河道淤泥气泡混合土工程性质试验研究

骆顺成,顾欢达,陈冬青

(1．苏州科技学院 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2．苏州市恒正工程质量检测有限公司，江苏 苏州 215134)

河道淤泥气泡混合土工程性质试验研究

骆顺成1,顾欢达1,陈冬青2

(1．苏州科技学院 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2．苏州市恒正工程质量检测有限公司，江苏 苏州 215134)

河道淤泥气泡混合土(FMLSS)是一种具有轻质、高强度及良好流动性的新型工程材料，工程应用广泛。基于此，利用包括密度、强度与固结等物理力学试验方法，考察了FMLSS在不同水泥掺入比、气泡掺入比、含水量及养护龄期条件下的物理力学性质。试验结果表明：FMLSS具备良好的轻质性，其密度、强度与变形等物理力学性质主要受水泥掺入比、气泡掺入比及含水量等因素的影响，其中不同因素交叉作用的影响不可忽略；此外FMLSS的强度与刚度作用的发挥还受养护龄期的影响，且与养护龄期呈较好的双曲线关系；在承受外荷载作用时，FMLSS表现出良好的抵抗变形能力。研究结果表明FMLSS具有良好的工程适用性及应用前景。

河道淤泥气泡混合土；物理力学性质；水泥掺入比；气泡掺入比；养护龄期；交叉作用

1 研究背景

我国幅员辽阔，河湖众多，广大的水域能够提供生活用水、植物灌溉以及航道运输等功能，但同时因洪涝灾害、河道疏浚、市政清淤等产生的大量淤泥却成为目前亟待解决的问题。这些淤泥通常具有含水量高、压缩性大、强度低且不易成形等特点，传统的利用方式一般将其作为肥田沃土，用于改良植被种植土壤。由于科技的进步、农耕方式的改变和人们环保意识的增强，这种低效而局限的淤泥处理方法的使用已逐渐减少。目前，国内外对淤泥的有效利用已经进行了比较广泛的探究。如采用吹填施工技术进行填海造陆以及港口、城市低洼地区的回填[1]，对淤泥采用固化技术从而作为公路扩建[2]、道路加宽的原材料以及用于港口与机场建设等[3-4]。

在实际工程应用中，为了探讨固化淤泥的工程性质，研究人员对以淤泥为原料土的固化土的动力学性质进行了较多的研究。如李丽华等[5]在泥土中加入废旧轮胎颗粒，研究发现混合土强度和稳定性都有较大提升;杨永荻等[6]研究了疏浚土固化后的力学、压缩特性以及渗透特性；朱伟等[7]探究了海洋疏浚土经固化后强度与水泥添加量的相关关系;张鹏等[8]研究了不同掺剂对水泥土动力特性的影响。在国外，三岛嶋雄等[9]、丰福俊泰等[10]结合具体工程实例，研究了经气泡混合处理后的轻量土的物理力学特性。而国内对采用淤泥为原料制成的轻量土研究起步较晚，且多数集中在以塑料发泡颗粒为轻量化材料的范围内，较少采用气泡这种较难加入土体内部的轻质材料。目前，只有陈忠平等[11]、顾欢达等[12]对气泡混合土的性质及工程应用进行了较深入的研究，主要探讨了气泡混合轻质土的物理力学性能、工程应用评价、施工设计及质量管理。

事实上，利用淤泥高含水、多孔隙、流动性、低渗透性等特性，将河道淤泥固化以及轻量化处理后形成轻质、高强度及良好流动性的新型工程材料，可以用于填筑或地下填充工程、软基处理、防渗工程等，不仅可解决工程用土不足的问题，而且可以提高河道淤泥的利用效率。基于发展河道淤泥新型利用方式从而达到有效利用的目的，以河道淤泥为原料土经固化并加入气泡进行轻质化处理后制成河道淤泥气泡混合轻质土(FMLSS)，将其用于实际工程时，需要掌握其基本物理力学性质，以作为工程中设计与施工的依据。在此，主要采用室内试验方法，考虑多种因素影响，探讨了不同配比条件下FMLSS的物理力学特性，探讨FMLSS的密度、强度、刚度与变形性质及受相关因素的影响。

2 试样制备及试验方法

2.1 原料土及试样制备

原料土取自苏州市内某河道，先将原料土过4.75 mm筛，去除大颗粒杂质，然后测得其基本物理指标，见表1，原料土含水量较高，液性指数IL>1.0，处于流塑状态；塑性指数IP=15.7，该土属于淤泥质粉质黏土，黏粒含量很高，含有大量有机质。Cu=5，Cc=1.31，级配较好。

表1 淤泥土的基本物理指标Table 1 Basic physical indices of soft clay

固化剂采用华新厂32.5复合硅酸盐水泥，发泡剂为动物蛋白类复配发泡剂；水为自来水。具体试验配合方案见表2。其中，考虑ωc和ωe影响时，固定T为28 d，ω为110%；考虑ω影响时，固定T为28 d，ωe为2%；考虑T影响时，固定ω为110%，ωe为2%。

表2 试验方案Table 2 Test schemes

注： 水泥掺入比ωc(%)=水泥质量/原料土干质量×100%； 气泡掺入比ωe(%)=气泡质量/原料土干质量×100%；含水量ω(%)=水的质量/原料土干质量×100%。

根据配合方案，将各成分进行混合搅拌，形成均匀的拌合物，然后分3层将拌合物装入直径3.91 cm、高度8.00 cm的圆柱形模具中，置入标准养护室中养护，24 h后脱模，脱模后再放入养护室养护，直至试验龄期进行试验。

2.2 试验方法

根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)实施物理力学试验，密度采用量积法测试，对经过标准养护后的试样进行称重及量积，并据此算出FMLSS的密度。强度试验采用无侧限抗压强度试验仪测试FMLSS的抗压强度及应力-应变关系。采用标准固结试验方法测试FMLSS试样的压缩性。

3 试验结果分析

3.1 密度变化

FMLSS作为重塑结构性土体，主要由淤泥土、水泥、水组成，但与一般黏性土不同，由于气泡的加入，土体内部形成分布较为均匀的多孔性结构，其密度必然会有所变化。因此试验中主要考虑的因素包括水泥掺入比ωc、气泡掺入比ωe、含水量ω和龄期T。图1显示为不同因素对FMLSS密度的影响及相应的变化规律。图中均取3组平行试验，对其进行拟合得到FMLSS密度变化曲线。

图1反映出：

(1) FMLSS密度随着水泥掺入比的增大而增大，且趋势接近于线性。在气泡含量较低时，水泥掺入比对密度的影响较小;但随着气泡含量增大后，这种影响明显增大，随水泥掺入比的增大，FMLSS密度增长趋势越明显，范围变化越大，这是由于随着气泡掺入比的增大，单位体积内相应微孔体积比增大而固体骨架体积比相应减小，而水泥的掺入主要是影响固体骨架的密度，因此在单位体积内固体骨架体积减小的情况下，水泥掺入对固体骨架的密度影响更加明显。

(2) 在固定水泥掺入比不变的情况下，增大气泡掺入比可以有效地降低FMLSS密度。从试验结果来看，密度降低程度可以达到28%左右，并且当气泡含量在1%～3%范围内时，降低幅度更为明显;ωe<1%时，降低幅度稍弱;ωe>3%后，密度降低随着气泡掺入比的增大呈减缓的趋势。这种情况与侯天顺[13]、姬凤玲[14]研究的EPS轻质土密度呈上凹型降低趋势不同，主要原因是采用气泡作为轻量化材料时，试样制作与养护过程中气泡浆存在一定的消泡概率和较大的压缩状况，因此气泡掺入比较低时，混合土内部不易形成孔隙结构，从而导致加入气泡后混合土密度变化不大。故实际工程中，为达到有效降低FMLSS密度以满足现场的密度指标的要求，应选择合适的气泡掺入比。

(3) 随着原料土含水量的增加，FMLSS密度降低。在试验所用的原料土含水量从100%～130%变化过程中，FMLSS密度与原料土含水量基本上呈线性比例关系。

(4) 随着养护龄期的增长，虽然密度值都会发生改变，但是变化幅度不明显，水泥掺入比15%，25%，35%时，密度分别在1.29,1.33,1.36 g/cm3附近浮动。水泥含量较低时，试样在养护28 d之内密度呈现降低趋势，但当水泥掺入比达到35%时，这种趋势基本不明显。这有可能是因为试样养护过程中，水泥含量低的试样内部自由水分子转化为结合水分子能力较弱，在养护条件不能完全做到密封的情况下，水分子部分丢失，最终使得密度值降低。

3.2 强度发挥及影响因素

对于FMLSS混合土，影响其强度发挥的因素较多，根据其构成及配合条件，影响其强度发挥的主要因素有水泥掺入比、气泡掺入比、原料土含水量、养护龄期等，具体试验结果见图2。

水泥的固结作用使得原料土的结构性增强，从而使混合后的水泥土强度比原料土强度要高，即水泥土强度与水泥掺入比具有正相关性，一般具有线性递增或者指数递增特点[11]。从图2(a)显示的试验与拟合结果可以看出：①在试验所用的配合条件下FMLSS强度基本能达到100 kPa以上，达到中等强度以上黏性土的强度指标;②在固定气泡含量不变时，FMLSS强度随水泥掺入比的增大而增大。当ωc≤25%时，由水泥产生的固化作用较弱，强度变化较平缓；当ωc>25%时，固化作用增强使得水泥土结构性增强，因此强度增幅变大，这与EPS等轻质土结构性增强点为水泥掺入比约为15%不同，可以看出气泡较其他轻量化材料对混合土的结构削弱作用更为突出。因此随着气泡含量的增大，土体内部多孔性结构越明显，单位体积内固体骨架体积比越小，从而使得FMLSS强度增幅趋于平缓。

在原料土含水量一定的情况下，土体中掺入气泡后在混合土中形成孔隙，使得土的胶结结构体积减小，骨架变弱，而气泡本身不具备强度，从而导致FMLSS强度降低。主要表现有：随着气泡掺入比的增大，FMLSS强度降低；同时在水泥掺入比较大时，气泡掺入比对强度的影响更加明显。当固定气泡掺入比不变的条件下，保持水泥掺入比不变，增大原料土含水量，固结体的强度下降，且水泥含量越高，下降趋势越明显。而含水量较低时，水泥掺入比的变化对强度影响较大。增大含水量时，影响相应减弱。这是由于在原料土含水比较低的情况下，有利于水泥土固化效果的发挥，此时增大水泥掺入比更加有利于提高水泥土的强度从而使得FMLSS强度得以明显增大。因此，实际工程应用时为保证混合土体整体强度，应严格控制土体内部的含水条件。

在试验采用配合条件下，对养护龄期达到7,14,28,60,90 d的试样进行抗压强度试验，所得试验结果如图2(d)所示。随着养护龄期的增长，FMLSS的强度随之增大，但与初期强度增长趋势相比较，随着养护龄期的增大，FMLSS的强度增长趋势逐渐减缓；水泥掺入比越大，龄期对强度的影响越明显；28 d无侧限抗压强度能达到90 d的80%左右。混合土强度与龄期关系模型主要存在线性模型和双曲线模型2种，经过试验数据的拟合，见图2(d)虚线所示，结果表明FMLSS强度与龄期关系更接近于后者，即

(1)

式中:qu为无侧限抗压强度(kPa)；T为龄期(d)；a，b为参数，根据试验测定，见表3，可以发现随着水泥含量的增大，拟合系数值会出现非线性降低，而非定值。

表3 强度随龄期变化参数拟合值Table 3 Values of parameter fitting for the relation between strength and curing age

3.3 双因素作用下FMLSS密度与强度的定量化研究

上述结果主要针对水泥掺入比、气泡掺入比、含水量和龄期等单因素作用下FMLSS密度及强度变化进行分析，随着各变量变化，二者主要呈现的变化模式通常可以采用线性函数、指数函数、幂函数或双曲线函数等模型进行拟合，从而定量获得各变量某一具体数值下的密度值和强度值[13]。当考虑因素较多时，这种针对每个变量进行试验结果分析的做法，往往使工作变得繁杂，同时拟合模型的选取通常凭借直观印象和自身经验，使得最终获得的结果并不统一。

因此，在分析单因素作用的基础上，采用双因素分析方法，将多因素交叉效应纳入分析范围，对FMLSS密度及强度影响进行定量化研究，其通用模型为双因素响应面分析模型，即

f(x1,x2)=a+bx1+cx2+lx1x2+mx12+nx22。

(2)

式中：f(x1,x2)为双因素作用下目标变量，文中选定为FMLSS密度及强度；(x1,x2)为不同影响因素组合，依据试验结果可选为(ωc,ωe)，(ωc,ω)2种组合；a，b，c，l，m，n为模型参数。

通过既有数据处理，密度与强度随2种组合变化模型中各拟合参数值见表4。表中数据反映出(ωc,ωe)和(ωc,ω)的交叉作用对河道淤泥气泡混合土的密度和强度影响是不可忽略的，如配比ω=110%,ωc=25%,ωe=2%时密度为1.324 g/cm3，按照多因素分析获得交叉作用(ωc，ωe)的影响分量为0.044 g/cm3，占总量的3.32%。而这种影响在单因素分析方法当中是不能定量反映出的。

表4 密度(强度)与(ωc,ωe),(ωc,ω)关系拟合参数Table 4 Fitting parameters of the relationships of density and strength vs. (ωc,ωe) and (ωc,ω)

通过双因素响应面分析模型分析多因素对FMLSS密度及强度影响时，可以将模型类型统一，同时能够满足较高的拟合优度。根据拟合优度的变化可以看出，模型参数的最终确定与试验样本数量相关，因此为了获得更接近于实际的密度与强度值，需要通过后期加大试验样本容量来提高模型的精准性。但这种方法可以为FMLSS具体配方公式提供一种新的途径，在采用FMLSS作为施工用土时，可以方便准确地通过上述模型来进行定量化计算，从而获得满足要求的各成分含量。

3.4 应力-应变关系及特性

考察材料在载荷过程中的应力-应变关系是考察材料性质的主要途径，也是进一步作为材料参数进行计算分析的基本依据。同样，FMLSS的应力-应变关系受水泥掺入比、气泡掺入比、原料土含水量等因素的影响，试验结果见图3。

图3 水泥掺入比、气泡掺入比、含水量与养护龄期对 FMLSS应力-应变曲线的影响Fig.3 Effects of cement content, air foam content, water content and curing age on the stress-strain curves of FMLSS

3.4.1 水泥掺入比的影响

根据图3(a)可以看出：

(1) 固定气泡掺入比为2%条件下，随着水泥含量的减小，加载初期应力-应变曲线的直线段范围减小，即材料的弹性范围减小，试样的破坏应变增大。这主要取决于作为骨架的水泥土的刚度性质，水泥含量越低，相应水泥土的刚度降低，应力-应变曲线接近于理想弹塑性状态。

(2) 水泥含量增高时，试样的峰值强度、刚度与弹性范围增大，对应的破坏应变减小，脆性破坏特性越明显。这是因为气泡含量一定时，随着水泥含量的增加，水泥水化反应生成物增多，水泥水化生成物与土颗粒之间的离子交换吸附及硬化凝结反应增强，从而使FMLSS内部胶结结构的强度提高，增强了土骨架的强度与刚度。因此，作为固化材料水泥的掺入量是影响FMLSS力学性质的主要因素。

3.4.2 气泡掺入比的影响

由于气泡的掺入，气泡对土体内部的部分固体骨架进行了置换，导致土体内部直接承受荷载的固体骨架体积减小，FMLSS承受荷载能力降低。

图3(b)试验结果显示：

(1) 气泡在试样土中形成的孔隙本身不参与荷载的分配，施加的外荷载主要由水泥土所构成的固体骨架承担。在外荷载逐渐增大的过程中，孔隙体积被压缩，固体骨架之间相互靠近，在固体骨架破坏之前土体呈现应变硬化特征。随着气泡含量的增加，体积缩小过程将延长，应变硬化持续过程延长。

(2) 随着气泡掺入比的增大，破坏峰值强度减小，破坏应变增大，呈塑性破坏特征。实际工程中，掺入气泡含量应根据目标强度与刚度要求，结合密度指标要求进行设定。

3.4.3 含水量的影响

图3(c)所示为原料土含水量对FMLSS应力-应变关系曲线的影响。试验结果表明随着原料土含水量的增加,FMLSS峰值强度降低，塑性变形更加明显。在土中水分增加的情况下，由于水泥结合水分子能力有限，生成物与土颗粒之间的自由水分子量增加，固体颗粒间的胶结能力降低，使得固体骨架强度下降而使得FMLSS呈塑性性质。

3.4.4 养护龄期的影响

图3(d)所示为养护龄期对FMLSS应力-应变关系曲线的影响。试验结果表明：随着养护龄期的增大，应力-应变曲线峰值强度增大，但可明显看出应变初期的应力增大趋势更加明显，破坏应变减小，土体呈现脆性破坏特性。在养护龄期较短的情况下，土体内部作为固化剂的水泥与土颗粒之间的水解、水化反应不足，连锁的胶结结构发育不完善[14]，因此试样的强度不高。随着养护龄期的增大，水泥颗粒的水解、水化反应逐渐充分，水化物增多，试样中生成的连锁胶结结构增多，因此试样的强度随之增大，试样的脆性破坏特性越明显。因此，FMLSS与一般化学固化材料类似，其强度与刚度将随时间存在一个长期增长的过程。

3.5 变形特性

为了进一步探究FMLSS的变形特性，选用变形模量为考察指标，定义变形模量为

(3)

式中：E50为变形模量;σmax为峰值应力；ε1/2为σmax/2时所对应的应变(%)。同样，主要考察诸如水泥掺入比、气泡掺入比、原料土含水量及养护龄期等因素对FMLSS变形性质的影响，结果见图4。

图4 水泥掺入比、气泡掺入比、含水量与养护龄期对 FMLSS变形模量的影响Fig.4 Effects of cement content, air foam content, water content and curing age on deformation modulus of FMLSS

图4(a)、图4(b)显示为水泥掺入比与气泡掺入比对变形模量的影响，由图示结果可以看出，FMLSS的变形随水泥掺入比的增大而增大，而随气泡掺入比的增加而降低。即表示FMLSS抵抗变形的能力随水泥掺入比的增大而增大，随气泡掺入比的增大而减小，其变化趋势基本呈线性比例关系。

图4(c)显示为原料土含水量对变形模量的影响，随原料土含水量的增大，FMLSS的变形模量呈降低趋势，而且在原料土含水量相对比较低的情况下，含水量变化对FMLSS变形模量的影响更加明显。另外，由于水泥固化反应主要与土中水有关，在水泥掺入量比较高的情况下，含水量的变化对水泥固化反应过程影响也较大，因而在水泥掺量比较高的情况下，含水量的变化对FMLSS的变形模量影响较大。

变形模量随养护龄期的变化如图4(d)所示，与强度与养护龄期的相关关系类似，变形模量与龄期呈非线性关系，可以用双曲线进行拟合。进一步分析变形模量和强度的相关关系，可以得出FMLSS变形模量和强度存在乘幂增长关系，即

(4)

拟合结果见图5，这与文献[10]中气泡混合土变形模量与强度呈线性增长关系存在较大不同。

图5 FMLSS变形模量与抗压强度关系Fig.5 Relationship between deformation modulus and compressive strength of FMLSS

3.6 压缩特性

对龄期为28 d的FMLSS试样进行标准固结试验，测得e-p压缩试验曲线如图6所示。

图6 水泥掺入比、气泡掺入比与含水量对FMLSS 压缩变形的影响Fig.6 Effects of cement content, air foam content and water content on compressive deformation of FMLSS

由图6可以看出随着水泥掺入比的增加，压缩变形明显降低。在水泥含量较低时，e-p曲线基本呈线性比例关系，说明FMLSS的强度与刚度比较低的情况下，土体的变形会随压力的增加持续增大而出现比较大的压缩变形。但当水泥含量较高时，e-p曲线呈非线性，随压力增加压缩变形呈收敛趋势。结合图3(a)显示的FMLSS应力-应变关系曲线可以看出，当水泥掺入比较低时，FMLSS在荷载作用下塑性变形比较明显。水泥掺入比的增大能够有效地提高固化土体土骨架的强度与刚度，提高水泥掺入比能够促进塑性破坏向脆性破坏的变化，从而降低土体压缩变形。另外，由于水泥水解、水化作用，其生成物能够填充部分孔隙，水泥含量越高，填充物质越多，胶接结构越密集,因此水泥掺入比增大能够减小FMLSS压缩变形。

气泡含量越大，FMLSS的压缩性越大，主要是由于土体中加入气泡后形成多孔性结构，气泡掺入比越大，土体内部微孔分布越密集，引起土体压缩性明显增大。但是气泡含量对于试样最终的压缩变形影响不显著。

在原料土含水量较高时，混合土内部孔隙较多，自由水分子更易被排出，FMLSS显示出比较大的压缩性。随着原料土的含水量降低，混合土中自由水分子减少，固体颗粒间距离减小，内部结构更致密，压缩性明显减小，压缩变形变缓。

通过对固结压力为100 kPa和200 kPa时不同配比的孔隙比进行研究，获得对应的压缩系数α1-2与压缩模量Es，见表5。

表5 压缩系数与压缩模量Table 5 Values of coefficient of compressibility and modulus of compressibility

压缩系数与压缩模量的计算结果表明：水泥掺入比与含水量是影响FMLSS压缩性的主要因素，气泡掺入比增大虽然能明显增加混合土内部的孔隙比，但是对压缩性的影响却并不明显；FMLSS基本属于中低压缩性土范围，作为多孔性材料在降低自身质量的同时，还能够满足实际工程对于用土压缩性的要求。

4 结 论

(1) 水泥掺入比、气泡掺入比与含水量对FMLSS的物理力学特性影响较大。随着水泥掺入比的增大，FMLSS的密度、强度及变形模量增大；反之减小。随着气泡掺入比或含水量的增大，FMLSS的密度、强度及变形模量减小；反之增大。同时研究表明，不同因素间的交叉作用对FMLSS的物理力学特性亦产生较大影响。

(2) FMLSS强度与刚度的发挥随时间有一个明显的增长过程，前期增长快，后期变缓。28 d强度、刚度能够作为指导设计与施工的技术指标。同时强度、刚度随时间呈良好的双曲线关系，模型中参数的确定需要考虑水泥含量的影响，后期仍需进行深入探究。抗压强度与变形模量之间接近乘幂关系。

(3) FMLSS表现出良好的轻质高强度特性，通过对其各成分添加量的调整，FMLSS密度可以在1.05～1.55 g/cm3之间变化，强度基本可以达到100 kPa。同时通过多因素分析方法为FMLSS配方公式研究提供了新的途径，在实际使用过程中能够按照技术要求确定各成分含量进行施工，适用性强、使用范围广。

(4) FMLSS土体属于中低压缩性土，且随着荷载的增加，压缩变形变化平稳，有利于减小土体变形量及不均匀变化，在一些对土体沉降与变形有较高要求的工程中具备良好的应用前景。

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(编辑：黄 玲)

Engineering Properties of Foamed Mixture LightweightSoil Using River Sludge

LUO Shun-cheng1，GU Huan-da1，CHEN Dong-qing2

(1.Department of Civil Engineering，University of Science and Technology of Suzhou，Suzhou 215011，China;2.Suzhou Hengzheng Engineering Quality Test Co. Ltd.，Suzhou 215134，China)

Foamed mixture lightweight soil using river sludge(FMLSS) as a new engineering material of light weight and high strength is applied widely in engineering. By using physical and mechanical test methods on density, strength and consolidation, the physical and mechanical characteristics of FMLSS are analyzed in the presence of different cement contents, air foam contents, water contents and curing ages. Results show that the density, strength and deformation of FMLSS are mainly affected by cement content, air foam content and water content, and the influence of interaction among different factors cannot be ignored. In addition, the strength and stiffness of FMLSS are also affected by curing age, with which displaying a good hyperbolic relationship. Under external load, FMLSS shows good resistance to deformation. The study indicates that FMLSS has good engineering applicability and application prospect.

foamed mixture lightweight soil using river sludge; physical and mechanical characteristics；cement content；air foam content；curing age；interactive function

2015-12-14；

2016-01-08

国家自然科学基金项目(51378327)

骆顺成(1989-),男,江苏南京人,助理工程师，硕士,主要从事软土地基处理及技术应用方面的研究工作，(电话)18896550586(电子信箱)18896550586@163.com。

顾欢达(1958-),男,江苏无锡人,教授,博士,从事软土地基处理技术及原理方面的工作,(电话)0512-68786743(电子信箱)ghdgx@163.com。

10.11988/ckyyb.20151061

TU411

A

1001-5485(2017)02-0132-07

2017,34(2):132-138