有机膨润土对水泥固化淤泥填筑路基性能影响

王朝辉，孙晓龙，王新岐，王晓华

（1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.天津市市政工程设计研究院，天津 300051）

为了保证河道正常的泄洪能力和航道、港口的畅通，包括我国在内的世界各国都在开展大规模的疏浚和清淤工程，将会产生大量的淤泥[1-3].疏浚工程中产生的淤泥通常采用堆放或抛弃，不仅占用大量的土地，造成大量土地资源的浪费，且将其抛到外海，会严重影响海洋资源的有效利用，对海洋环境将会造成不可弥补的破坏.因此，淤泥的固化与资源化处理具有重要的意义.

利用水泥来固化淤泥的研究开展较多，但单纯的添加水泥不仅造价过高，而且加固效果也不理想.近年的研究热点集中在使用新型固化材料，尤其是将一些工业废料例如粉煤灰、石灰、石膏等作为辅助固化材料作为淤泥改性剂的研究方面[4-6]，但多数淤泥固化剂的固化效果依赖于淤泥颗粒度、含水量和有机质含量[7]，当遇到含水量高和有机质含量高的淤泥时，往往导致淤泥固化后的强度偏低[8-11].

本文提出将有机膨润土（DK）作为外掺剂加入到传统水泥固化剂制备的固化淤泥中，希望借助有机膨润土的高吸附性减少土体中的吸附水，提高淤泥的最佳含水量，增大淤泥强度，减小其收缩性.为研究有机膨润土对水泥固化淤泥性能的影响，本文选择了多种不同种类的淤泥作为研究对象，通过测试掺入有机膨润土的水泥固化淤泥的抗压回弹模量试验和正常条件、浸水条件及冻融循环条件下的无侧限抗压强度试验结果，综合研究了有机膨润土掺量对水泥固化淤泥的力学性能、耐水性能和抗冻融性能的影响.

1 试验原材料及方法

1.1 原材料

淤泥为天津滨海地区具有代表性的临港、轻纺区及中新生态城三地淤泥试样，按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）的要求及步骤对淤泥进行了有关试验测定了淤泥试样的基本物理指标[9].同时通过质量法测试了淤泥中易溶盐总量.其基本物理性质指标和含盐量分别见表1及表2.

有机膨润土（DK）是一种以蒙脱石为主要成分，蒙脱石晶体层间阳离子与晶体格架之间形成电偶极子，晶层间的氧层和氧层的联系力很小，同时又具有较大的比表面，这使得其具有很高的吸附性[9].有机膨润土在全国均有销售，均价约在8 000元/t，其主要性能指标如表3所示.水泥，32.5普通硅酸盐水泥，市售.

表1 3种淤泥基本物理性质指标Tab.1 Physical index of three kinds of silts

表2 3种淤泥的含盐量 mmol/kgTab.2 The salt content of the three kinds of silts

表3 DK粉的物理性质Tab.3 Physical index of DK

1.2 试件制备与表征手段

新型固化剂CDK固化淤泥CBR试验按照公路土工试验规程（JTJ051-93s）T0134-93进行CBR试验，以评价固化淤泥用作路基填筑时固化剂的固化效果；固化淤泥抗压回弹模量试验按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E51-2009）T 0807-1994置于无侧限压力仪上测定其抗压回弹模量；固化淤泥耐水性能试验按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E51-2009）T 0805-1994对试件的无侧限抗压强度进行研究；固化淤泥抗冻融性能试验按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTGE51-2009）T0858-2009测试试件的无侧限抗压强度，并与正常养生的试件强度进行对比，以BDR指标（冻融循环后与常规养生试件强度比）评价固化淤泥的抗冻融性能.

2 结果与讨论

水泥在淤泥固化过程中主要作为主固化剂提高强度的作用，参考国内关于水泥稳定土的相关文献，水泥掺量为6%时，水泥稳定软土填筑道路各项路用性能良好.故将水泥掺量定为6%，研究有机膨润土对水泥固化淤泥路用性能的影响.

2.1 固化淤泥CBR试验结果与分析

固化淤泥CBR试验结果如图1.

在进行环境影响评价之前，对虚拟水战略带来的环境影响因子识别是关键的一步。在众多的影响中，通过筛选主要影响因子，才能正确评价虚拟水战略的环境影响。根据新疆种植业“十三五”规划中关于农作物单产、种植面积、节水灌溉面积等的发展总目标和总原则，战略行为主要从增加进口、提高单产、提高灌溉技术、调整种植结构四个方面进行，其带来的环境影响主要分为生态环境影响、水资源消费影响及社会环境影响。具体如表1。

由固化淤泥CBR值变化规律图分析可知：在掺量较低时，有机膨润土掺量的增加对CBR值影响明显，在掺量超过3%后，CBR的增长趋于平缓，并且要达到相同的CBR值所需的DK较少，同时满足固化淤泥CBR值大于公路填料的最小CBR值（8%）的要求.

2.2 固化淤泥抗压回弹模量试验结果与分析

固化淤泥抗压回弹模量试验结果见图2.

由固化淤泥抗压回弹模量变化规律图分析可知：有机膨润土（DK粉）掺量较低的情况下，随有机膨润土的增加抗压回弹模量增加明显，之后逐渐平缓.3个地区的固化淤泥抗压回弹模量变化曲线变化趋势基本一致，以轻纺区淤泥为例，有机膨润土掺量由1%增加到3%时，抗压回弹模量增加50.2%，而有机膨润土掺量由3%增加到4%时，抗压回弹模量只增加了4.2%，增幅降低明显，表明有机膨润土掺量超过3%后，其对固化淤泥抗压回弹模量的影响减小.CDK固化剂固化淤泥抗压回弹模量曲线总体呈上升趋势，表明随有机膨润土的增加抗压回弹模量逐渐增加，即固化淤泥力学性能逐渐增强.

3种淤泥中有机质含量不同，其对应的淤泥抗压回弹模量试验结果也不同.轻纺区淤泥中有机质含量最低，抗压回弹模量最大；相反临港淤泥的有机质含量最高，抗压回弹模量最小.表明有机质含量增加会降低淤泥的力学性能.

2.3 固化淤泥耐水性试验结果与分析

固化淤泥耐水性试验结果见表4及图3.

表4 固化淤泥正常条件及浸水条件下无侧限抗压强度Tab.4 The unconfined compressive strength of solidified silt under the conditions of normal and flooding cycles

图1 固化淤泥CBR值变化规律图Fig.1 The variation diagram of CBR value of curing mud

图2 固化淤泥抗压回弹模量变化规律图Fig.2 The variation diagram of compression modulus of curing mud

图3 固化淤泥强度损失率变化规律图Fig.3 The variation diagram of strength loss rate of curing mud

由固化淤泥强度损失率变化规律图分析可知：从有机膨润土（DK粉）初始掺量1%开始，随有机膨润土掺量的增加，强度损失率明显降低，之后逐渐平缓.以轻纺区淤泥为例，有机膨润土掺量从1%增加到4%，强度损失率减小了16%，降低幅度明显，表明强度损失百分比明显减小，浸水后试件强度增加.

3种淤泥中有机质含量不同，其对淤泥耐水性试验后的强度损失率也有不同影响.轻纺区淤泥中有机质含量最低，强度损失最小；相反临港淤泥的有机质含量最高，质量损失最大.这表明有机质含量的增加会降低淤泥的抗冲刷性能.

2.4 固化淤泥抗冻融性试验结果与分析

图4 固化淤泥BDR值变化规律图Fig.4 The variation diagram of BDR value of curing mud

由固化淤泥试BDR值变化规律图分析可知：在有机膨润土（DK粉）掺量较低的情况下，随有机膨润土的增加固化淤泥BDR值增加明显，之后逐渐平缓.以轻纺区淤泥为例，有机膨润土掺量有1%增加到3%时，BDR值增加12.2%，而有机膨润土掺量有3%增加到4%时，抗压回弹模量只增加了3.0%，增幅略微降低，表明有机膨润土掺量超过3%后，其对固化淤泥抗压回弹模量的影响减小.BDR值总体呈上升趋势，表明随有机膨润土（DK粉）掺量增加，BDR值增加，即经冻融后试件强度增加.

表5 固化淤泥正常条件及冻融循环条件下无侧限抗压强度Tab.5 The unconfined compressive strength of solidified silt under the conditions of normal and freeze-thaw cycles

在3种淤泥之中，轻纺区淤泥的有机质含量最低，抗冻融BDR值最大，并随有机膨润土掺量的增加而有较大的增幅；临港淤泥的有机质含量最高，抗冻融BDR值最小，随着DK掺量的增加其BDR增幅却趋于平缓.这说明淤泥中有机质对淤泥的抗冻融性能存在不利影响.

2.5 不同种类淤泥固化剂对固化淤泥路用性能对比研究

由试验结果分析知，当有机膨润土产量达到3%时，固化效果最优，故将有机膨润土掺量定为3%.

2.5.1 力学性能对比研究

不同固化剂所固化的淤泥性能有所差异，现将抗压回弹模量试验结果汇总，比较不同固化剂固化淤泥的抗压回弹模量试验结果，并与其他固化剂固化淤泥的力学性能进行比较.对比结果如表6所示.

表6 不同固化剂固化淤泥的抗压回弹模量Tab.6 The compression modulus of curing silt cured by different curing agent

由上述结果可知，新型CDK固化剂固化淤泥抗压回弹模量较大，比只掺10%生石灰的固化淤泥高出近30%，且均高于其他4种固化剂固化淤泥，表明新型CDK固化剂固化淤泥具有较好的力学性能.

2.5.2 耐水性能对比研究

根据固化淤泥耐水性试验结果，对比研究不同种类固化剂固化淤泥耐水性能，并与其它固化剂研究结果进行对比，针对选用的固化剂固化淤泥耐水性能进行评价.对比结果如表7所示.

表7 不同固化剂固化淤泥的浸水强度损失Tab.7 The flooding intensity loss of curing silt cured by different curing agent

由上述试验结果对比分析可知，选用CDK固化剂固化淤泥的浸水强度损失为30.5%，相比于EN-1固化剂、TG-1固化剂及生石灰等固化淤泥32.4%～50.4%的强度损失率要小，这表明新型CDK固化剂固化淤泥的耐水性能优于多数固化剂固化的淤泥，具有较好的耐水性能.

2.5.3 抗冻融性能对比研究

根据固化淤泥抗冻融试验结果，对比研究不同种类固化剂的固化淤泥抗冻融性能，并与其它固化剂研究结果进行对比，针对选用的固化剂固化淤泥抗冻融性能进行评价.对比结果如表8所示.

表8 不同固化剂固化淤泥的BDR值Tab.8 The BDR value of curing silt cured by different curing agent

由上述对比结果可知，CDK固化剂固化淤泥的BDR值为66.4%，而作为对比的5种固化剂的固化淤泥BDR值大部分不足60%，只有HSC固化剂和EN-1固化剂的固化淤泥BDR值超过了60%，表明新型CDK固化剂稳定淤泥的抗冻性能在固化剂中处于前列，值得推广应用.

3 结论

本文将有机膨润土作为外掺剂加入到传统水泥淤泥中，采用CBR试验、抗压回弹模量试验和正常条件、浸水条件及冻融循环条件下的无侧限抗压强度试验分析了有机膨润土掺量对水泥固化淤泥的力学性能、耐水性能和抗冻融性能的影响规律.主要得到以下结论：

1）在有机膨润土掺量介于0%～3%时，有机膨润土对水泥固化CBR值影响明显，当掺量超过3%后CBR的增长趋于平缓.

2）固化淤泥随有机膨润土掺量的增加，抗压回弹模量逐渐增加，固化淤泥力学性能明显增强.

3）固化淤泥的强度损失率随有机膨润土掺量的增加明显降低，表明随有机膨润土掺量的增加，固化淤泥的耐水性能明显增强.

4）固化淤泥的BDR值总体呈上升趋势，表明随有机膨润土（DK粉）掺量增加，BDR值增加，经冻融后试件强度增加，即固化淤泥的抗冻融性能增强.

5）3种淤泥中有机质含量不同，其对应的固化淤泥的力学性能、耐水性能和抗冻融性能也不同.轻纺区淤泥中有机质含量最低，力学性能、耐水性能和抗冻融性能最优；相反临港淤泥的有机质含量最高，力学性能、耐水性能和抗冻融性能最差.表明有机质含量增加会对固化淤泥的力学性能、耐水性能和抗冻融性能产生不利影响.

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