城市河道淤泥固化土的力学特性研究

张慧超 马 旭

(1.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430070； 2.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

1 概述

随着工业化和城镇化的快速发展，城市河道清淤每年都会产生大量污泥，由于其初始含水率高，有毒物质多，对生态环境具有很强的破坏性。因此，城市河道淤泥的安全处置对我国许多城市均提出巨大挑战。近年来，固化稳定技术由于其效率高、成本低等优势在实际工程中逐渐成为一种淤泥处理和资源化利用的重要手段[1]。其核心是通过在淤泥中添加水泥、石灰、粉煤灰、矿渣、钢渣等粘合剂的方式，达到降低淤泥含水率，提高淤泥强度的目的。

石灰固化土强度增长缓慢，干缩明显，易软化开裂，且水稳性差。二灰土(石灰—粉煤灰固化土)早期强度低且水稳性差。其他化学固化剂改性土的固化效果随土类型的变化差异较大且由于固化剂价格较高，改性成本高，相较于以上几种固化剂，水泥固化土的水稳性好，价格适中，因此，适合作为改性剂对淤泥进行固化处理。

近年来，水泥土被广泛应用于房屋建筑、道路建设、大坝护坡和防渗保护[2]。黄欣等[3]认为水泥固化土强度主要来源于水泥水化过程中产生的胶结物。Kaniraj等[4]提出了由养护龄期、水泥和粉煤灰掺量预测固化土强度的模型。汤怡新等[5]通过试验研究得出固化土强度主要受水泥掺量和土体初始含水率的影响。除了针对固化土强度研究，许多研究者[6-10]对水泥固化土的渗透特性进行了详细的研究，研究发现固化土渗透系数随着水泥掺量和养护龄期的增加而减小，其原因是水泥水化产物随养护龄期的增加不断累积，逐渐充填土体孔隙，从而造成固化土渗透系数的降低。

本文通过一系列室内击实、直剪和无侧限抗压强度试验研究了不同水泥掺量固化土的强度演化规律，以期为城市河道疏浚淤泥的再利用提供数据支撑。

2 试验方案

2.1 试验用土

试验用淤泥土取自湖北省武汉市某河道清淤场地。研究用淤泥土的天然重力含水率为78.63%，高含水率淤泥经风干、研磨过2 mm筛，通过室内土工试验，得到其基本物理性质指标如表1所示。经颗粒分析试验得到淤泥土含砂粒34%，粉粒41%，黏粒25%。X射线衍射试验表明该淤泥土主要矿物成分为石英、伊利石、蒙脱石、钠长石。

试验用水泥为普通硅酸盐水泥，其强度高、化热大，抗冻性好、耐磨性好，抗碳化性较好，主要化学成分为CaO，SiO2和Al2O3。

表1 基本物理性质指标

2.2 试验方法

2.2.1击实试验

击实的目的是利用机械能将土颗粒压密，减少土体内部孔隙，降低土体强度和体积变化的敏感性，同时提高土体强度和承载能力，降低压缩性和渗透性。本研究中将干土粉与水泥按照干土质量百分比2%，4%，8%混合均匀，加入去离子水配制成不同含水率的土膏，并用密封袋密封24 h，之后采用重型击实试验方法进行最优含水率和最大干密度的测定。

2.2.2直接剪切试验

首先将过2 mm筛的干土粉与水泥按照2%,4%,8%的质量百分比混合均匀，加入去离子水分别配制到不同水泥掺量所对应的最优含水率状态，然后按照93%,96%,98%压实度将湿土膏制成高20 mm，直径61.8 mm的环刀试样。剪切过程中，竖向荷载设置为100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa，快剪速率设定为1 mm/min。最终得到不同水泥掺量试样在不同竖向荷载下的强度峰值。

2.2.3无侧限抗压强度试验

用与直剪试验相同的方法配制不同水泥掺量的湿土膏，并按照93%,96%,98%压实度将湿土膏制成高50 mm，直径30 mm的圆柱试样，按1%/min的速率进行剪切，直至试样破坏，记录试样破坏时测力计读数，即为试样无侧限抗压强度。

3 试验结果及分析

3.1 击实试验结果

不同水泥掺量下击实曲线如图1所示，所得到的最优含水率和最大干密度如表2所示。

从图1，表2中可以得出：掺入不同掺量的水泥之后，固化土的最优含水率略微下降，降幅在2%以内，最大干密度先减小后增大。

表2 不同水泥掺量固化土最优含水率及最大干密度

3.2 直接剪切试验结果

如图2～图4所示分别为水泥掺量为2%，4%，8%时试样的强度包线及强度参数值，图5，图6分别为粘聚力和内摩擦角与水泥掺量的关系，图中K为压实度，t为养护龄期。

从图2～图6可以看出：

1)相同竖向荷载情况下，压实度越大，养护龄期越长，试样剪切强度越大，这是因为压实度越大，土颗粒以及颗粒集聚体之间接触更加紧密，孔隙体积则越小，试样抵抗变形的能力更强。而养护龄期越长，土体中的水泥水化反应越完全，从而提高了试样的强度；

2)水泥固化土的粘聚力随水泥掺量的增加有明显增大，且随着养护龄期的增加而增大。这是由于水泥掺量的增加以及养护龄期的延长，使固化土土体内水化产物增多，水化产物的胶结作用使试样粘聚力增大；

3)不同水泥掺量及养护龄期的水泥固化土其内摩擦角变化范围为27°～30°之间，表明不同水泥掺量和不同养护龄期后水泥固化土的内摩擦角没有明显变化，即水泥不影响固化土土颗粒之间的摩擦特性。

3.3 无侧限抗压强度试验结果

如图7所示为水泥固化土的无侧限抗压强度结果，图中式子K=93%-0，其中，K=93%为压实度；0代表水泥掺量。

从图7可以看出：1)总体上，水泥固化土的无侧限抗压强度明显高于素淤泥土(即水泥掺量为0)。2)压实度越高，水泥掺量越大，水泥固化土的无侧限强度越大，这是因为压实度越高，土颗粒及颗粒集聚体之间结合更紧密，且水泥掺量越大，水化产物越多，胶结作用越强。3)随着养护龄期的增加，水泥固化土无侧限强度先增大后减小，并在龄期60 d时达到峰值，90 d后基本达到稳定状态，表明水泥固化土的强度不会随着时间的发展而持续增加，且强度在一定时间之后发生衰减，并最终稳定。

4 结语

本文通过一系列的击实、直接剪切及无侧限抗压强度试验对城市河道淤泥水泥固化土的强度特性进行了较为全面的试验探究，得出以下结论：

1)淤泥土在添加水泥之后，其最优含水率略有降低，最大干密度先降低后上升。2)水泥固化土的粘聚力随着水泥掺量及养护龄期的增加而逐渐增大，而内摩擦角变化不明显。3)水泥固化土的无侧限抗压强度相比于素淤泥土有明显提升，压实度越大，水泥掺量越大，无侧限强度越大。当养护龄期到达60 d之后，强度达到峰值，随后强度发生衰减，并在90 d之后逐渐稳定。