黄河口有机质疏浚土压缩特性及改良利用研究

刘勇文，胡 畔，马 力

（1.黄河水利职业技术学院 土木与交通工程学院，河南 开封 475004；2.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001）

为了改善河流通航条件，扩大运输通道，并有效控制洪水，我国每年产生3.5亿～4.0亿m3的疏浚土［1］。因疏浚土体量庞大、理化性质迥异、污染程度不同，故其处置面临着巨大的挑战。

长期以来，疏浚土处置方法以填埋、堆放和海洋抛泥为主，不仅占用大量土地，而且在雨水冲刷作用下可能带来重金属、有机物等二次污染，此外土中有益成分不能得到合理利用，造成资源浪费［2］。近年来，疏浚土建材化开始引起重视，由于疏浚土往往具有高压缩性、低强度等特点，因此将其建材化利用之前需要掺入改良材料。国内外学者以水泥［3］、粉煤灰［4－5］、聚丙烯酰胺（PAM）［6］、钢渣［7－8］、活性MgO［9］为改良材料，开展了一系列研究工作，总体上发现在不同含水率和干密度下，改良后疏浚土的强度指标提升明显，固结系数等指标有所改善。此外，还有学者对多种改良材料的复合改良效果开展了研究，在考虑经济成本的前提下，提出了淤泥、水泥、矿粉、石膏4种改良材料之间的最优配比［10］。上述许多工作从含水率、干密度等角度研究了疏浚土的工程性质及改良方法，这是对大多数建材化用土进行研究的常规思路。然而疏浚土本身是一种性质复杂的材料，其性质与其含有大量有机质密不可分，而目前对不同有机质含量改良疏浚土的相关研究较少。

鉴于此，本文从考虑有机质含量的角度出发，通过试验确定了不同有机质含量疏浚土的工程指标，采用扫描电镜（SEM）和X射线荧光光谱分析（XRF）对疏浚土的微观结构及矿物成分进行了分析，并通过一维固结试验，分析不同改良方案（石灰、粉煤灰、火山灰）下疏浚土的压缩特性，探讨有机质含量对改良效果的影响，最后提出合理的疏浚土改良配比，旨在为水运工程中疏浚土的建材化利用提供参考。

1 试验材料

本研究使用的疏浚土为山东省黄河入海口某河段底泥，疏浚工程目标为：减少内源污染，改善水环境；拓浚河道断面，恢复河道行洪能力。将采集的底泥样品（见图 1）密封保存，标注编号，在避光条件下运送至实验室。随后将样品放在阴凉通风处自然风干，过0.5 mm尼龙筛。疏浚土中黏粒（粒径＜0.005 mm）含量为42%，粉粒（0.005 mm≤粒径＜0.075 mm）含量为57%，其基本物理性质指标见表1。

图1 采集的疏浚土样品

表1 疏浚土的基本物理性质指标

采用石灰、火电厂粉煤灰和火山灰作为改良材料，密度分别为2.45、2.65、2.54 g／cm3，研究不同有机质含量疏浚土的改良效果。

2 试验方案

有机质含量OMC测定根据《土工试验方法标准》（GB／T 50123— 2019）［11］进行，天然疏浚土OMC值约为11%。将疏浚土样品在440℃温度下进行烘烤，对烘烤时间进行标定，获得不同有机质含量（0%、4%、7%、11%）的未改良疏浚土样品（对应编号为0OM、4OM、7OM、11OM），如图2所示。

图2 不同有机质含量的疏浚土样品

采用扫描电镜（SEM）来观察疏浚土的微观结构，同时进行X射线荧光光谱分析（XRF）以获取疏浚土的矿物成分信息。建材一般有压缩性、抗裂性等方面的要求，本文主要针对压缩性开展研究，采用一维固结试验来测定天然疏浚土及改良土的孔隙比、压缩指数、体积压缩系数，掺入的改良材料含量分别为5%、10%、15%和20%，相应的编号规则见表2。

表2 改良疏浚土编号规则

一维固结压缩试验根据《土工试验方法标准》（GB／T 50123— 2019）［11］进行，固结室中充满蒸馏水，因此所有试样在试验期间始终保持饱和。在加载期开始前，首先施加5 kPa的初始轴向应力，固结24 h后在竖直方向施加24.5、49、98、196、392、784 kPa的应力，加载时间为24 h。选择的负荷增量比为1，以确保疏浚土的固结曲线形态与太沙基理论固结曲线［12］相似，然后卸载至196、49 kPa，以确定膨胀性能。每种试验条件下至少重复2次试验，以检验结果的可靠性，如果结果不合理，则重复第3次试验甚至更多。

3 试验结果及分析

3.1 有机质含量对天然疏浚土的影响

天然疏浚土密度ρ与OMC之间的关系如图3所示。可以看出，随着有机质含量的增多，土的骨架结构越来越松散，密度下降，两者成反比关系。

图3 密度和有机质含量的关系

不同有机质含量对疏浚土工程性能指标的影响见表3。随着OMC的增大，疏浚土的液限、塑限增大，界限含水率明显增大。OMC影响界限含水率的原因在于有机质对水具有较高的吸附能力，从而使大量的水覆盖在土颗粒周围形成水膜。有机质还将导致疏浚土的碱性减弱，有机质含量为0%～11%的疏浚土pH值在7.2～8.9之间，属于微碱性（pH值为7～ 8）到中碱性（pH值为8～ 9）。此外，随着有机质含量的增大，疏浚土的压缩指数增大。

表3 不同有机质含量下疏浚土的工程性能指标

3.2 微观结构分析

通过XRF获取了不同有机质含量的天然疏浚土的矿物成分。疏浚土中黏土矿物含量在50%以上，其他矿物成分有方解石、云母、白云石、石英和长石。

图4为疏浚土SEM图像，不含有机质的0OM样品（图4（a））与有机质含量大的11OM样品（图4（b））区别明显，后者含有鱼骨、藻类和小枝等有机质。与天然疏浚土相比，粉煤灰改良土（图4（c））和火山灰改良土（图4（d））含有更多的细粒，而石灰改良土（图4（e）和图4（f））中有明显的胶凝团聚物。由于石灰以二价正离子（钙）取代一价正离子（钠和钾），因此导致土分子结构发生显著变化，减小了颗粒之间的排斥力，从而引起絮凝，形成了水化硅酸钙C－S－H之类的水溶性凝胶，化学反应见式（1）～式（3）。C－S－H不仅能够填充土颗粒之间的孔隙，使土更加密实，而且能够作为胶凝物起到胶结土颗粒的作用，改善土的工程性质。

图4 疏浚土SEM图像

3.3 压缩特性

3.3.1 天然疏浚土

土的压缩通常是由颗粒的重新排列和破碎造成的，本文中天然疏浚土试样孔隙比e与一维固结试验中有效应力σ＇的关系曲线如图5所示。可以看出，孔隙比最大变化量Δe（Δe＝e0－e1其中e0为初始孔隙比，e1为加载后卸载至49 kPa时的孔隙比）属于OMC最大的样品，即Δe11OM＝0.38。随着OMC的减小，孔隙比最大变化量也减小，例如Δe7OM＝0.23、Δe4OM＝0.20、Δe0OM＝0.12，说明有机质含量越大，疏浚土的抗压缩性越差。最大膨胀曲线斜率也属于OMC最大的样品，原因是有机质亲水性更强，11OM容易吸收更多的水分而膨胀。

图5 天然土孔隙比与有效应力的关系

一维固结试验中压缩指数（Cc）与OMC的关系曲线如图6所示。随着OMC的增大，Cc线性增大。在一维固结试验中，假设土颗粒体积保持不变，则总体积的变化是由水排出造成的，有机物的存在使得土颗粒周围吸附大量水分，随着有效应力增大，水分排出，可以观察到明显的轴向变形。本文中天然疏浚土Cc与OMC的拟合关系式为Cc＝0.02OMC＋0.07。

图6 天然土压缩指数与有机质含量的关系

3.3.2 石灰改良土

11OM以及相应的石灰改良土体积压缩系数（mv）—有效应力（σ＇）的关系如图7所示。在相同有效应力条件下，体积压缩系数（mv）随石灰含量的增大而减小，即石灰的掺入增大了疏浚土的体积刚度。例如，对于11OM以及相应的5%、10%、15%和20%石灰改良土，当有效应力为98 kPa时，mv分别为6.30×10－4、2.37×10－4、1.79×10－4、2.18×10－4、1.31×10－4kPa－1。此外，石灰含量越大，随应力变化，mv变化越不明显，即最终两者几乎无相关性，当石灰含量大于15%时，mv基本维持在5.0×10－4kPa－1以下。

图7 石灰改良土体积压缩系数与有效应力的关系

不同有机质含量下，压缩指数（Cc）与石灰含量（L）的关系见图8。Cc随着L的增大而减小，范围为0.043～0.247。对于有机质含量为0%～7%的疏浚土，5%～10%含量的石灰掺入已经可以明显改善其压缩性能，进一步增大石灰含量的作用不大，只有当有机质含量达到11%时，才有必要掺入更多的石灰，即有机质含量较大时，石灰的改良作用才明显。

图8 压缩指数与石灰含量的关系

3.3.3 粉煤灰改良土

11OM以及相应的粉煤灰改良土体积压缩系数（mv）—有效应力（σ＇）的关系如图9所示。在相同的有效应力条件下，体积压缩系数（mv）随着粉煤灰含量的增大而减小。例如，对于11OM以及相应的5%、10%、15%和20%粉煤灰改良土，当有效应力为98 kPa时，mv分别为6.30×10－4、4.70×10－4、4.42×10－4、2.13×10－4、2.36×10－4kPa－1。与石灰改良土不同，粉煤灰改良土的mv始终与应力具有相关性，当粉煤灰含量大于15%时，mv基本维持在5.0×10－4kPa－1以下。

图9 粉煤灰改良土体积压缩系数与有效应力的关系

不同有机质含量下，压缩指数（Cc）与粉煤灰含量（T）的关系如图10所示。可以看出，在不同有机质含量下，压缩指数都随粉煤灰含量的增大而减小。粉煤灰粒度很小，海绵状结构，填充在疏浚土的孔隙之中，增大了疏浚土的刚度。

图10 压缩指数与粉煤灰含量的关系

3.3.4 火山灰改良土

11OM以及相应的火山灰改良土体积压缩系数（mv）—有效应力（σ＇）的关系如图11所示。可以看出，火山灰掺入后土的压缩性能改良效果不明显，火山灰含量为5%～20%时，改良土的mv—σ＇曲线基本与天然土的重合，11OM5V样品的mv相对较小，进一步增大火山灰含量后mv反而略有增大。例如，对于11OM以及相应的5%、10%、15%和20%火山灰改良土，当有效应力为98 kPa时，mv的值分别为6.30×10－4、5.73×10－4、7.81×10－4、8.36×10－4、7.72×10－4kPa－1。压缩指数（Cc）和火山灰含量（V）的关系如图12所示，在各个有机质含量下，Cc都随着火山灰含量的增大而增大，Cc值最大为0.356。

图11 火山灰改良土体积压缩系数与有效应力的关系

图12 压缩指数与火山灰含量的关系

综上，石灰的加入对疏浚土的压缩性能有积极的影响，特别是对11OM疏浚土样品，但石灰使用量大，经济成本较高；掺入粉煤灰对不同有机质含量疏浚土均有明显的改良效果，成本相对较低，可适当提高其含量以取得更好的改良效果；掺入火山灰后，疏浚土体积压缩系数、压缩指数增大，说明其对抗压缩产生了不利影响。

4 结 论

本文将石灰、粉煤灰和火山灰按不同比例掺入黄河入海口河道疏浚土，研究不同有机质含量（OMC）天然疏浚土以及改良土的工程性质及压缩特性，得到如下结论。

（1）随着OMC的增大，天然疏浚土的界限含水率增大，密度减小，碱性由中碱性变为微碱性。

（2）天然疏浚土的压缩指数范围为0.10～0.32，随着OMC的增大，压缩性越来越强，而最强的膨胀性也属于OMC最大的疏浚土。

（3）石灰和粉煤灰都可以有效提高疏浚土的抗压缩性，对于石灰而言，当疏浚土OMC不大时，掺入5%～10%的石灰较为有效，当OMC较大时才有必要增加石灰含量；而粉煤灰对不同OMC的疏浚土均有明显的改良效果，当含量在15%以上时可以大大降低其压缩性、改善其工程性能。

（4）火山灰掺入后土的体积压缩系数、压缩指数增大，说明其对抗压缩产生了不利影响。

（5）粉煤灰兼顾了对于压缩性的改良效果及经济成本，是3种改良材料中最佳的，使用粉煤灰也有助于减少固废污染。