生物炭添加对固化疏浚泥压缩性状和渗透性状影响研究

宋苗苗 吴振威 曹裕翔

摘  要：为明确生物炭添加对固化高含水率疏浚泥压缩性状和渗透性状的影响，该文对生物炭改良固化疏浚泥开展了一维压缩试验和柔性壁渗透试验。基于试验结果，对固化高含水率疏浚泥压缩性状和渗透性状随生物炭掺量的变化规律进行了研究，并分析了生物炭添加引起其压缩性状和渗透性状变化的原因。结果表明，生物炭添加将引起固化高含水率疏浚泥压缩性和渗透系数的减小，且减小幅度随生物炭掺量的增加是变化的。对于研究所用固化疏浚泥，生物炭掺量以在（5%，15%）范围内为宜。

关键词：固化疏浚泥 高含水率 生物炭 压缩性状 渗透系数

中图分类号：TU44  文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）11（a）-0000-00

Experimental Study on Compressive-Hydraulic Properties of Biochar-Amended Cemented Dredged Clay

SONG Miaomiao   WU Zhenwei   CAO Yuxiang

（School of Civil Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng， Jiangsu Province， 224051 China）

Abstract： A series of one-dimensional compression tests and permeability tests were conducted to investigate the biochar effects on the compressive and hydraulic behavior of cemented dredged clay at high water content. The related mechanisms responsible for changes were also discussed. Based on test results， it can be found that the addition of biochar would induce a reduction in the compressibility and permeability coefficient for cement-treated dredged clay. Meanwhile， the decrease is affected by the biochar content. For cemented dredged clay used in this research， the appropriate biochar is in the range of （5%， 15%）.

Key Words： Cemented dredged clay; High water content; Biochar; Compression behavior; Permeability coefficient

为改善港口、河道、湖泊等的水质、通航能力等，我国每年都要对其进行大规模的疏浚清淤，从而产生大量的高含水率疏浚淤泥[1-2]。此外，人工岛修筑、港口建设等工程也需要进行大量的海底清淤。疏浚泥通常呈流动状态，具有含水率高、压缩性大、强度非常低的特点，故一般作为废弃物进行处理。常用的吹填和抛泥两种方法，不仅需占用大量土地，还易污染周边环境。而疏浚泥的固化资源化利用，不仅可解决疏浚泥弃置占用大量土地、污染环境的问题，还可变废为宝为港口建、人工岛等修筑提供大量的理想填料[3-4]。国内外一些学者也通过室内试验、现场试验、实际工程等验证了将固化疏浚泥作为理想填料是可行的[5-6]。

水泥因具有材料来源广、价格低廉、性能良好等特点，成为目前实际工程中最常用的固化剂。但在环境保护和生态可持续发展的背景下，水泥、石灰等在生产和使用过程中存在明显的缺陷，如水泥生产过程排放大量的CO2、粉尘、NOx等有害物质，且在生产水泥需消耗大量的能源和自然资源。此外，水泥处理易造成固化疏浚泥碱性的增加和生态性的降低。因此，积极研发绿色低碳、环境友好的疏浚泥改良剂，以及疏浚泥生态改良和加固技术具有十分重要的意义。

另一方面，生物炭作为一种新型环境功能型材料，具有比表面积大、稳定性高等特点[7]。近年来在土壤改良、污染土修复等方面得到了广泛的应用。如陈凌源等人[8]通过研究发现，生物炭的添加可显著提高土体对铜的阻滞能力;李伸鑫等人[9]对不同生物炭掺量的固化疏浚开展一系列的无侧限抗压试验，基于试验结果指出生物炭的添加将引起固化疏浚泥强度的增加。由此可见，将生物炭用于固化疏浚泥的改良不仅可改善其强度性状，同时还有利于降低水泥的用量，以及我国碳达峰和碳中和目标的如期实现。

该文以含生物炭的固化疏浚泥为对象，开展了一系列的一维压缩试验和柔性壁渗透试验。基于试验结果，分析了固化疏浚泥压缩性状和渗透性状随生物炭掺量增加的变化规律，并探讨了生物炭添加引起固化疏浚泥压缩性状和渗透性状变化的原因。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用疏浚泥取自安徽省蚌埠市某疏浚泥堆场，由液塑限联合测定法测得其液限和塑限分别为58%和27%。土体比重由比重瓶法测定，其值为2.7。采用密度计法测定土中的黏粒含量为62%。前述试验均根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）进行操作。

试验所用水泥購自盐城阜宁佳宁水泥有限公司，为P. O. 42.5普通硅酸盐水泥，其基本性质均满足国家标准要求。其中，水泥的初凝时间为155 min，终凝时间为220 min。故后续制备试验所用试样时，应不超过水泥的初凝时间，以防止水泥凝固影响制样。

试验前，首先将购买的黑色柱状椰壳生物炭放入粉碎机内粉碎;之后，再将粉碎后的生物炭颗粒过筛，从而得到试用所用的生物炭颗粒，其粒径在（0.6 mm，1 mm）范围变化。

1.2 试验方案

该研究将采用3倍液限（176%）作为疏浚泥的初始含水率。试验时，首先将现场取回的疏浚泥搅拌均匀并测定含水率;其次，根据疏浚泥的初始含水率、生物炭掺量（0，5%，10%和15%）和水泥掺量（15%），计算需外加水、水泥以及生物炭的质量。其中，水泥掺量为水泥质量占干土质量的百分比，生物炭掺量为生物炭质量占干土质量的百分比;最后，将需外加的水加入疏浚泥中，搅拌均匀后再依次加入水泥和生物炭，并将“疏浚泥+水泥+生物炭”混合物快速搅拌均匀，以避免混合物发生硬化，影响后续制样。试验所用压缩试样和渗透試样的具体制备方法详见白传贞等的研究[10]，故在此不再赘述。

压缩试验和渗透试验所用固化疏浚泥试样养护龄期为28天。压缩试验时，按照1：1的加载比由12.5 kPa依次加载到1 600 kPa。和压缩试验不同，柔性壁渗透试验开始前，需先在真空饱和缸内对试样进行饱和，之后再进行渗透试验。

2 结果与讨论

图1为不同生物炭掺量下固化疏浚泥的εv – lgP压缩曲线，图中图例为试样中的生物炭掺量。由图可知，当竖向压力较小时，固化疏浚泥的微观结构未遭到破坏，故相同竖向压力下不同生物炭掺量试样间的体应变差别较小。而随着竖向压力的进一步增加，相同竖向压力下固化疏浚泥试样的体应变随生物炭掺量的增加而逐渐减小。这可能是由于生物炭颗粒具有较大的比表面积，有利于固化土颗粒吸附在其表面，形成大的团聚体。宏观表现为土孔隙体积的减小。另外，由于生物炭颗粒本身具有较高的强度，可抵抗一定的外部荷载。二者共同作用，提高了含生物炭固化疏浚泥试样抵抗竖向压力的能力。需要注意的是，当生物炭掺量达到15%后，继续增加生物炭掺量对土体压缩性的影响较小。

由于结构性对固化疏浚泥的压缩性状具有重要的影响，因此有必要明确生物炭添加对固化疏浚泥结构性的影响。图2为试验所用固化疏浚泥试样屈服应力Py随生物炭掺量的变化规律。其中，固化疏浚泥的屈服应力采用Casagrande法确定。当生物炭掺量较小（5%）时，生物炭的添加基本不引起固化疏浚泥屈服应力的变化。随着生物炭掺量进一步增加到15%后，固化疏浚泥的屈服应力也由235 kPa增加为380 kPa。之后，生物炭掺量的进一步增加（20%），固化疏浚泥的屈服应力基本保持不变。综上可知，采用生物炭改善固化疏浚泥的压缩性状时，存在一个最优的生物炭掺量范围。对于该文研究所用固化疏浚泥，生物炭掺量以大于5%且不超过15%为宜。

根据压缩实验结果可知，试验所用固化疏浚泥试样的屈服应力基本都大于200 kPa，故柔性壁渗透试验的围压和渗透压分为设置为250 kPa和100 kPa。通过记录渗透试验进行不同时间的出水量Q，再由公式（1）计算获得固化疏浚泥的渗透系数k。

k=QL/tAh                                 （1）

式中：L为渗流长度，等于固化疏浚泥试样的高度（cm）;A为固化疏浚泥试样的横截面面积（cm2）;h为渗透试验采用的水头差（cm）;t为渗透时间（s）;Q为t时间段内的出水量（cm3）。

表1为养护28 d固化疏浚泥的渗透系数。由表可知，和不含生物炭的固化疏浚泥相比，生物炭的添加整体上将引起固化疏浚泥渗透系数的减小，但减小幅度随生物炭掺量的增加是变化的。当生物炭掺量不超过15%时，生物炭颗粒散布在固化疏浚泥试样中，且其表面被固化疏浚泥颗粒覆盖，形成不透水层，从而减少了试样中水的渗透路径，故将出现固化疏浚泥渗透系数的小幅度减小。而当生物炭掺量进一步增加到20%后，生物炭颗粒相互间搭接形成土骨架，由于其表明不透水，故将大幅度增加试样中渗流路径的长度，并减少试样中的渗流路径，故宏观表现为试样渗透系数的大幅度减小。

3 结论

对不同生物炭掺量的固化高含水率疏浚泥开展一维压缩试验和柔性壁渗透试验，基于试验结果研究了生物炭添加对固化高含水率疏浚泥压缩性状和渗透性状的影响，得到以下结论。

（1）当竖向压力较小时，生物炭添加对固化疏浚泥的压缩性状影响较小。生物炭添加对固化疏浚泥压缩性状的影响主要发生竖向压力较大时。

（2）随着生物炭掺量的增加，固化疏浚泥的屈服应力呈先增大后逐渐趋于稳定的变化趋势。对于该文研究所用固化疏浚泥，生物炭掺量以大于5%且不超过15%为宜。

（3）生物炭的添加使固化疏浚泥中的渗流路径减少，从而引起固化疏浚泥渗透系数的减小。但整体而言，生物炭添加引起固化疏浚泥渗透系数的减小幅度较小。

参考文献

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[10] 白传贞，吉锋，徐桂中，等.聚丙烯纤维对固化工程废浆压缩性能和渗透性能的影响[J].硅酸盐通报，2021，40（9）：3039-3045.

基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目《盐分侵蚀下水泥固化疏浚泥力学性状劣化研究》（项目编号：202110305022Z）。

作者简介：宋苗苗（1987—），女，博士，讲师，研究方向为疏浚泥地处置及资源化利用。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2111-5042-8527