灞河河道疏浚底泥固化力学特性试验研究

雷 颖，高德彬，马学通，李同录

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

近年来，西安市不断推进河道综合治理工程，由此产生了大量的河道疏浚底泥。由于河道疏浚底泥具有含水率高、压缩性大、强度低、渗透性能差等特点[1]，采用异地处理方法，会造成处理成本较高且不易运输，采用物理方法处置，若处理不当易引发生态环境问题，造成二次污染[2]。若对河道疏浚底泥进行固化改性，使其可以就地回填应用，既可以降低工程成本，同时也可为河道疏浚底泥的处置提供新的途径。目前众多学者对底泥的固化进行了大量的研究。如陈娟等[3]采用不同的加压模式研究了淤泥中氨氮的释放特性，并定量评价了含氮淤泥沉积物对地下水氮输入的贡献;刘哲等[4]利用属性识别模型研究了运河杭州段底泥的污染程度，结果发现底泥表层污染程度高于底层；Meng等[5]以水泥、粉煤灰及石膏为固化材料对淤泥进行了固化处理，结果发现水泥对淤泥的固化效果起主导作用；Wang等[6]采用MKPC固化河道疏浚底泥，结果发现随着MKPC掺量与养护龄期的增加，底泥颗粒间相互连接得更加紧密，其抗压强度明显提高；Zhou等[7]研究了矿渣凝胶材料的固化特性，结果发现当矿渣凝胶材料掺量为12.5%时，可极大程度地减少淤泥中的孔隙；赵丽华等[8]以水泥为主要固化剂，对中原油田污泥进行了固化处理和多因素试验研究，提出了固化淤泥的最优配比方案；王臻华等[9]以水泥、高分子吸水树脂(SAP)为固化材料对淤泥进行了固化处理以及干湿循环试验和渗出试验，结果发现水泥可改善淤泥耐久性和重金属稳定性；程福周等[10]通过水泥加SAP、粉煤炭、水泥双掺固化试验研究，结果发现SAP可一定程度延缓固化底泥含水率的降低，使得水泥的水化反应更加充分；Shirazi等[11]研究发现石灰、粉煤灰与水泥复合固化时，前两者可明显消除水泥土收缩开裂的现象；王臻华[12]对比了水泥、SAP等固化材料对淤泥的固化效果，并给出了复合固化剂的最优配比设计方案；李磊等[13]研究了不同掺量的水泥和养护龄期条件下底泥的压缩特性，结果发现水泥掺量高于临界值时，底泥的压缩指数趋于稳定。大量研究表明，底泥固化后的强度与固化剂的掺入比例有着直接的关系。为了减少主要固化剂的使用量，众多学者尝试在固化剂中加入其他材料。如吴王正[14]通过在水泥固化底泥中加入了三乙醇胺(TEA)，结果发现TEA的掺入可有效提高底泥的早期强度；唐晓博等[15]研究发现加入TEA后水泥浆体的流动性降低，使其强度得到了极大的提升；孔祥明等[16]通过总有机碳(TOC)分析的方法测定了水化水泥浆体液相中TEA浓度的变化，结果发现TEA的消耗主要发生在水泥水化加速期，且水化早期水泥强度明显提高。

由于不同地区的河道疏浚底泥力学性质差异较大，因此需要设计有针对性的固化方案，以使其可安全、可靠、合理、经济地应用于工程建设中。基于此，本文结合灞河右岸岸坡生态环境综合治理工程实践，选用水泥、高分子吸水树脂(SAP)和三乙醇胺(TEA)对该综合治理工程中清除的灞河河道疏浚底泥进行固化力学特性试验研究，为其应用于滨河沙坑回填等工程实践提供试验依据。

1 试验方案设计

1.1 试验原材料

本试验选用灞河右岸岸坡底部的河道疏浚底泥为原材料，该试验底泥呈灰褐色—灰黑色，底泥的基本物理性质指标及物质含量测试结果见表1，底泥的粒度分析曲线见图1。

表1 试验底泥的基本物理性质指标及物质含量测试结果

图1 试验底泥的粒度分析曲线

1.2 试验方案

由于灞河河道的疏浚底泥含水量较高、流动性较大，故本试验选用高分子吸水树脂(SAP)作为固化材料，其可吸附孔隙中的自由水，同时还可起到保水作用，使得水泥的水化反应更加充分；而三乙醇胺(TEA)具有促凝作用，且可减少液面张力，可使水泥颗粒与水分充分接触，使得水泥水化程度得以提升，进而提升固化改性底泥的早期强度。

本试验仅研究固化材料对河道疏浚底泥固化效果的影响，控制底泥含水率为30%，底泥试样干密度为1.65 g/cm3。由于TEA存在双临界掺量值[17]，当TEA掺入量较大时，其被吸附于水化产物表面，会影响水化产物的成核与C3S的水化，导致水泥土早期强度降低[18]；当TEA掺入量较小时，将有利于水泥土早期强度的提升，因而本试验取TEA的掺入量为0.03%。而SAP的掺入量根据室内抗压试验结果最优选取0.5%。本试验底泥固化材料的具体配比方案，见表2。

表2 试验底泥固化材料配比方案(单位：%)

首先，在75℃恒温条件下将底泥烘干，而后碾碎过2 mm方孔筛；然后，采用压实法制备试样，试样制备完成后采用聚乙烯膜密封(见图2)，并将试样放入保湿器中按龄期进行养护(见图3)；最后，采用ZJ型应变控制式直剪仪(见图4)对试样进行直剪试验，采用WG型单杠固结仪(见图5)对试样进行固结试验。

图2 试验底泥试样的密封

图3 试验底泥试样的养护

图4 ZJ型应变控制式直剪仪

图5 WG型单杠固结仪(高压)

2 试验结果与分析

2.1 直剪试验结果与分析

不同固化底泥试样的黏聚力和内摩擦角随养护龄期的变化曲线，见图6和图7。

图6 固化底泥试样黏聚力随养护龄期的变化曲线

图7 固化底泥试样内摩擦角φ随养护龄期的变化曲线

由图6和图7可见：在养护期内，固化底泥试样的黏聚力和内摩擦角均表现为先快速增大而后趋于稳定；不同固化剂固化底泥试样的内摩擦角和黏聚力均较纯底泥有所增大，其中20%水泥与0.03%TEA复合固化底泥试样的黏聚力最大。

不同养护龄期固化底泥试样的直剪试验τ-σ关系曲线，见图8。

图8 不同养护龄期固化底泥试样的直剪试验τ-σ 关系曲线

由图8(a)可见，短期内不同配比及种类的固化剂均可明显增强固化底泥试样的抗剪强度τ。随着水泥含量的增加，固化底泥试样的抗剪强度不断增大；而SAP的掺入降低了固化底泥试样的抗剪强度，有负面影响，这可能是由于SAP在养护过程中不断释水使固化底泥体积收缩导致的；而TEA的掺入明显增强了固化底泥试样的抗剪强度，其主要原因是TEA可促进水化硅酸钙和钙矾石的形成，使得固化底泥试样的抗剪强度增大。

由图8(b)可见，与养护龄期为3 d[见图8(a)]的固化底泥试样相比，随着养护龄期的延长，各固化底泥试样的抗剪强度均有所增大，掺入外加固化剂的固化底泥试样的抗剪强度远大于纯底泥试样。其中，10%水泥与0.5%SAP复合固化的试样抗剪强度较单掺10%水泥固化的试样抗剪强度降低了1.8%～14.2%；而掺入TEA的固化底泥试样抗剪强度没有因为水泥掺入量的不同而表现出明显的差异，说明当水泥含量为10%时，0.03%TEA充分发挥了其促凝作用，可有效地提高固化底泥试样的抗剪强度。

由图8(c)可见，10%水泥与SAP复合固化的底泥试样较单掺10%水泥固化的底泥试样抗剪强度降低了3.3%～13.0%，说明类似于SAP这种具有一定吸水能力但无法与水反应生成胶结物的固化材料用于底泥固化的适用性较差；20%水泥、10%水泥与0.03%TEA复合固化的底泥试样抗剪强度较为接近，说明这两种固化方案对底泥的固化效果基本相同，即表明加入TEA可以有效地提高水泥水化效率，降低水泥的用量。

2.2 固结试验结果与分析

为了进一步探究固化改性底泥的变形规律，对其进行侧限压缩试验，探究不同固化材料和养护龄期的固化改性底泥孔隙比与竖向固结压力的关系，试验选用的是快速固结试验，并以100～200 kPa竖向固结压力范围内固化底泥试样的压缩系数a1-2来表征固化底泥的压缩特性[19]。

不同养护龄期固化底泥试样的快速固结试验e-p关系曲线，见图9。

图9 不同养护龄期固化底泥试样的快速固结试验e -p关系曲线

由图9可见：不同固化底泥试样的孔隙比e均随着竖向固结压力p的增大而减小，且在低压条件下固化底泥试样的孔隙比下降更快；同时，不同养护龄期下纯底泥试样的孔隙比总是大于固化底泥试样，其e-p曲线斜率也明显大于固化底泥试样。

各固化底泥试样的压缩系数a1-2随养护龄期的变化曲线，见图10。

图10 各固化底泥试样的压缩系数a1-2随养护龄期的变化曲线

由图10可见：固化底泥试样中加入0.5%SAP试样的压缩系数最大，这是由于SAP在制样初期大量吸水，受压力作用后不断排水收缩导致试样的孔隙比增大，抗剪强度减弱；掺入TEA后，水泥固化底泥试样的压缩系数有所降低，这是由于TEA加速了水泥水化反应过程，提高了水泥水化反应的效率[16]；10%水泥与0.03%TEA复合固化的底泥试样的压缩系数较单掺20%水泥固化的底泥试样的压缩系数小，由此可见TEA可取代部分水泥，使得底泥的固化效果更佳；相同掺量TEA时，固化底泥试样的压缩系数随着水泥掺量的增大而减小，且不同养护龄期掺入TEA后固化底泥试样的孔隙比变化量基本相同，这说明TEA在水泥水化反应中主要起催化作用；此外，纯底泥、水泥与0.5%SAP复合固化的底泥试样的压缩系数a1-2在0.1～0.5 MPa-1范围内，属于中压缩性土，而单掺水泥固化底泥试样和水泥与0.03%TEA复合固化底泥试样的压缩系数a1-2小于0.1 MPa-1,属低压缩性土。

3 结 论

本文结合灞河河道右岸生态环境综合治理工程实践，选用水泥、高分子吸水树脂(SAP)和三乙醇胺(TEA)作为对河道疏浚底泥进行工程改性的再生填筑材料，开展了室内直剪试验和固结试验研究，得出以下结论：

(1) 通过纯底泥、水泥与0.03%TEA复合固化底泥、水泥与0.5% SAP复合固化底泥的固化力学特性试验，结果发现：养护龄期较短时，固化底泥的峰值抗剪强度随着水泥掺量的增加而增大；水泥与0.5%SAP复合固化的底泥抗剪强度呈减小趋势；水泥与0.03%TEA复合固化的底泥抗剪强度呈增大趋势，且随着养护龄期的增大，固化改性后的底泥峰值抗剪强度均呈增大趋势，而其压缩系数则呈减小趋势。

(2) 由于TEA在一定程度上促进了水泥的水化反应，使其生成较多的凝胶产物，提高了单一水泥的固化效果，因而水泥与0.03%TEA复合固化底泥的压缩系数小于单一水泥固化底泥。

(3) 10%水泥与0.03%TEA复合固化的底泥试样压缩系数小于单掺20%水泥的底泥试样，大于20%水泥与0.03%TEA复合固化的底泥试样。综合对比，选用10%水泥与0.03%TEA的配比方案对灞河河道疏浚底泥进行固化处理更加经济实用。