固化废弃泥流动性研究

朱 鹏，翁加兴，吉 锋，郝之进，徐桂中

(安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

随着我国城市的飞速发展，道桥、管廊、公园等市政工程的快速建设[1-2]，产生了大量的废弃淤泥[3]，其中开挖深度较深的淤泥因具有高含水率、低强度的特征，而不能直接使用。大量废弃淤泥的堆积不仅占据了大量土地，而且对环境资源造成了一定的破坏。为了处理并利用这些废弃淤泥，通常用加固材料如水泥、石灰等[4-5]对其进行固化处理，以提高其强度，使之达到使用等级的要求。

在众多废弃淤泥固化处理方法中，流动固化处理方法成为工程界热门。相对于传统的固化方法，流动固化处理更为方便高效，能够有效解决狭小空间回填施工难的问题。流动固化处理的原理是将固化材料加入高含水率的淤泥中，搅拌均匀使其具有一定的强度和流动性，从而可以像混凝土一样进行泵送施工。因此，对废弃淤泥进行流动固化处理，首先要满足施工时的流动性要求。流动性作为流动固化处理的重要指标，不少学者对其进行了试验研究。丁建文等[6]对流动固化土的流动性能进行了分析，陆强[7]也对固化淤泥流动性设计了流动性试验，他们发现固化淤泥的流动性与含水率和水泥掺量相关，即固化淤泥的流动性随着含水率的增加而增加，随着水泥掺量的增加而减小。因此，固化淤泥流动性的大小与含水率和固化材料掺量有着密切联系。

需要指出的是，目前国内并无固化淤泥流动性指标的相关测试标准，国外学者通常参照美国低强度材料的流动性试验规范——《Standard Test Method for Flow Consistency of CLSM》(ASTM，1997)[8]和日本建设省的JHS A313—1992[9]规范。这两种方法的测试原理都是将两端开口的塑料圆柱形筒垂直放置于光滑平面上，将搅拌均匀的固化淤泥填满试验塑料圆筒，刮平筒表面，完成装样后迅速提起圆筒，测量淤泥的水平变形来表示其流动值的大小。两种方法的不同之处在于使用圆筒的高径比不同，美国采用2∶1，而日本采用1∶1。Suits等[10]在试验中表明高径比为1∶1的圆筒比较适合进行流动度试验。我国不少学者常采用混凝土坍落度方法[11]来测试固化淤泥的流动度。

由于采用泵送施工固化淤泥，首先需要明确固化淤泥的流动性能。基于此，本文在明确固化淤泥水泥掺量的前提下，选择合适的土的含水率，在实验室采用混凝土坍落度法和日本的JHS A313—1992规范开展固化淤泥的流动性能测试，分析影响流动度大小的因素。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用土取自安徽五河县现场工地，其物理力学指标如表1所示。由表1可知，该土属于粉质黏土。试验固化材料选用水泥，为安徽某水泥厂生产的标号为42.5的水泥。

表1土样的基本物理指标
Table1Basic physical indicators of soil samples

指标数值 比重Gs2.67 液限/%27.0 塑限/%14.8 塑性指数12.2 砂粒/%16.2 粉粒/%63.8 黏粒/%20.0

1.2 试验方法

1.2.1 日本的JHS A313—1992法

为了研究不同水泥掺量和不同含水率对流动性能的影响，分别采用质量百分比为0、1%、3%、5%、8%、10%、13%的水泥掺量和质量百分比为36%、39%、42%、45%、48%、51%、54%的含水率的淤泥进行试验。

试验前准备若干份质量不同的淤泥，按照公式计算出试验所需水泥的质量，将其加入土中，并用搅拌机充分搅拌，在连续搅拌10 min，水泥与淤泥基本混合均匀后，立即进行流动性能试验。试验时，将直径和高度都为8 cm的有机玻璃试验圆筒(图1)垂直置于水平整洁的玻璃平板上，将刚搅拌均匀的固化淤泥缓缓填入圆筒；装填时应避免产生气泡，在其满溢后用刮刀将表面刮平，并将筒边与玻璃平板擦拭干净，然后迅速提起试验筒，此时光滑玻璃平板上形成圆形坍塌体(图2)；利用游标卡尺测量圆形坍塌体水平与竖直距离，两者平均值即为流动度值。为避免触变效应带来的影响，提起圆筒时间应小于7 s，整个测试过程应在1 min内完成。每个试验做2次，求其平均值作为最终的流动值。

图1 流动度试验筒Fig 1 Fluidity test cylinder

图2 流动度测试Fig 2 Fluidity test

1.2.2 混凝土坍落度法

试验所用铁筒的尺寸分别为上口直径100 mm、下口直径200 mm、筒高300 mm，底板采用平整的木板。进行坍落度试验前，用湿抹布擦拭底板与坍落度筒，以减少摩擦力带来的影响。试验时，将底板放置于水平地面上，坍落度筒放置于底板中心处，并用双脚踩住坍落度筒底部两边的脚踏板，确保其平稳而不会晃动；用小铲将搅拌好的固化淤泥铲入筒中，用捣棒插捣多次，以排出气泡；在顶层填满插捣溢出后，用刮刀刮平其表面，然后将筒边和底板上散落的淤泥清除干净；垂直平稳地将坍落度筒提起，测量筒高与坍落后固化淤泥试体最高点之间的差值，即为该固化淤泥的坍落度值(图3为掺水泥量13%、水灰比为0.41的坍落度试验)。为了保证测量的精度，整个提起过程应在5～10 s内完成，整个试验过程应在150 s内完成。

图3 坍落度试验Fig 3 Slump test

2 流动度

2.1 初始含水率对流动度的影响

为了探索在低含水率下淤泥流动度与含水率之间的关系，采用含水率为36%～54%的淤泥进行试验，结果如图4所示。

图4 流动值与含水率关系曲线图Fig 4 Curve graph of relationship between flow value and water content

从图4可以看出：无论是未掺入水泥的淤泥，还是掺入水泥的固化淤泥，其流动度均随含水率的增加而增加，其中在含水率高于45%时，淤泥流动度随着含水率的增加几乎呈线性关系增加；而在含水率为36%～42%时，淤泥的流动度随含水率的增加而增加缓慢，即变化幅度较小。这与丁建文等[6]研究结论一致。丁建文通过对白马湖高含水率疏浚淤泥进行流动性试验，得出结论：高含水率淤泥流动度随含水率增加呈线性关系显著增加；在低含水率下，流动度随含水率增加而增加幅度缓慢。

2.2 水泥掺量对流动度的影响

图5为淤泥流动度与不同水泥掺量的变化关系图。由图5可以看出：随着水泥掺量的增加，淤泥流动性降低，其中水泥掺量较低时，淤泥流动性随着水泥掺量的增加，降低幅度较为显著；水泥掺量较高时，淤泥流动性随着水泥掺量的增加，降低幅度较为缓慢。比如，在含水率为42%时，未加入水泥与加入3%的水泥后，土样流动度数值最大相差10.9 cm；水泥掺量在3%～13%时，流动度变化幅度较小，流动度数值最大相差为0.8～5.9 cm。该现象说明，对于固化淤泥，水泥掺量对流动度的影响主要产生在低掺量时。分析认为，水泥掺量对土样流动度的影响主要是在加入水泥后，土样的土性发生变化。未加入水泥时，土样为粉土；加入很少量的水泥后，尽管此时水泥的水化反应还没起到主导作用，但水泥粉末极其微小，使得土样的土性由粉土瞬间变为黏性土，流动度显著降低。

图5 流动值与水泥掺量关系曲线图Fig 5 Curve graph of relationship between flow value and cement content

3 坍落度

图6 坍落度与含水率关系曲线图Fig 6 Curve graph of relationship between slump and water content

为了对比坍落度与流动度方法之间的差异，同样进行了坍落度试验。图6为淤泥坍落度与含水率之间的关系曲线。由图6可知：固化淤泥的流动度随含水率的增加而增加，随水泥掺量的增加而降低，显然，这与流动度法相一致；但图6中数据没有较好的连续性，曲线陡峭有突变，存在突变点，这与测试方法有关，坍落度法测量的是坍塌体的下落高度，流动度法测量的是坍塌体的水平变形量。试验结果表明，采用坍落度法也可描述固化淤泥的流动性，但流动度法测出的数据更具有连续性，即采用流动度法测试固化淤泥时更为方便与精确，更能显示出流动性与含水率和水泥掺量之间的关系。

4 结论

通过固化淤泥流动性试验，分析了含水率、水泥掺量等因素对淤泥流动性的影响，得出如下结论：

(1)固化淤泥的流动性随含水率的增加并非完全呈线性变化。在较高的含水率下，流动度随着含水率增加呈线性显著增加；在较低的含水率下，流动度随含水率增加增幅较缓。

(2)水泥掺量的增加会导致流动性降低，但水泥掺量对流动度的影响主要产生在低掺量时。在水泥掺量较低时，随着水泥掺量的增加，流动度显著下降，流动度最大差值为10.9 cm；随着水泥掺量的不断增加，流动度变化幅度较缓。

(3)坍落度法也可以描述淤泥流动性，但采用坍落度法测试的数据曲线有突变点，而流动度试验方法所得数据曲线更具连续性，且操作简易，更能体现淤泥的流动性变化。