低掺量水泥固化海泥的强度与应变特性研究

2021-02-27边晓亚程宇熙

武汉工程大学学报 2021年1期

边晓亚，程宇熙

武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430074

随着我国港口、海湾等近海工程的建设和湖泊、河岸的淤泥清理，以及围海垦地和对城市地表地下工程的开发利用，在进行作业的过程中产生大量疏浚淤泥［1］。给沿海地区带来了巨大的环境问题和经济压力［2］。而为解决上述问题，日本工程界发明了一种新的围海垦地工作模式，即将原状海泥、水与低剂量固化剂（水泥等）混合形成水泥固化流塑态填料并通过泵送管道直接浇注到垦地区域，待海泥-水-固化剂混合物硬化后，便形成了满足一定工程力学指标的建筑场地。

本文以上述海泥-水-固化剂混合硬化技术中的低掺量水泥固化高含水率黏土（high water content clay stabilized by low cement content，HWCSC）为研究对象。大量学者已经对水泥固化土的强度影响因素及强度特性进行了研究，吴燕开等［3］得出了固化土在不同离子浓度的海水和蒸馏水养护条件下无侧限抗压强度的变化规律。曾智等［4］研究了上海黏土水泥固化土的强度与养护时间（t）、水泥质量分数（wc）之间的关系。Pongsivasathi 等［5］通过进行无侧限抗压强度（qu）试验、加州浸水承载比试验，研究了水泥质量分数对水泥土强度的影响。袁飞飞［6］提出了淤泥固化土的比重、密度、含水率（ww）的归一化公式以及孔隙比的预测公式，并定量地划分了掺入比的高低界限。Lee 等［7］以水灰比和土灰比为控制参数，提出了一个修正的幂函数形式经验公式来预测水泥土的强度。Kim 等［8］认为水灰比是影响水泥稳定土无侧限抗压强度、弹性模量和破坏应变的主要因素。Marzano 等［9］通过室内试验初步证实了养护温度越高，早期强度就越高，极限强度也越高。王臻华等［10］提出碳酸氢钠能维持水泥固化淤泥的碱性环境，能够有效提高水泥固化淤泥的强度。朱剑锋等［11］发现TZ18 固化土生成的水化产物更多，颗粒之间的联结更强，微观结构特性更稳定。郑少辉等［12］研究了不同水灰比的水泥固化黏土的强度特性。贾坚［13］发现综合含水率是影响水泥固化土固化效果的关键因素。张春雷等［14］认为初始含水率对水泥固化淤泥的强度、应力-应变曲线和黏聚力均有显著影响。

相较于传统水泥固化黏土，HW-CSC 因为含水率高而且水泥质量分数较少，其强度和变形特性具有自身特殊性，因此，HW-CSC 的强度和极限应变及其影响因素还有待进行深入研究。本文基于室内试验，考虑水泥质量分数、含水率和养护龄期等因素对于HW-CSC 试样强度和极限应变的影响，并给出容许极限应变的建议范围，为实际工程中HW-CSC 的应用提供参考。

1 土样性质及试验方法

1.1 材料性质

土样取自温州地区浅海区域上层的海泥，其物理力学性质指标见表1。水泥采用工程上常用的早强复合硅酸盐水泥，即P·C 32.5R 水泥。

1.2 试验方法

为了研究HW-CSC 应力-应变关系规律，考虑水泥质量分数和含水率两个重要因素，在不同养护龄期条件下进行试验，水泥质量分数设置为12%、14%、16% 和18% 等4 种情况，含水率取100%、125%、150%和175%，养护龄期取14、28、49、70 和126 d，即共制作出80 组不同配合比的试样，对每个试样进行无侧限抗压试验，制备试样的主要步骤如下：

1）制备试验所需模具，模具用PVC 管替代，模具的高为80 mm，内径为36 mm，外径为40 mm；

2）按照上述所示的配合比分布范围及海泥的天然含水率计算出所需水泥和水的质量；

3）将计算确定的水和水泥依次加入海泥中，倒入搅拌器搅拌2～3 min，然后用刮刀将搅拌钵底部和钵壁周围的混合料铲起，人工搅拌1～2 min，再使用搅拌器搅拌2～3 min，充分搅拌；

4）将搅拌好的混合料分层填入模具中，每一层经过人工振动排出气泡后再填入下一层，直至将模具装满，再用刮土刀将模具表面刮平。试样装进模具前应先在其内壁涂抹一层凡士林，以便于后期试样脱模；

5）将制作好的试样装入密封袋中，并置于充满水的水桶中，将桶放在阴凉［温度（20±3）℃，湿度＞80%］的实验室里进行养护，养护至设计龄期后进行脱模；

6）试样脱模后，将试样的两侧用削土刀削平，然后进行UCT 试验，操作过程严格按照规范JIS A 1216：2009（JGS 2009）执行［15］。

表1 试验所用海泥的物理力学性质指标Tab.1 Physical and mechanical properties of sea mud used in experiments

2 影响HW-CSC 试样强度的因素

通过室内试验测出上述试验的无侧限抗压强度，分析上述80 组不同配合比的HW-CSC 试样数据（共240 个HW-CSC 试样），考察水泥质量分数分别为12%、14%、16%和18%条件下HW-CSC 无侧限抗压强度的变化规律。

2.1 水泥质量分数对试样强度的影响

考察养护龄期分别为14、28、49、70 和126 d 情况下，不同含水率条件下HW-CSC 无侧限抗压强度随水泥质量分数的变化规律。图1（a）给出了养护龄期为14 d 情况下，不同含水率条件下HWCSC 强度随水泥质量分数的变化情况。

综合考虑14、28、49、70 和126 d 养护龄期及不同含水率条件下HW-CSC 无侧限抗压强度随水泥质量分数变化的情况，可作如下分析：

1）当含水率为100%时，相同龄期下当水泥质量分数在12%～16%时，HW-CSC 的无侧限抗压强度均随水泥质量分数的增加而增加，而当水泥质量分数在16%～18%时，水泥质量分数的增加使试样强度增长速率有减缓的趋势。分析其原因：对含水率为100%的HW-CSC，当水泥质量分数在16%～18%时，水-水泥-海泥已经充分反应，继续增加水泥质量分数对HW-CSC 的强度提升作用不大。因此，对含水率为100%的HW-CSC 存在一个最佳水泥掺入量范围——水泥质量分数：16%～18%。

2）含水率在125%～175% 的HW-CSC 试样，HW-CSC 的无侧限抗压强度均随水泥质量分数的增加而稳定增长，且增长速率都较为平缓；但是少数HW-CSC 试样的无侧限抗压强度增长规律出现反常，如含水率为125%的HW-CSC 无侧限抗压强度随水泥质量分数的增加而降低。出现上述现象的原因是含水率的增加使海泥质量相对减少，水-水泥-海泥搅拌不均使HW-CSC 的空间变异性增大。

3）含水率为100%的试样的强度为100～600 kPa，而含水率为125%～175%的试样强度为0～250 kPa，因此掺入水泥的质量分数为12%～18%对含水率在125%～175%的HW-CSC 试样强度提升并不明显，因此若要进一步提高高含水率（含水率≥125%）水泥固化黏土的强度，需要继续适当增大水泥质量分数，可以增加到25%左右。

图1 影响HW-CSC 试样强度的因素：（a）水泥质量分数（t=14 d），（b）含水率（wc=12%），（c）养护龄期（wc=12%）Fig.1 Factors affecting on strengths of HW-CSC samples：（a）cement mass fraction（t=14 d），（b）water content（wc=12%），（c）curing age（wc=12%）

2.2 含水率对试样强度的影响

考察水泥质量分数分别为12%、14%、16%和18%情况下，不同龄期条件下HW-CSC 无侧限抗压强度随含水率的变化规律。图1（b）给出了水泥质量分数为12%情况下，不同龄期HW-CSC 无侧限抗压强度随含水率的变化情况。

综合考虑水泥质量分数在12%、14%、16%和18%的情况下不同龄期时强度随着含水率的变化规律，可以得出：在相同的水泥质量分数下，不同龄期HW-CSC 的强度均随含水率的增加而降低，而含水率从100%增长至125%过程中，HW-CSC的强度下降较快；而含水率在150%～175%之间时，HW-CSC 的强度下降速率变慢，且当水泥质量分数较低时，强度下降速率变慢的就越明显；含水率在150%～175%之间时，各龄期下HW-CSC 的强度随含水率的增加变化量很小，趋于平缓。

2.3 养护龄期对试样强度的影响

考察水泥质量分数分别为12%、14%、16%和18%情况下，HW-CSC 试样的无侧限抗压强度随养护龄期的变化规律。图1（c）给出了在水泥质量分数为12%条件下，HW-CSC 无侧限抗压强度随养护龄期的变化情况。

综合分析4 种水泥质量分数的情况下试样的无侧限抗压强度随龄期的变化规律，可以得出在相同的水泥质量分数条件下，随养护龄期的增长，HW-CSC 的无侧限抗压强度出现先增长后趋于平稳的现象，甚至出现了下降的情况。而龄期为70 d为HW-CSC 无侧限抗压强度变化的转折点：70 d前，强度随龄期增加而增长，而且增长的速率较快；70 d 后，强度随龄期增长速率较慢并且趋于稳定，部分配合比试样的强度随龄期增长略微减小。因此，HW-CSC 的最佳养护龄期为70 d。

3 影响HW-CSC试样极限应变的因素

3.1 容许极限应变定义

每组数据中出现极限应力时对应的应变值即为极限应变，在实际工程中，需确保地基及基础有足够的整体稳定性。为防止地基发生失稳破坏，规定了地基容许极限应变，容许极限应变的计算方法见式（1）。

其中：εf为极限应变；K 为安全系数（安全系数设为2.0）；［ε］为容许极限应变。

以各影响因素为横坐标，极限应变值为纵坐标，绘制折线图和散点图，通过折线图的起伏状况和散点图离散程度直观地分析各影响因素对HWCSC 极限应变的影响，总结出HW-CSC 极限应变的标准区间，相应地得到容许极限应变的区间。

3.2 试样应变总体分布情况

针对前文引用的80 组压缩数据，将其绘制成散点图，其概率分布情况见图2（a）。

由图2（a）可知，试样的极限应变值大多分布于0.8%～2.5%之间，由式（1）可得容许极限应变值分布于0.40%～1.25%之间。

利用统计分析软件对HW-CSC 试样极限应变数据进行正态分布检验，得到HW-CSC 试样极限应变的频率分布直方图，如图2（b）所示。由图2（b）可知，极限应变值集中分布于1.0%～2.5%之间，由式（1）可得HW-CSC 容许极限应变分布区间为0.50%～1.25%。

图2 HW-CSC 试样：（a）极限应变散点图，（b）极限应变分布频率直方图Fig.2 HW-CSC samples：（a）scatter plot of ultimate strain，（b）frequency histogram of ultimate strain

3.3 水泥质量分数对极限应变的影响

考察养护龄期分别为14、28、49、70 和126 d 情况下，不同水泥质量分数条件下HW-CSC 极限应变数据的变化规律。图3（a）给出了在养护龄期为14 d 的情况下，HW-CSC 极限应变随水泥质量分数的变化情况。

综合分析了龄期为14、28、49、70 和126 d 情况下试样的极限应变随水泥质量分数的变化规律，可以分析得出：在相同养护龄期下，水泥质量分数为12%时HW-CSC 极限应变普遍最小，随着水泥质量分数的增加，HW-CSC 极限应变相应增大，当水泥质量分数达到18%时，HW-CSC极限应变最大。

3.4 含水率对极限应变的影响

考察养护龄期分别为14、28、49、70、126 d 情况下，不同含水率对HW-CSC 极限应变的影响，图3（b）给出了在养护龄期为28 d 的情况下，HW-CSC 极限应变随含水率的变化情况。

综合考虑了5 种龄期下试样的极限应变随含水率的变化规律，可以分析得出：在相同养护龄期下，含水率为100%时HW-CSC 极限应变较大，HW-CSC 极限应变随含水率的增加而减小，当含水率达到175%时，HW-CSC 极限应变最小。

图3 影响HW-CSC 试样极限应变的因素：（a）水泥质量分数（t=14 d），（b）含水率（t=28 d），（c）养护龄期（t=49 d）Fig.3 Effect of factors on ultimate strain of HW-CSC samples：（a）cement mass fraction（t=14 d），（b）water content（t=28 d），（c）curing age（t=49 d）

3.5 养护龄期对极限应变的影响

为了研究养护龄期对HW-CSC 极限应变的影响规律，利用实验数据，绘制出散点分布图，考察14、28、49、70、和126 d 养护龄期下极限应变的分布规律，图3（c）给出了在养护龄期为49 d 的情况下，极限应变的散点分布图。

综合分析5 种龄期下试样的极限应变散点分布图可以得出：

养护龄期为14 d 和28 d 时HW-CSC 极限应变主要分布于0.40%～1.15%之间，养护49 d 时极限应变分布于0.4%～1.0% 之间，养护70 d 后HWCSC 极限应变主要分布于0.65%～1.20%之间，养护126 d 后极限应变主要分布于0.70%～1.15%之间。因此可以看出，HW-CSC 试样的极限应变离散程度随着养护龄期的增加而逐渐减小。