南沙港淤泥固化前后物理力学性能和微观结构变化

南沙港淤泥固化前后物理力学性能和微观结构变化

张丽娟，刘仁钊

(广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510006)

摘要：为找出广州南沙港某油罐仓储区工程淤泥加固时固化剂的最优配比，取该工程区典型淤泥，以水泥、石灰、石膏、水玻璃和减水剂作为固化剂，对淤泥进行加固试验研究，以无侧限抗压强度来检验加固效果，找到最佳的固化剂掺量，并进行固化淤泥与原状淤泥力学性能和微观结构变化的对比研究。试验结果表明，水泥、减水剂、水玻璃、石膏和石灰掺量分别为20%, 1.5%,10%, 6%和16%时淤泥的固化效果最佳; 影响固化土强度的5个因素中，水泥掺量影响最大，石膏掺量影响最小。相比原状土样，最优配比固化淤泥试样的渗透系数和孔隙率分别减小81.0%和59.8%，三轴不固结不排水试验的黏聚力和内摩擦角分别是原状土样的3.8和4.9倍，固化淤泥的物理力学性能得到明显改善。

关键词：淤泥改良； 固化剂； 物理力学性能; 微观结构

中图分类号：TU47

文献标志码：A

文章编号：1009-640X(2015)03-0031-06

Abstract：In order to find out the best additive portion of soft foundation treatment for a petroleum storage project located in Guangzhou Nansha harbor area, the typical soft sludge was selected and solidified experiment was conducted with the additive agent of cement, lime, gypsum, sodium silicate and water-reducer, and the treatment result and the best additive portion were got, the changes of the mechanical properties and microstructure of the soft sludge before and after consolidated were compared and studied based on the unconfined compressive strength. Test results show that 20%, 1.5%, 10%, 6% and 16% of cement, lime, gypsum sodium silicate and water-reducer are the best proportion, and among these 5 factors affecting the strength of the solidified soft sludge, the cement addition has become a most important influence factor and the gypsum addition is the minimum. Comparing with unconsolidated sludge soft sample, the penetration coefficients and void ratio of the best additive portion solidified sample are reduced by 81.0% and 59.8%, and C and φ of UU shear tests are of 3.8 and 4.9 times. The physico-mechanical properties of the solidified soft sludge are enhanced obviously.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.006

收稿日期：2014-10-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278081)； 交通运输部资助项目“强震区港口工程结构抗震设计研究”(JTSBD 2013 02 130)

作者简介：高树飞(1989—)， 男， 安徽蚌埠人， 博士研究生， 主要从事港口工程结构设计与抗震研究。

利用固化剂对土体进行加固是目前软基处理中常用的一种方法。根据固化机理，土体固化剂可分为有机化合物类、无机化合物类、生物酶类及复合型固化剂等。其中水泥、石膏、石灰、各类矿渣以及粉煤灰等无机化合物类固化剂具有材料成本低，易于就地取材，性能稳定等优点，目前在软土地基加固中应用广泛，对此开展的相关研究也很多。黄新等[1-2]针对软土在固化机理方面开展了研究；在固化土的强度和变形等宏观方面，王振军等[3-5]通过试验对不同类型固化剂加固土的力学性能进行了探讨分析；唐朝生等[6-11]开展了加固软土微细观结构变化、 变形计算模型等方面的研究。由于淤泥不同的沉积环境造成其物质成分及含量不同，结构构造差异明显，固化加固时适宜的固化剂类型、掺量、处理效果等也存在显著差别，采用传统的单一固化剂，固化效果不佳，因此有必要针对工程现场淤泥的特点，开展不同固化剂共同作用下固化淤泥的物理力学性能研究。

广州南沙港位于珠江口伶仃洋喇叭湾湾顶，龙穴岛内东南侧，土质为第四纪河相和海相交错沉积软土层[12]，地下水位高，整个场地地表以下均分布有淤泥层，平均厚度约10 m，孔隙比最大达3.0，含水量超过75%，全部需要加固处理。软基处理与基础工程问题已成为该区域土建中最关键的技术问题。某油罐仓储区位于南沙港区内东南侧，仓储区总面积约67.2万m2，其中一期工程需要处理的软基面积为14.9万m2。该工程区原为滨海水塘，软基处理范围内地质条件很差，整个处理场地为淤泥层，不排水抗剪强度低至7.5 kPa。拟采用水泥为主的多种固化剂对淤泥进行加固改良，为了保证加固质量，在大面积地基处理前，取现场典型土样进行室内试验研究，通过加固土体强度研究不同固化剂掺量对淤泥的加固效果，找到最佳的固化剂掺量，并通过对加固土及原状土加固前后力学性能和微观结构变化的对比研究，了解土体加固效果，作为现场大面积加固施工时固化剂掺量调整的依据。

1试验材料和方案

1.1试验材料

1.1.1淤泥土样本试验土样取自油罐仓储区。根据室内试验测定结果，土样物理力学指标见表1。

表1　淤泥土样的物理力学指标

1.1.2固化剂试验所用5种固化剂有水泥、石灰、石膏、水玻璃和减水剂。其中主固化剂为南京江南水泥厂的32.5#普通型硅酸盐水泥；其余为上海海易建筑装饰材料厂的生石膏粉和提纯的生石灰块，长沙江山建材外加剂厂的 “江山牌”FDN-1型早强高效减水剂，天津北辰方正试剂厂的分析纯硅酸钠。

1.2试样的制备和养护

将充分搅拌的固化土分层装入到三瓣模并击实，制作成直径40 mm，高80 mm的试样，将三瓣模连同试样放在温度18 ℃，相对湿度50%的恒温箱中养护24 h然后脱模，将脱模后的试样用塑料保鲜袋密封并编号记录后置于水槽中养护至龄期，养护温度控制在20 ℃，相对湿度为90%。

1.3试验方案

1.3.1单掺试验为了初步确定水泥、石灰、石膏、减水剂和水玻璃对固化效果的影响规律和掺量范围，进行了不同掺量单掺配比的7 d无侧限抗压强度试验。单掺试验配比方案见表2。

表2　单掺试验配比方案

1.3.2正交试验为了最优选择配方中各固化剂的掺量水平，进行了5因素4水平试验。所选用的因素及其掺量水平和龄期为7 d和14 d试样的试验方案见表3，试验各16组，总计32组，每组试验制备3个平行试样，结果取3个平行试样的平均值，共需要 96个试样。

表3龄期7 d和14 d试样的正交试验方案

Tab.3　Test plan of samples of 7 days and 14 days

1.3.3物理力学性质试验取最优和次优配比的固化淤泥试样及原状淤泥试样，对加固前后的试样进行变水头渗透试验、三轴不固结不排水剪试验、直剪与快剪试验，进一步研究优化配比固化淤泥土的加固效果。

1.3.4微观试验随着微观电子技术的发展，如扫描电镜等技术被陆续引入到土的微观结构研究领域，使得开展土体微观结构特征与工程特性之间关系的研究成为可能[6-7]。为了进一步研究固化淤泥的性质，揭示土体微观结构变化和宏观力学响应之间的关系，取最优和次优配合比的固化淤泥试样和淤泥原状试样进行电镜扫描试验，以对比研究固化淤泥与原状淤泥微观结构。

2试验结果分析

2. 1单掺和正交试验结果

图1　单掺试验7 d无侧限抗压强度 Fig.1 Unconfined strength of single additive test for 7 days

2.1.1单掺试验7 d无侧限抗压强度试验根据表2方案，不同种类及不同掺量的固化剂共分40组来进行试验，每组平行3次试验， 7 d无侧限抗压强度试验结果见图1。由图可见，不同种类固化剂的掺量不同，对7 d无侧限抗压强度的影响不同。随着水泥掺量的增加，抗压强度几乎呈线性增大。减水剂掺量较小时，强度随掺量增加而增大，当掺量达0.8%时强度达最大值432 kPa，而后随着掺量增大,强度有所降低。石膏和水玻璃掺量较小时，随着掺量增大，强度增加较快；当掺量较大时，强度增加缓慢。石灰掺量由0.8%增大到5%时，强度增加很快，后随掺量增大，强度变化缓慢，当掺量达7.5%时，强度比掺量为5%时降低。根据单掺试验结果可见，主固化剂水泥掺量越大，对提高强度越有利，但考虑到经济因素，在固化剂掺量的正交试验中，水泥掺量选取了如表3所示的4个含量指标。同时根据其他几种固化剂对强度影响的分析，最终选取如表3所示的各个固化剂的掺量作为正交试验的配合比。

图2　正交试验7 d和28 d无侧限抗压强度 Fig.2 Unconfined strength of orthogonal test for 7 and 28 days

2.1.2正交试验7 d和28 d无侧限抗压强度试验根据表3方案，试样7 d和14 d无侧限抗压强度试验结果见图2。可见14号试验的7 d和28 d无侧限抗压强度均为最高，其试验条件为A4B2C3D1E4,即配比为：水泥掺量20%，减水剂掺量0.8%,水玻璃掺量为10%，石膏掺量为6%，石灰掺量为15%；13号试样的28 d无侧限抗压强度为次高，其试验条件为A4B1C4D2E3,即配比为：水泥掺量20%，减水剂掺量0.5%,水玻璃掺量为12%，石膏掺量为10%，石灰掺量为12%。根据各试样无侧限抗压强度的实测结果，可得5种固化剂4个不同掺量水平下的7 d和28 d平均无侧限抗压强度见图3。同样可以看出，试验条件为A4B2C3D1E4时7 d和28 d无侧限抗压强度均为最高。试验中可以用各因素极差的大小来衡量试验中相应因素作用的大小，极差大，说明它的不同掺量水平对强度所造成的影响大，往往是重要的因素，反之，极差小的通常是次要因素。对于7 d无侧限抗压强度而言，5个因素的极差分别为：水泥495 kPa，减水剂240 kPa，水玻璃193 kPa，石膏125 kPa，石灰195 kPa。按照极差的大小可知，在本次试验中，影响固化土7 d强度因素的主次顺序为：水泥掺量是影响强度的主要因素，减水剂掺量和石灰掺量是重要因素，水玻璃掺量的影响次之，石膏影响则最小。根据14 d无侧限抗压强度结果可以得到同样的结论。

图3　各因素四水平掺量7 d和28 d平均无侧限抗压强度 Fig.3 Average unconfined strength of 4 different mixing proportions for 7 and 28 days

2.2物理力学试验结果

根据固化土7 d和14 d无侧限抗压强度测试结果可知，当水泥、减水剂、水玻璃、石膏和石灰掺量分别为20%, 0.8%, 10%, 6%和15%时强度最高、配比最优，掺量为20%, 0.5%, 12%, 10%和12%时配比次优。据此，本文以最优、次优配比的固化淤泥试样和原状淤泥试样为研究对象，进行了淤泥加固前后的变水头渗透试验、三轴不固结不排水剪试验、直剪切快剪试验对比,试验结果见表4。

表4　固化淤泥与原状淤泥物理力学指标对比

由表4可见，次优配比和最优配比固化淤泥与原状淤泥相比，渗透系数分别减少72.8%和81.0%，而抗剪强度指标大大提高，三轴不固结不排水剪试验的内聚力c分别为原状淤泥的3.6和3.8倍，内摩擦角φ为3.8和4.9倍，直剪试验快剪的c分别为原状淤泥的3.4和4.3倍，φ分别为原状淤泥的3.5和3.6倍，固化淤泥的物理力学性质指标明显提高。

2.3电镜扫描微观试验结果

利用环境电子显微镜(ESEM)观测淤泥固化前后土样的微观结构，用显微照片分析淤泥加固前后的孔隙率等微结构特征及其变化规律。对最优、次优配合比的固化试样和淤泥原状试样分别进行电镜扫描，放大倍数依次为600,1 000和2 000倍，淤泥原状样、最优、次优配合比固化淤泥试样的2 000倍的二值处理后的ESEM图片见图4。

图4　二值化处理后的试样ESEM图像(2 000倍) Fig.4 ESEM pictures of samples (2 000 times)

有研究[8]表明，珠江三角洲地区软土的结构可划分为蜂窝状、海绵状、骨架状、絮状和凝块状等5种结构类型，通过对以上5种类型软土微观结构代表性照片与图4所示照片的对比分析，结合相关研究成果[8,10-11]，本研究选取孔隙率、孔隙平均面积、颗粒个数、孔隙分布分维和颗粒分布分维5个参数来定量研究淤泥加固前后微观结构的变化。淤泥原状试样、最优和次优配合比固化试样的5个微观结构特征参数如表5所示。从表5可见，最优和次优配比固化淤泥的孔隙率分别为原状淤泥的40.2%和42.4%，而颗粒个数则分别是原状淤泥的3.6和2.9倍。由此可见，固化后淤泥内部孔隙减少，宏观上则表现为土体强度的提高。本研究中若最优配比固化淤泥较原状淤泥孔隙率减小一半，则其三轴UU试验的c和φ相应提高2.3和3.2倍。由于不同地区淤泥不同的沉积环境造成其物质成分及含量不同，结构构造差异明显，因此建立区域性土微观结构变化与宏观力学表现之间的定量关系，值得进一步探讨和研究。

表5　固化淤泥与原状淤泥的微观结构特征参数

3结语

针对广州南沙港某油罐仓储区的典型淤泥，以水泥、石灰、石膏、水玻璃和减水剂为固化剂对淤泥进行了单掺和正交加固试验研究，结果表明：

(1)水泥掺量20%，减水剂掺量0.8%,水玻璃掺量为10%，石膏掺量为6%，石灰掺量为15%时的配比为最优配比，试样7 d和28 d的强度均为最高；

(2)影响固化土强度的5个因素中水泥掺量是最主要的，其次分别为减水剂、石灰、水玻璃和石膏掺量；

(3)加固后淤泥试样在宏观上表现为渗透系数减小，强度提高，微观上表现为孔隙减少。次优和最优配比固化淤泥渗透系数分别为原状淤泥的27%和19%，三轴UU试验的内聚力c分别为原状淤泥的3.6和3.8倍，内摩擦角φ为3.8和4.9倍， ESEM结果显示最优和次优配比固化淤泥孔隙率较原状淤泥减少了59.8%和57.6%。

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Physico-mechanical properties and changes in microstructure of silt before and after solidification in Nansha port

ZHANG Li-juan, LIU Ren-zhao

(SchoolofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)

Key words： sludge consolidation; solidified agent; physico-mechanical properties; macrostructures

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