离子固化淤泥土的强度特征与破坏模式

2019-10-31董宝中陈永超

安徽理工大学学报（自然科学版） 2019年4期

董宝中，陈永超

( 1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.江苏光银建设工程有限公司，江苏盐城 224000)

我国每年治理河道、港口维护、航道疏通等产生的淤泥质土达数以亿方以上，而现实的工程中处理淤泥的方式基本通过晒干再填埋，而这样不仅占用了大量的土地资源，而且还污染了环境[1-3]。若将淤泥土固化，则其一方面可用于土工材料，另一方面可用于工程当中，这样不仅可以减缓公路路基材料的紧缺，还可以保护环境[4-6]。工程用土一般需要考虑其强度和变形两大力学性能，已有研究对固化土的强度和变形进行了讨论，主要使用石膏、水泥、氧化镁等传统材料，对高含水率淤泥土进行改良，有些掺加剂如石膏对环境还有一定的污染作用，文献[7]通过加入水泥和工业废磷石膏固化淤泥，研究了固化淤泥的压缩特性，得出了结构屈服应力与无侧限抗压强度的关系。文献[8]将低碳、环保、活性强的氧化镁作为掺合料，明确了氧化镁参合料与压缩特性的关系。文献[9]仅通过加水泥来提高淤泥固化土的强度。文献[10]通过硅酸钠、二灰，固化盐渍土得出了含盐量与抗压强度的关系。文献[11]用离子固化剂作为掺料对黄土进行了研究取得了丰富的成果，而离子固化剂用于淤泥土的研究较少，离子固化剂可将土固化成具有十分良好的“水稳定性”土体，不但可以提高土体的抗压、抗折强度，并具有优秀的抗渗能力[12-13]，离子固化剂还具有无毒、无害、环保等优点。通过试验对离子固化剂和水泥对淤泥土固化后的强度与变形力学性能基于室内试验进行研究，探索应力应变特征、破坏机理[14]，使离子固化剂运用于淤泥土中，节约路基材料，产生工程价值，保护环境。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验所用淤泥土的初始含水率为180%，液限为48.67%，塑限为30.5%，最优含水率25.1%；水泥为42.5的普通硅酸盐水泥，水泥掺量分别为4%、5%、6%、7%，离子固化剂掺量分别为0.016%、0.018%、0.02%、0.022%。表1为离子固化剂阴阳离子浓度。

表1 离子固化剂阴阳离子浓度

1.2 试验步骤

淤泥放置于65℃的烘箱中烘干，碾成直径小于5mm的颗粒，待淤泥土颗粒的水分蒸干后做击实试验，确定最佳含水率，然后拌制试样。将50mm×50mm的模具涂好凡士林，再将试样分三层装入，每层捣实并将上部凿毛进行下次填装，待24h后拆模，试块的重量约为200g，每组做6个试块，脱模后的试块用保鲜膜密闭随即放入湿度95%、温度20±2℃的养护室养护。试验的龄期为3d、7d、14d、28d，待养护至压前一天取出试块放入水中泡24h，泡至24h擦干即压，压力机的轴向控制速率为1mm/min。

2 固化淤泥强度的影响

2.1 固化剂掺量影响

图1表示纯淤泥土在不同离子固化剂掺量下3d、7d、14d、28d龄期无侧限抗压强度关系，结果表明，离子固化剂对与泥土固化有着重要的作用，而且淤泥土的抗压强度随着离子固化剂掺量的增加先表现增加后略有降低，当离子固化剂的掺量在0.02%时强度达到最大，即离子固化剂的最佳掺量为0.02%，其中，3d、7d、14d、28d的抗压强度较纯淤泥土分别提高5.6%、10.7%、30.4%、35.3%。当固化剂的掺量为0.018%时，固化土的强度较淤泥土也有增长；但是掺量至0.022%时，相比较0.02%的掺量，固化土的强度略有降低。数据表明，离子固化剂对纯淤泥土有明显的加固效果，但是其掺量最好控在0.02%。不仅使淤泥土的强度有效提高，而且节约了材料。

图1 不同龄期离子固化剂掺量与抗压强度关系

2.2 水泥掺量影响

图2是不同龄期下水泥掺量与抗压强度的关系。表明：固化土在早期的强度增长较快，固化土的抗压强度与水泥掺量成线性关系。根据线性拟合得出水泥掺量低于3%时就没有明显的固化效果，本试验主要目的是为固化土做路基材料，根据公路路面基层施工细则(JTGTF20-2015)水泥无机掺合料大于13%就没有工程价值，所以本试验以4%水泥掺量为起点研究抗压强度，当掺量为7%时，龄期7d固化土的抗压强度可达1.14MPa，可满足二级及二级以下公路(中、轻交通)的路基底基层。

图2 不同龄期水泥掺量与抗压强度关系

2.3 养护时间影响

图3是无侧限抗压强度与养护时间的关系，其中水泥掺量均为6%，图中表明不同离子固化剂掺量下的抗压强度与养护时间变化的规律基本相似，只有离子固化剂的掺量为0时与其它有明显区别，当离子固化剂的掺量在0.02%左右时，固化土在14d前的强度增长较快，在14d到28d增长较慢，甚至无增长。因此，当采用离子固化剂固化淤泥土在龄期达到14d时强度基本最大，后面增长并不是很明显，在工程运用中可养护14d，强度的增长主要由水泥和离子固化剂的作用。淤泥土加入的水泥发生了水化反应，随着时间的增长水化产物不断淤泥颗粒间的孔隙[15]，同时淤泥颗粒的强度也不断加强，大幅提高了试样的密实度，当养护时间达到14d后，水化产生的胶结颗粒不断减少，水化反映也慢慢停止。离子固化剂加入淤泥中可以提高淤泥的压实密度、承载力，通过阴阳离子的交换对土壤外表面的的电层破坏，这过程破坏了土颗粒的毛细结构，可使土颗粒表面的自由水脱出，减小了土颗粒间的缝隙，增强土颗粒间的作用，最终提高土的强度与稳定性。养护3d到7d脱出的自由水较多，而在14d后离子间的化学反应趋于稳定。

图3 不同固化剂掺量养护时间与抗压强度关系

3 破坏形态与应力应变曲线

图4、图5是淤泥固化土在无侧限抗压强度下的两种破坏形态，图4试样掺合料为4%水泥加0.02%离子固化剂，图中表明抗压强度较低，并且竖向变形较大，裂缝与试块呈接近45°的角，这种变形往往是斜裂缝剪切破坏。应力应变曲线图6分为四个阶段，①初始加载阶段，应力缓慢增长，应变却增长很快，由于土颗粒间过大的孔隙被挤压所造成的；② 塑性上升阶段，应力应变曲线呈线性关系，应力快要达到峰值时，斜率减小，试块出现小裂纹；③ 破坏阶段，试块出现斜裂缝，应力达到峰值后应力随着应变的增加而减小，图中的破坏点的应变在6.7%左右，不满足路基材料2.5%～5.0%的要求；④ 残余应力阶段，这时的试块虽有较大的变形，仍可以承受一定的荷载。图5试样掺合料为7%水泥加0.02%离子固化剂，抗压强度较高，破坏时没有过大变形，试块在破坏时呈45度角出现了主裂纹，在主裂缝周围出现了多个小裂缝，破坏时会分成几个小块，试块在破坏前的变形一般很小，属于劈裂破坏。应力应变曲线分为三个阶段， ① 初始加载阶段，应力随应变缓慢增长，增长的速度明显高于图4；② 塑性上升阶段，应力随应变快速增长，斜率呈60度的趋势，这一阶段应力增长较快并没有过大的变形；③ 破坏阶段，应力达到峰值后，应力迅速减小，试块出现多处裂缝，破坏应变在3.8%左右。