螃蟹壳改良疏浚泥抗压强度试验研究初探★

司朝辉，顾 晖，李仁昊，王 科，宋苗苗，房 晨

(盐城工学院土木工程学院,江苏 盐城 224051)

0 引言

我国陆地面积约为960万km2,幅员辽阔,其中海洋河流湖泊众多,不可避免的会有大量淤泥产生,不仅仅限于自然界,城市发展建设、水利工程、海洋工程中,每天都产生大量的淤泥[1-2]。其中疏浚泥因为具有高含水率,强度很低,不仅无法作为工程材料进行回填,还会占用大量的用地,浪费大量人力、物力、财力,而传统的水泥固化剂会产生大量的热量和二氧化碳属于高能高碳材料,与当今的社会绿色环保背景不符。所以,怎样快速高效的解决河道中的淤泥和工程中的淤泥,是现在所面临且亟需解决的重要问题之一。因为我国海域面积辽阔,蟹类的海洋水产资源非常丰富,每一年的捕捞量高达几百万吨,甚至更高,人们在食用之后大都把外壳当垃圾丢掉,造成资源的严重浪费。每年全国废弃的蟹壳预计有几十万吨,人为的制造了自然资源的浪费和生活环境的污染[3]。

目前,环保高效地解决高含水率疏浚泥问题的方法为固化处理。固化处理之后可明显提高疏浚泥的强度,从而进行资源再利用[4-5]。固化处理的常用方法之一是向高含水率疏浚泥中加入一定量的水泥、石灰等固化材料,固化材料之后会与疏浚泥发生物理和化学反应,生成水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H)等胶结物质固化高含水率疏浚泥,从而达到提高疏浚泥强度的目的。虽然加入水泥之后会提高疏浚泥的强度,但因水泥成本高,单方面使用水泥也无法最大限度的提高固化强度,因此不少学者提出在加入水泥的同时加入一些辅助材料来提升疏浚淤泥的强度。桂跃等[6]通过添加粉煤灰、矿渣、磷石膏等工业废料与水泥等固化剂发现工业废料与水泥组成的复合固化剂的效果更优,可显著提高疏浚淤泥的无侧限抗压强度;张小芳等[7]利用核磁共振弛豫分析(NMR)、矿物成分分析(XRD)、微观结构分析(SEM)探究了水泥、矿渣与粉煤灰等复合固化剂作用下淤泥的无侧限抗压强度与抗剪强度的变化规律并建立了相对应的函数关系;林彤与刘祖德[8]分析了粉煤灰、石膏与生石灰加固软土的可行性,指出通过添加少量的石膏至粉煤灰中,可显著提高软土地基的前期与后期强度;丁建文等[9]提出水泥与磷石膏双掺固化疏浚淤泥,并且强度增效效果显著并且固化剂存在最佳掺量。综上所述,采用水泥与其他辅助材料固化高含水率疏浚淤泥的方法,以废治废,经济合理,有一定的应用前景。

本文以螃蟹壳作为辅助材料加入到高含水率疏浚泥中研究其强度变化。众所周知,螃蟹壳的主要成分为碳酸钙。在建筑行业中,碳酸钙粉末在混凝土中的重要性不言而喻,在可以降低生产成本的同时,增加相关产品的韧性和强度等等[10-11];Yoon等[12]基于无侧限抗压强度试验与矿物成分分析(XRD)探讨了利用韩国本土的粉碎牡蛎壳来改善沙土的力学性能,并指出牡蛎壳在改良土体方面的可行性。鉴于此,我们选用我国丢弃广泛的螃蟹壳加入到高含水率疏浚泥中研究其强度变化。

本文在固化高含水率疏浚泥时加入不同掺量的螃蟹壳细粉,养护一定龄期后开展无侧限抗压强度试验。学者提出,疏浚泥的强度在龄期达到28 d时基本达到了90%及其以上,之后随龄期的增加,强度增幅不是很明显[13],故本文中的养护龄期最大设置为28 d。基于试验结果,首先分析了不同养护龄期下螃蟹壳细粉添加对固化高含水率疏浚泥的轴向应力-轴向应变曲线和无侧限抗压强度的影响,同时探讨了螃蟹壳细粉的添加使固化疏浚淤泥强度性状发生改变的原因。之后,进一步研究了加入螃蟹壳细粉引起固化疏浚泥破坏应变和破坏形态的变化,为废弃物螃蟹壳和废弃泥的资源化利用提供理论支持。

1 实验方案

1.1 试验材料

试验所用疏浚泥来自安徽省蚌埠市五河县某工程,基本的物理性质如表1所示。土壤的液限为58.8%,塑限为27.0%,沙砾、粉粒、黏粒含量分别为1.0%,61.1%和37.9%,比重为2.68。根据土体的塑性指标在塑性图中的位置[14],试样的土壤为高液限黏土。

表1 试验用淤泥的基本物理性质

选材上,试验所用的螃蟹壳来自于广东某水产公司,螃蟹壳规格全部选用5 cm～8 cm不带肉纯壳(见图1)。然后用专用磨粉机,磨成细粉,通过0.075 mm大小的筛子后,用于本实验。所使用的水泥为盐城阜宁佳宁水泥有限公司所生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。

1.2 实验步骤

试验前取一定质量的疏浚泥,放入事先准备好的塑料桶中后,加一定质量的水浸泡,用搅拌棒把存在的小土块全部打散,搅拌均匀后调至目标含水率。安徽省蚌埠市五河县疏浚泥的液限为58.8%,目标为3倍液限的含水率,即176.4%。配置完成高含水率疏浚泥后,需要利用高速旋转搅拌器将其充分的搅拌均匀,不能有颗粒状的土块出现。因为水泥的含量对疏浚泥的应力会有影响,综合考虑我们控制水泥的质量分数为15%(水泥质量分数为总质量的15%),设定螃蟹壳的质量分数为0%,5%,10%,15%(螃蟹壳的含量为螃蟹壳的质量占干土质量的百分比)。按照顺序加入事先称好的螃蟹壳细粉和水泥。混合物搅拌均匀后,试验材料就准备好了。在制备试样前应准备好模具,本实验选用的为直径46 mm,高100 mm的PVC精致模具。把模具清洗干净并把水分全部擦拭,等模具干燥后在模具的内壁及上下两端的盖子均匀涂抹医用凡士林,作用是减小试样和模具间的摩擦,使其在脱模时更加轻松,试样更加完整。涂抹凡士林之后用电子称记录一下模具的质量。然后将搅拌均匀的固化土混合物分三次加入到模具中,在途中通过多次的振捣把试样中的气泡排除,以保证所有的试样质地均匀紧密,使所有平行样之间没有明显差别。三次分装至模具装满后,使用刮土刀将试样的上表面刮平,然后放入到标准养护室中进行养护,标准养护室的养护温度为(20±1) ℃,相对湿度为(96±2)%。24 h后试样基本成型,对其脱模,把没有达到试验龄期的试样放回养护室继续养护直至达到目标龄期。等达到目标龄期后取出需要试验的试样测量其直径、高及质量,然后采用YSH-1型应力-应变控制式无侧限压力仪(精度:轴力0.01 kN、轴向位移0.01 mm)进行无侧限抗压强度试验,每组样做3个平行样,记录数据进行分析[14]118-120。无侧限抗压强度试验方案见表2。

表2 无侧限抗压强度试验方案

2 结果与讨论

2.1 应力-应变曲线分析

图2为养护龄期分别为7 d,14 d,28 d的固化疏浚泥无侧限压样数据汇总图,我们控制的变量为蟹壳细粉的含量。从应力-应变的曲线可以看出曲线可分为四个阶段:第一阶段为图像的初始阶段,又叫做加载阶段(此阶段时间相比长一些),应力会越来越大并且速度越来越快,应力-应变的曲线接近一条直线,此时的试样不会出现什么裂纹,表面没有任何的变化。第二阶段叫做塑性上升段,在图像中表示为峰值前面到峰值的一段。在这个阶段里应力会达到最大值,越接近峰值应力表的数值变化越缓(此阶段时间比较短,变化比较大),此时的试样没有明显变化。第三阶段为陡降阶段,也为材料的破坏阶段。这时会在应变增加不大的情况下,应力会急速的减小,并且出现了反弯点(此阶段时间比较短,变化比较大),现在的试样表面已经出现裂隙比较明显。在应力-应变的曲线图上对应为产生峰值后面的一段曲线。第四阶段为残余强度阶段,这时候的应力变化很小可忽略不计,但是应变会逐渐增大。这该阶段的试样变化最大,可以明显看出试样产生了较大的塑性变形。这种破坏属于延性破坏。

由图2中的应力-应变曲线可以发现,任一龄期下含螃蟹壳的疏浚泥固化土的应力变化幅度均比不含螃蟹壳的疏浚泥固化土的更大。在相同的龄期下,曲线的幅度随着螃蟹壳含量的增加而越来越大,峰值也随着螃蟹壳含量的增加而增大,也就是含螃蟹壳的固化土的峰值强度均显著高于不含螃蟹壳的固化土,说明螃蟹壳在改善软土方面存在应用的可能性。轴向应变为2%左右的时候,应力会出现峰值,这是因为制样时我们加入了一定质量的水泥,水泥会发生水化反应形成了土骨架支撑架构,提高了土骨架的承载力[15]。同时,从图2可发现,养护时间为7 d的应力-应变的曲线中,蟹壳质量分数为15%的水泥固化土的强度比不含蟹壳的水泥固化土的强度增加28 kPa,增幅为18.2%。从养护时间为14 d的应力-应变的曲线可以看出,蟹壳质量分数为15%的水泥固化土的强度比不含蟹壳的水泥固化土的强度增加了71 kPa,增幅为43.5%。蟹壳质量分数为15%的水泥固化土的强度比不含蟹壳的水泥固化土的强度增加56 kPa,增幅为20.4%。由此可见,随着养护龄期的增加,螃蟹壳提高固化土的强度呈现显著增加趋势,其中的原因可主要归因于水泥的硬化所致。

2.2 无侧限抗压强度分析

图3为无侧限抗压强度与龄期的关系图,无侧限抗压强度取自于图2中各曲线上的最大轴向应力[14]118-120,可以看出在28 d养护龄期下,随着龄期的增长,应力的峰值大致呈现线性增长,这与前人研究结果相似[5]53,[8]1051。同时,由趋势线的斜率可发现含螃蟹壳的固化土的斜率均比不含螃蟹壳的固化土的斜率大说明螃蟹壳可以显著提高固化土的无侧限抗压强度,而且在螃蟹壳质量分数为10%时,无侧限抗压强度增加的更加显著,说明利用螃蟹壳细粉提高高含水率疏浚泥的无侧限抗压强度存在最优解。

从图3的养护龄期为7 d到龄期为28 d的四个点可以看出,龄期为7 d的四个点比较紧凑而龄期为28 d的四个点相对更加分散一些,说明无侧限抗压强度的增幅与螃蟹壳含量存在较强的相关性,而且随着龄期的增加,不同螃蟹壳含量的固化土的无侧限抗压强度差异性会愈加明显。

2.3 破坏应变分析

图4为固化土试样无侧限抗压强度试验时被破坏试样的实物图,裂隙刚开始时会在试样的表面出现微小的裂纹,伴随着应变的增加,裂纹会由上下两端慢慢向中间延伸,裂纹的宽度也会随之增大。因为试样的上下两端有承压面受到约束的影响,而试样的中部横向变化不受约束,所以在试样中部会出现较大的裂隙,甚至脱落。固化土的破坏时间很短,从刚开始的出现细小裂纹到最终破坏经历的时间只有短短20 s左右。图4(a)是不含螃蟹壳的固化土的破坏情况,可以看出不含螃蟹壳固化土被破坏后的裂隙比较大而且裂隙的分布很不均匀,整体来看只有一两条大的裂隙,而由图4(b)可发现含有螃蟹壳的固化土的裂隙就比较均匀,裂隙的大小、宽度更为均衡,可发现添加螃蟹壳粉末的疏浚泥固化后试样整体上黏聚力较高,无侧限抗压强度有显著提升,原因可归因于随着碳酸钙成分增加,土性改变所致。

固化土在受到压缩破坏时会有破坏应变,破坏应变作为衡量固化土的承载指标之一。破坏应变越大代表材料的韧性越好,即当材料在发生塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力越强,发生脆性断裂的可能性越低,相反破坏应变越小代表材料常常为脆性破坏[16-17]。在建筑施工单位一般采用韧性材料。图5是螃蟹壳细粉含量为0与15%的破坏应变与无侧限抗压强度关系图,由图可以看出二者的破坏应变均与无侧限抗压强度呈反比,即试样的破坏应变随着无侧限抗压强度的增加而减小。同时可以发现,同一无侧限抗压强度下,含螃蟹壳的固化土的破坏应变大于不含螃蟹壳的固化土的破坏应变,表明含有螃蟹壳的固化土的韧性更好,抵抗变形的能力更强,所以在建筑施工材料中可适当添加螃蟹壳以提高施工材料的安全性与耐用性。

固化土的变形系数是衡量固化土压缩特性的指标之一[18-19]。可用于弹塑性问题的分析计算,固化土的变形系数定义公式如下:

其中,σ1/2为竖向应变为破坏应变的一半时所对应的轴向应力;εf为破坏应变。由此可以把E50看作此时的割线模量。

由图6变形系数与无侧限抗压强度的关系图,可以看出随着无侧限抗压强度的提高,变形系数呈增加的趋势,这与朱伟等学者的研究结论一致[20-23]。通过拟合实验数据我们得到含螃蟹壳的高含水率疏浚淤泥固化土的变形系数与无侧限抗压强度的定量关系为E50=55.2qu。

3 结论

本研究通过无侧限抗压强度试验分析螃蟹壳在疏浚泥固化土研究中的可行性,其中,螃蟹壳含量分别设置为0,5%,10%,15%。通过对比分析含螃蟹壳的固化土与不含螃蟹壳的固化土的应力-应变曲线图、无侧限抗压强度,并且观察了破坏时试样的具体状态得出了结论如下:

1)含有螃蟹壳的固化土的应力-应变曲线图和不含螃蟹壳的固化土应力-应变曲线图一样都有峰值的存在,含螃蟹壳的固化土应力比不含螃蟹壳的固化土的应力大,而且这个增大的幅度是随着龄期的增长而增大。龄期越长蟹壳粉中的碳酸钙与固化土的黏合度越高,破坏应力也就越大。

2)含有螃蟹壳的固化土无侧限抗压强度均比不含螃蟹壳的固化土无侧限抗压强度大,并且增大的幅度会随着蟹壳含量的增加而增加的趋势,这可归因为螃蟹壳的主要成分是碳酸钙,硬度比较大,可以很好的增加固化土无侧限抗压强度,其中当螃蟹壳质量分数为10%时,无侧限抗压强度增加幅度最为明显。

3)含有螃蟹壳的疏浚泥固化土比不含螃蟹壳的韧性更强、抵抗承载力的能力更高,故在建筑施工材料中可适当添加螃蟹壳以提高施工材料的安全性与耐用性。

4)基于本身我们选用疏浚淤泥就是资源再利用,辅助材料选用废弃物螃蟹壳,成本低、效果好、变废为宝。这不仅能够在工程中节省成本,还能利用其特性将废弃物资源化利用,为工程提供性能优良的土质材料,有效的减少了对环境的危害。