS-水泥联合固化淤泥不但弥补了传统水泥类碱性固化剂提高早期强度缓慢的不足，而且在淤泥固化上相比于单掺水泥，可以节约大约3%的水泥用量，降低工程造价。