早强型固化淤泥的强度发生规律

范惜辉， 侯志强， 甘雅雄， 朱 伟，4

（1.河海大学土木与交通学院，南京 210098； 2.中电建生态环境集团有限公司，广东深圳 518102；3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710075； 4.河海大学环境学院，南京 210098）

为了改变江河湖库水质日益恶化、河道泄洪能力下降、水库库容萎缩等日益严重的局面，我国近年来在内陆河流湖泊等地相继开展了清淤工程. 杭州的西湖［1］、江苏的太湖［2］等内陆湖泊为了改善水质，缓解越来越严重的蓝藻暴发，均开展了大规模的清淤工程. 江苏太湖据推测其底泥的总存储量超过1.912 亿m3，其中需要疏浚的接近3500万m3［2］.

固化处理的方法就是往淤泥中添加固化材料，通过一系列的物理化学反应，使得疏浚淤泥的力学性质得到改良的目的. 该处理方式经济环保，施工周期短，适合普遍应用于大规模的疏浚淤泥处理的工程当中，并在深圳、无锡等地进行了淤泥固化筑堤、填海的示范应用［3-6］. 在传统的淤泥固化处理过程中，采用的固化材料与普通硅酸盐水泥为主，辅助材料掺有矿渣、粉煤灰、石膏等工业废弃材料［7-9］. 同时对一些新固化材料的研究也在不断进行，例如新型的磷基固化剂［10］、HAS淤泥固化剂［11］等. 大部分固化淤泥的强度发展较为缓慢，使得固化处理施工的周期加长，影响了施工的工期，并延长了固化淤泥堆场的周转效率.

为提高淤泥固化的效率，甘雅雄等［5］采用硫铝酸盐水泥加速淤泥固化的进程，无侧限抗压强度等参数明显提升. 而将固化淤泥堆填时，其三轴强度是计算其安全系数的最重要参数［12］. 硫铝酸盐水泥早期强度的增加受水泥熟料中无水硫铝酸钙、硫酸钙的迅速反应，生成钙矾石和铝胶有关［13-15］. 李磊等［16-17］从固化产物水分转化的角度研究了固化污泥的强度、压缩性质与水分形态转化之间的关系，从另一方面探求强度增长的机理.

本文以深圳某地所取的淤泥作为研究对象，使用普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥进行固化处理，对其应力应变、三轴强度，特别是反应过程中的水分转化进行了试验研究，为淤泥固化的工程应用提供一定的指导意义.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验淤泥来自深圳某工地，其基本物理性质测试参照国家标准GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》［18］测定，具体物理性质指标见表1. 试验用固化材料为海螺牌32.5#普通硅酸盐水泥（OPC）和硫铝酸盐水泥（SAC）. 两种固化材料的主要成分见表2. 硫铝酸盐水泥的矿物成分以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主，在固化施工中有明显的早强效果，可以提高固化体的早期强度［19］.

表1 试验污泥的物理性质指标Tab.1 Basic properties of the silt

表2 两种水泥的化学组成Tab.2 Chemical composition of the two cements

1.2 试验方法

试样制备［20］；将试验所取淤泥过2 mm筛以去除淤泥中较大的杂质. 水泥添加量按每立方淤泥中添加的水泥质量计算. 将淤泥按表3中的配合比混合，并用手持式搅拌器将其搅拌均匀. 然后将搅拌均匀的土样分三层装入钢制模具中（三轴试样模具的内径为3.91 cm，高8.00 cm；水分离心模具内径为3.5 cm，高6.0 cm）.将装好土样的模具密封后放入恒温恒湿箱养护，养护1 d后脱模，并将脱模后的试样继续养护至设计龄期后进行后续试验.

表3 淤泥固化试验方案Tab.3 Test scheme of silt solidification

三轴试验：固结不排水三轴试验采用南京土壤仪器厂TSZ-1型应变控制三轴仪. 固结应力分别是50、100、150 kPa，试验过程按照中华人民共和国国标GB/T 50123—1999［18］进行试验.

水分测定试验［20］：水泥水化过程不仅是水化产物的生成过程，也是淤泥中水分形态的转变过程. 水分按照与土体的结合势能，大体上可以分为自由水、结合水、矿物水，其水分分界的势能分别是pF=3.8和7.0，因此可以通过离心机的离心力将孔隙水中的自由水mpF=3.8（0＜pF＜3.8）排除；将剩余土样在105 ℃条件下烘至恒重，可以认为其土水结合势能pF=7，则结合水mbw=m（pF=7.0）-m（pF=3.8）在该过程中排除. 而矿物水在矿物晶体中以稳定的H+和OH-1存在，不会在105 ℃下挥发. 通过上述方法将自由水、结合水和矿物水分离. 淤泥固化过程中，自由水通过水化反应转变为结合水和矿物水，因此水化反应前后自由水的变化量Δmfw等于结合水的增量Δmbw和矿物水的增量之和Δmhw. 所有的试验数据转换为单位淤泥的水分量表示.

2 结果与讨论

2.1 早期应力应变特性分析

3 d 养护，围压100、150、200 kPa 条件下，OPC 和SAC 添加掺量为150 kg/m3固化淤泥试样的应力应变（σ1-σ3）～εa～u 关系曲线，如图1、图2 所示. 从图中可知，试样的应力-应变关系一开始是应变硬化，偏应力在轴向应变为4%时达到顶峰，随后基本保持不变. 不同围压下，总偏应力差异不大，但是孔隙压力差异较为明显. 固化淤泥的应变性质接近强超固结土，存在一定的剪胀性. 孔隙水应力随偏应力而增加，在接近（σ1-σ3）max时，超静孔隙水应力开始减小. 对于这种剪胀性，SAC固化淤泥表现得更加明显. 这种类似超强固结土的性质并不是由于应力历史的原因，而是由于水化产物的胶结作用，使得固化淤泥具有明显的结构性［9］，在剪切过程中表现出明显的剪胀性.

图1 （σ1-σ3）～εa～u关系（OPC 掺量150 kg/m3，养护龄期3 d）Fig.1 Relation of（σ1-σ3）-εa～u（OPC dosage is 150 kg/m3，and curing time is 3 days）

图2 （σ1-σ3）～εa～u关系（SAC 掺量150 kg/m3，养护龄期3 d）Fig.2 Relation of（σ1-σ3）-εa～u（SAC dosage is 150 kg/m3，and curing time is 3 days）

2.2 强度参数随龄期的变化规律

随着材料添加量的增加，固化淤泥中的水化产物不断增多，使得固化淤泥中胶结物质不断增多. 在固结不排水试验中，固结压力的取值为50～150 kPa，并不会使得固化淤泥内部的胶结结构达到屈服状态，因此试样在不排水剪切过程中所测得的强度主要是胶结结构的破坏和土颗粒之间的摩擦两个部分. 为分析养护龄期对试样强度的影响，对所有的试验数据进行整理.

图3是固化淤泥有效内摩擦角随龄期的变化. 以材料掺量为150 kg/m3为例，SAC固化淤泥的有效内摩擦角φ′在47.4°～60.5°之间变化，并且在前14 d随着龄期的增加而增加，但是在随后的14 d内，φ′不再呈上升趋势. 而对应的OPC固化淤泥的有效内摩擦角在42.8°～47.1°之间，其值均要小于相同条件下SAC固化淤泥的有效内摩擦角φ′.

图4是固化淤泥有效黏聚力随龄期的变化. 以材料掺量为150 kg/m3为例，SAC固化淤泥的有效黏聚力c′随着养护龄期的增加而不断增大，其值在66.4～109.3 kPa之间变化，而对应的普通硅酸盐水泥固化淤泥的有效黏聚力远低于SAC固化淤泥. 由于随着龄期的增长，SAC固化淤泥仍在不断地进行水化反应，形成更多的水化产物，使得水化产物与土颗粒之间的胶结作用不断地增强. 并且在养护到14 d后，固化淤泥中水化产物与土颗粒之间的胶结作用不断地增强，早强型材料固化淤泥试样在不排水剪切过程中出现了明显的剪胀现象，导致了固化淤泥的内摩擦角呈现下降的趋势.

图3 有效内摩擦角随龄期的变化Fig.3 Variation of effective friction angle with curing time

图4 有效黏聚力随龄期的变化Fig.4 Variation of effective cohesion force with curing time

正常淤泥并不存在黏聚力，只存在内摩擦角［21］. 淤泥的水化产物不仅将淤泥的各个颗粒联系在一起，使得黏聚力大为提高，同时结构之间的内摩擦角也提高很多. 因此水化产物的生成与强度参数存在重要关系.

2.3 水分转化与强度指标的关系

对于固化淤泥在添加固化材料之前，由于颗粒与颗粒之间主要有自由水的存在，使得颗粒与颗粒之间并没有形成相对稳定的支撑结构，导致了原泥呈现出流动状态. 而在添加固化材料后，由于固化材料的水化反应形成的水化产物取代了原泥中自由水所在的孔隙以及其他微小孔隙，并且水化产物将土颗粒包裹起来，形成较大粒径的团粒结构，使得土颗粒之间的连接作用得到增强. 因此，固化土中水化产物量和形态将直接影响固化土颗粒间的内摩擦角和黏聚力的变化.

图5、图6 分别是结合水增量对有效黏聚力和有效内摩擦角的影响. 从图中可以看出，有效黏聚力随结合水增量的上升，呈现明显的线性增长趋势. 在相同的材料添加量的情况下，硫铝酸盐水泥SAC 所对应的结合水增量要高于普通硅酸盐水泥，对应的固化土的有效内摩擦角和有效黏聚力均要高于普通硅酸盐水泥. 在水化反应的过程中，自由水同时向结合水和矿物水进行转化，因此凝胶态产物和结晶态的水化产物同时产生，淤泥颗粒与固化材料颗粒接触，材料水化反应产生的水化产物将淤泥颗粒包裹起来，早强型材料（SAC）所对应的结合水增量要高于普通硅酸盐水泥，说明其水化产物的量也高于普通硅酸盐水泥.

图5 结合水增量与有效黏聚力的关系Fig.5 Relation of increase of bound water and effective cohesive force

图6 结合水增量与有效内摩擦角的关系Fig.6 Relation of increase of bound water and effective friction angle

图7、图8分别是矿物水增量对固化淤泥有效黏聚力和有效内摩擦角的影响. 从图中可以看出，相同掺量下，SAC 固化淤泥的矿物水含量高于OPC 固化淤泥. 内摩擦角与矿物水增量呈现更显著的正相关关系.结合水的增加主要反应水化硅酸钙凝胶态产物的多少，而矿物水可以表征反应生成的钙矾石的多少［5］. 在水化反应的过程中，自由水同时向结合水和矿物水进行转化，因此凝胶态产物和结晶态的水化产物同时产生，水化硅酸钙凝胶在将土颗粒包裹的过程中，结晶态水化产物（钙矾石）不断地往外形成，不断地填充土颗粒之间的孔隙，并且使得土颗粒之间的胶结作用不断地增强，使得土颗粒之间的咬合程度不断地增强. 由前文的分析可知，SAC 固化土破坏时呈现出很明显的剪胀特性，说明早强型材料（SAC）固化土颗粒之间的咬合程度较普通硅酸盐水泥要高. 故早强型材料（SAC）固化土所对应的有效内摩擦角要高于普通硅酸盐水泥.

图7 矿物水增量与有效黏聚力的关系Fig.7 Relation of increase of bound water and effective cohesive force

图8 矿物水增量与有效内摩擦角的关系Fig.8 Relation of increase of bound water and effective friction angle

总体趋势上，早强型固化淤泥的黏聚力和内摩擦角均高于OPC固化淤泥，且表现出较为明显的早强性.水化速率及水化产物对固化淤泥强度的影响非常复杂［22］，内在的机理有待进一步研究.

3 结论

1）由早强型（SAC）和普通硅酸盐水泥（OPC）固化淤泥的（σ1-σ3）～εa～u关系曲线可知，两种固化淤泥在不排水剪切试验的过程中均出现了剪胀的现象，且SAC固化淤泥的剪胀性更加明显.

2）早强型（SAC）材料固化淤泥的黏聚力随着材料掺量和养护龄期的增加而增大，内摩擦角则随着材料掺量的增加而增加，随着养护龄期的增加呈现出先增大后降低的变化规律. 而普通硅酸盐水泥固化土所对应的黏聚力和内摩擦角均随着养护龄期和材料掺量的增加而增大，并且其对应值的大小始终要小于早强型材料（SAC）固化淤泥.

3）固化污泥的黏聚力和内摩擦角的增长受水泥水化产物生成的影响，与结合水和矿物水的生成正相关关系.