滩涂淤泥固化土力学特性试验研究

王国才，吴旻炯

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)



滩涂淤泥固化土力学特性试验研究

王国才，吴旻炯

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：为进一步了解固化材料的种类和掺量等因素对固化土力学特性的影响，采用常规不固结不排水三轴试验对水泥为主固化剂、氢氧化钠、三乙醇胺、粉煤灰、高炉矿渣和减水剂等为外掺剂配制而成的固化剂固化滩涂淤泥的固化效果和固化土力学特性进行了试验研究.结果表明：在水泥基准掺量的基础上，掺入一定量的氢氧化钠、三乙醇胺、粉煤灰和高炉矿渣后，滩涂淤泥固化土的强度得到了一定的提高，但掺量超过一定值后，其强度反而随着外掺剂掺量的增加而变小.

关键词：滩涂淤泥；固化；三轴试验；力学特性

我国沿海滩涂资源十分丰富，是沿海地区重要的土地后备资源.滩涂围垦可有效缓解沿海地区用地紧张问题.然而，滩涂淤泥含水量高，强度低，工程性质很差，在开发利用前必须对其进行处理.对深厚淤泥进行处理的常用方法主要有物理脱水、加热烧结和化学固化三种.其中，化学固化是通过向淤泥中加入固化材料对其进行固化从而改善其工程特性的方法，具有处理量大、施工简便灵活等优点.这项技术可充分利用工业废石膏、废石灰和废弃矿渣和粉煤灰等废弃物，对环境保护、废弃物再生利用和经济可持续发展等具有重要的意义[1-5].陈慧娥[1]通过直剪试验及无侧限抗压强度试验对不同地区软土经水泥加固后的强度形成特性进行了试验研究，从试样的粒度成分、有机质含量及加固后试样的微观结构特征等方面解释了加固土力学性质的差异.黄雨[2]采用XRD和SEM方法对原状土、掺入石膏的水泥加固土和不掺入石膏的水泥加固土进行了微观结构研究，探讨了导致这种加固效果差异的微观机理.周丽萍[4]通过室内试验研究了硅粉、天然浮石粉、钠盐以及表面活性剂等外掺剂对水泥土改性效果的影响.

为进一步了解固化材料的种类和掺量等对固化土力学特性的影响，采用常规不固结不排水三轴试验对水泥为主固化剂、氢氧化钠、三乙醇胺、粉煤灰、高炉矿渣和减水剂等为外掺剂配制而成的固化材料固化滩涂淤泥的固化效果和固化土力学特性进行了试验研究，分析不同主固化剂和外掺剂掺量下的滩涂淤泥固化土的应力应变曲线和抗剪强度指标变化规律，分析各因素对固化土力学特性的影响规律，探讨掺入氢氧化钠、三乙醇胺、粉煤灰和高炉矿渣等外掺剂对提高滩涂淤泥固化土强度的影响及掺量范围.

1试验材料及方案

1.1试验材料

制备滩涂淤泥固化土所用原料有滩涂淤泥、水泥、外掺剂和水等，其中原料土为浙江省沿海地区的滩涂淤泥，其基本物理性质指标见文献[3]，水泥采用杭州“钱潮”有限公司生产的#32.5硅酸盐水泥，氢氧化钠采用杭州化学试剂有限公司生产的片状氢氧化钠，三乙醇胺采用无锡海硕生物有限公司生产的三乙醇胺，减水剂选用杭州宏基混凝土外加剂有限公司生产的减水剂，粉煤灰选用浙江绍兴滨海热电厂产生的细粒粉煤灰，高炉矿渣采用南京营辉建材商贸有限公司生产的粒化高炉矿渣，水则采用普通自来水.

1.2试验方案

为研究水泥、氢氧化钠、三乙醇胺、减水剂、粉煤灰和高炉矿渣等的掺量对滩涂淤泥固化土力学特性的影响，以水泥掺量为6%、水灰比为0.5作为基准掺量，分别掺入不同掺量的水泥、三乙醇胺、减水剂、氢氧化钠、粉煤灰和高炉矿渣.其中，减水剂、三乙醇胺和氢氧化钠的掺量分别为各自质量与水泥质量之比，而水泥、粉煤灰和高炉矿渣掺量为各自质量与被加固滩涂淤泥质量之比.每种掺物的掺量水平有4个，平行试验3个，这样每种固化剂或外掺剂需制样12个.单掺试验配料方案如表1所示.

表1　单掺实验配料方案

试样的制备分为称料、混合搅拌、入模和养护4个步骤，其中制样模具采用直径为39.1 mm、高为80 mm的铜质饱和器.试样制备好后，放在温度为(20±5) ℃、湿度在95%以上的II级养护室养护到规定的龄期后进行试验.本次养护龄期设为14 d.

当试样养护到规定的龄期后，拆模.将试样放到南京土壤仪器厂有限公司生产的TSZ-II全自动三轴仪中并按照《土工试验规程》(SL237—1999)的规定和要求进行不固结不排水多级剪切试验.剪切时，剪切速率为0.08 mm/min，个别情况下可取为0.04 mm/min，围压则设定为600，1 000，1 500 kPa.

2试验结果及分析

2.1各因素对滩涂淤泥固化土强度特性的影响

证明 若0<α> <1, [0,1]且β≠α,则s(α,β)≤α*,其中α*=α∨(1-α), s(α,β)=(α→0 β)∧(β→0α)。因此,对任意的(0,1)均为孤立点,继而,对任意的(0,1),{x}均为开集,且α

2.1.1水泥掺量的影响

将龄期设为14 d，水泥掺入比分别固定为6%，8%，10%，12%，制作4组试样进行不固结不排水三轴多级剪切试验，其结果如图1所示.

图1　不同水泥掺量下滩涂淤泥固化土试样应力—应变关系曲线Fig.1　The stress-strain relationship of the stabilized beach soil under different cement content

由图1可知：在水泥掺量一定时，滩涂淤泥固化土的最大主应力差随着轴向应变的增大而增大，到峰值后开始减小；随着水泥掺量的增加，滩涂淤泥固化土的最大主应力差—轴向应变的关系曲线变得更陡，表明：滩涂淤泥固化土的强度随着水泥掺量的增加而增大，尤其是在水泥掺量从6%增大到8%，其增幅最大.从图1还可看出：不同水泥掺量下的滩涂淤泥固化土的最大主应力差变化范围为450～1 200 kPa之间；滩涂淤泥固化土的峰值出现时所对应的轴向应变值随水泥掺量增大而减小，其变化范围为1.65%～1.20%之间，其破坏形式呈现出脆性断裂.上述现象可解释为：水泥掺入到滩涂淤泥中，与滩涂淤泥和水发生了一系列水解及水化反应，生成新的化合物，这些产物有的继续发展成为土体中的支撑结构，有的则和土体中的物质相互作用，这些因素共同作用形成了滩涂淤泥固化土.

2.1.2氢氧化钠掺量的影响

在水泥掺量为6%、水灰比0.5的基准掺量基础上，分别掺入0.4%，0.6%，0.8%，1.0%的氢氧化钠，制作4组试样并养护到14 d后进行不同围压下的不固结不排水三轴剪切试验，其结果如图2所示.

图2　不同氢氧化钠掺量下滩涂淤泥固化土应力—应变关系曲线Fig.2　The stress-strain relationship of stabilized soil under different sodium hydroxide content

从图2可看出：在相同轴向应变的情况下，随着氢氧化钠掺量的增加，固化土的最大主应力差逐渐增加.随着轴向应变的增加，固化土的主应力差也在增加.滩涂淤泥固化土的峰值变化范围在800～1 200 kPa，相应地其峰值应变变化范围为1.2%～1.05%，属于脆性破坏.这是由于掺入氢氧化钠后，改变了固化土的PH值，促进了水泥在土体中的水化反应，从而提高了滩涂淤泥固化土的强度.

图3是水泥掺量为6%、水灰比为0.5的基准掺量基础上，再分别掺入0.02%,0.05%,0.08%,0.11%三乙醇胺后滩涂淤泥固化土的应力—应变关系曲线.由图3可知：随着三乙醇胺掺量的增加，滩涂淤泥固化土的最大主应力差先增加后减小，在三乙醇胺掺量水平为0.05%时达到最大值.这可解释为：作为一种高效的混凝土早强剂，三乙醇胺虽然不改变水泥的水化生成物，但能使水泥水化所生成胶体的活性加强，对周围产生压力，阻塞毛细管通道，加剧吸附、湿润和微粒分散等的作用，促使铝酸三钙与石膏之间形成水化硫铝酸钙的反应，从而提高水泥土的密实性、抗渗性和抗冻性，起早强和提高强度的作用.

图3　不同三乙醇胺掺量下的滩涂淤泥固化土应力—应变关系曲线Fig.3　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different triethanolamine content

2.1.4减水剂掺量的影响

在水泥固化土中掺入减水剂可以使被水泥与水反应产生的絮凝结构包裹的水释放出来，并使水泥颗粒分散从而提高水泥的比表面积，使水泥与土的反应更充分.为说明滩涂淤泥固化土中掺入减水剂对其强度的影响，图4给出了不同减水剂掺量下滩涂淤泥固化土应力—应变关系曲线.由图4可看出：不管减水剂掺量如何，当轴向应变小于0.25%时，曲线几乎完全重合，表明小应变情况下减水剂掺量对固化土强度影响不大；但当轴向应变超过0.25%后，减水剂掺量分别为1%和1.5%时的曲线几乎相同；当减水剂掺量超过2%时，其曲线在应变较小时几乎完全重合，当应变较大时最大主应力差则有所不同，但与减水剂掺量小于等于1.5%的情形相差较大，尤其在应变较大时其差异更明显.

图4　不同减水剂掺量下滩涂淤泥固化土应力—应变关系曲线Fig.4　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different water reducing agent content

2.1.5粉煤灰掺量的影响

由于粉煤灰是活性材料，含有大量的氧化硅、氧化铝等，同时也含有氧化钙等物质.因此，在与水反应后，氧化硅与氧化铝可以和CH进行火山灰反应，生成的产物为水化硅酸钙与水化铝酸钙，使土体的强度增强.

为说明掺入粉煤灰对滩涂淤泥固化土强度的影响，图5给出了不同粉煤灰掺量下滩涂淤泥固化土的应力—应变关系曲线.由图5可见：随着粉煤灰掺量的增大，固化土最大主应力差随着轴向应变的增大先是变大，后变小.当掺量水平达8%时，其值达到最大值，之后逐渐减小.

图5　不同粉煤灰掺量下滩涂淤泥固化土应力—应变关系曲线Fig.5　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different fly ash content

2.1.6高炉矿渣掺量的影响

与粉煤灰一样，高炉矿渣里也同样含有大量的活性氧化硅、活性氧化铝等，同样可参与水泥的水化水解反应，与氢氧化钠反应生产水化硅酸钙和水化铝酸钙.图6给出了不同高炉矿渣掺量下滩涂淤泥固化土的应力—应变关系曲线.由图6可见：随着高炉矿渣掺量的增大，固化土的曲线几乎重合.对于高炉矿渣掺量从6%增加到12%，其最大主应力差变化范围为1 714 kPa增大到1 741 kPa，其增量为27 kPa，其增量几乎可以忽略不计，但跟仅掺入10%水泥的基准掺量情况相比，其强度增加了70%左右.从图6还可看出：掺入高炉矿渣后的固化土峰值应变变小，约为0.175%左右，同样属于脆性破坏.

图6　不同高炉矿渣掺量下滩涂淤泥固化土应力—应变关系曲线Fig.6　The stress-strain relationship of stabilized beach soil under different blast furnace slag content

2.2抗剪强度指标

在土体稳定分析、地基和桩基承载力设计与计算等时，需要提供土体抗剪强度指标.为分析水泥、氢氧化钠、粉煤灰和高炉矿渣等因素对固化土强度指标的影响，对围压分别为600，1 000，1 500 kPa，掺入不同掺量的水泥、粉煤灰、高炉矿渣和氢氧化钠的滩涂淤泥固化土试样进行不固结不排水多级剪试验，根据试验结果绘制摩尔应力圆，得到应力圆的强度包线，从而得到固化土的抗剪强度指标c和φ的值，其结果如表2所示.

由表2可见：不同固化剂掺量水平下的滩涂淤泥固化土强度指标值是不相同的.对于仅掺入水泥时的固化土强度随水泥掺量的增加而增加.水泥掺量越高，其粘聚力和内摩擦角越大.掺入氢氧化钠可大大提高固化土的粘聚力和内摩擦角值，且其值要比仅掺入6%水泥的基准掺量下值要大的多.掺入三乙醇胺同样可大大提高固化土的粘聚力值，且随着三乙醇胺掺量水平的提高而增大，到达0.08%掺量水平后，其粘聚力和内摩擦角值随三乙醇胺掺量的增多而变小，但其粘聚力值比基准掺量下的值要大，内摩擦角值则比基准掺量下的值稍微小些，说明三乙醇胺掺量水平超过一定值后对内摩擦角值的的增加不但没有贡献，反而会降低其值.掺入减水剂可在一定程度上提高固化土强度指标，但过多的减水剂反而会降低固化土强度指标，只有减水剂掺量在到1.0%～2.0%时，固化土的粘聚力和内摩擦角才是呈增长的趋势的.掺入粉煤灰和高炉矿渣可大大提高固化土的强度，粘聚力值比基准掺量下分别提高了1～1.7倍和1.2～1.4倍，但掺入粉煤灰后其内摩擦角相应地则变小了，掺入高炉矿渣后的内摩擦角比基准掺量下增大了2.5倍左右.从表2中还可看出：掺入不同掺量的高炉矿渣后，其固化土的抗剪强度指标变化不大，说明高炉矿渣掺量多少对提高固化土抗剪强度值不是十分明显.

表2　滩涂淤泥固化土UU试验强度指标

3结论

通过室内常规不固结不排水三轴试验对水泥为主固化剂，氢氧化钠、三乙醇胺、粉煤灰、高炉矿渣和减水剂等为外掺剂配制而成的固化材料固化滩涂淤泥的固化效果和固化土力学特性进行了试验研究，分析不同主固化剂和外掺剂掺量下的滩涂淤泥固化土的应力应变曲线和抗剪强度指标变化规律，分析各因素对固化土力学特性的影响规律，探讨掺入氢氧化钠、三乙醇胺、粉煤灰和高炉矿渣等外掺剂对提高滩涂淤泥固化土强度的影响及掺量范围.因此，在淤泥地基固化处理时，应采用最佳掺量的固化材料和外掺剂以提高固化土的力学特性从而减少费用，增加经济效果.

参考文献：

[1]陈慧娥,王清.水泥加固不同地区软土的试验研究[J].岩土力学,2007,28(2):423-426.

[2]黄雨,周子舟,柏炯,等.石膏添加剂对水泥搅拌法加固软土地基效果影响的微观试验分析[J].岩土工程学报,2010,32(8):1179-1183.

[3]郑旭卫.滩涂淤泥固化土工程特性的试验研究[D].杭州:浙江工业大学,2014.

[4]周丽萍,申向东,白忠强.外掺剂对水泥土改性效果的试验研究[J].工业建筑,2009,39(7):74-78.

[5]王珊珊,卢成原,孟凡丽.水泥土抗剪强度试验研究[J].浙江工业大学学报,2008,36(4):456-459.

(责任编辑：陈石平)

An experimental study on the mechanical properties of solidified beach silt soil

WANG Guocai, WU Minjiong

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:To further understand the effects of the type and dosage of solidified materials on the mechanical properties of solidified soil, a traditional unconsolidated-undrained tri-axial test was conducted on the solidification effects of beach silt soil with cement as a main solidified agent and sodium hydroxide, triethanolamine, fly ash, blast furnace slag, and water reducing agent as additive agents and on the mechanical properties of solidified beach silt soil. The results indicated that, for a given content of cement, the strength of solidified beach silt soil is improved to a certain extent by adding a certain amount of sodium hydroxide, triethanolamine, fly ash, and blast furnace slag. When the dosage exceeds a certain value, however, the strength of solidified beach silt soil will decrease with the dosage.

Keywords:beach silt soil; solidification; tri-axial test; mechanical properties

文章编号：1006-4303(2015)04-0468-05

中图分类号：TU411

文献标志码：A

作者简介：王国才(1971—)，男，安徽天长人，教授，研究方向为地基处理，E-mail: wgc@zjut.edu.cn.

基金项目：浙江省科技厅项目(2012C31007)

收稿日期：2015-02-10