絮凝固化联合真空预压处理高含水率淤泥(浆)试验研究

徐志豪，章荣军，郑俊杰，屠林伟

(华中科技大学 岩土与地下工程研究所，武汉 430074)

近年来，随着基础设施与生态工程建设的推进，大量港口码头不断扩建、湖泊河流也相继开展生态治理。各类工程建设中会产生大体量的高含水率疏浚淤泥(Mud Slurry at Extra High Water Content，以下简称EHW-MS)[1-2]。这些疏浚产生的淤泥往往呈流塑态泥浆状，存在细粒土占比过大、有机质与重金属离子污染程度较高等不良性质[3]，不适于直接利用和弃置处理[4]。目前，针对大体量EHW-MS采用的主要处理方式仍为堆场处理[5]。其主旨是将淤泥浆泵送至堆放场地，待一定时间自然风干或采用真空和堆载预压等人工干化技术[6-7]进一步脱水处理后再结合固化剂改性处理进行减量资源化利用。然而，堆场处理后淤泥含水率虽然有所降低[1]，但部分堆场区域仍处于较高含水率水平(>150%)是比较常见的现象，从而大大限制了传统水泥固化方法(PCSM)的固化效率[8-9]，无法在兼顾经济性的同时满足相关资源化利用标准。

图1 VP-FSCM处理淤泥浆筑堤原理图

笔者旨在通过室内试验确定提出的VP-FSCM的可行性和机理，具体工作包括：研究等效初始含水率对VP-FSCM处理EHW-MS后沉积特性与力学特性的影响；探究VP-FSCM的可行性以及其处理优势随等效初始含水率的变化规律；采用XRD和SEM测试手段从微观层面探析VP-FSCM的内在机理。

1 试验内容

1.1 试验材料

试验所用淤泥取自温州某堆场，土样基本物理特性如表1所示。试验淤泥比重为2.69，天然含水率在90%～110%，约为2倍液限，土样中含有少量有机质。采用激光粒度分析仪对土样进行了粒径分析，得到其粒度组成，如表2所示。根据《土的分类标准》(GBJ 145—90)，将其分类为高液限粉土。

表1 试验用淤泥基本特性

表2 试验用淤泥颗粒级配组成

试验选用的固化剂为42.5#普通硅酸盐水泥，所用絮凝剂溶液为阴离子AN926SH型有机高分子聚丙烯酰胺(PAM)的水溶液。具体配制方法是将PAM颗粒与水以1∶1 000的比例(质量分数为0.1%)经人工搅拌60 min(转速为90 r/min)配制而成。

1.2 模型实验装置

真空预压模型试验装置主要由带通气口的防护盖板、塑料排水板和模型箱组成(如图2(a)所示)。模型箱采用厚度为1 cm的有机玻璃材料制成，尺寸为60 cm×12 cm×40 cm(长×宽×高)。其中，通气口主要是将固化淤泥浆与大气相通，从而依靠其自身水体密封隔绝空气的方式进行自密封处理(低位真空预压工艺)，防护盖板与模型箱采用可拆卸式螺栓连接。试验中水平排水板放置于模型箱底部，对排水板一端进行密封，另一端通过抽滤接口将排水软管连接至抽滤瓶，抽滤瓶滤口通过转换接头将软管与真空泵源进行连接。另外，在模型箱外壁粘贴有一次性塑料刻度条，用于观测土体沉降。

1.3 实验流程

2)开展真空预压工作。将真空泵压力设定为50 kPa，对VP-PCSM与VP-FSCM实验组进行50 min低位真空预压。期间监测试样沉降情况，记录试样边缘高度变化并测定排入抽滤瓶中水的质量。

3)开展力学特性试验。养护至指定龄期后，利用取土器按图2(c)所示龄期布置取样并刮平，采用图2(b)所示十字板剪切仪测定不排水抗剪强度su，每个龄期测3个点取平均值，并测定试样养护后含水率wei。重复前述步骤，直至28 d龄期完成。

图2 真空预压模型试验示意图

4)开展微观试验。待28 d龄期后，按上述区域取距表层一定深度土样分别做X射线衍射试验和场发射扫描电子显微镜试验。

1.4 实验工况

表3 室内试验工况

2 试验结果与分析

2.1 沉积特性

为证实上述絮凝剂与真空预压处理的协同效益，图3对比了VP-PCSM与VP-FSCM两种工法处理不同等效初始含水率EHW-MS的沉降量曲线。

图3 VP-PCSM或VP-FSCM试样边缘沉降量变化曲线

结果显示，VP-FSCM处理后试验组的沉降速度显著提升，短时间内即可完成沉降，并且随着等效初始含水率wei的增加，VP-FSCM沉降量及沉降速率也越大。

2.2 脱水特性

图4为VP-PCSM或VP-FSCM处理不同等效初始含水率EHW-MS的排水量变化曲线。图中显示，VP-FSCM处理后试样的排水量与排水速度相比VP-PCSM都存在明显提高，并且其排水量与排水速度均随着等效初始含水率wei的上升而增长，这一定程度上是因为含水率越高越有利于土颗粒间絮体形态的改善及数量的提升，促进了絮团间大孔隙的生成，从而进一步提高脱水效率。

图4 VP-PCSM或VP-FSCM处理试样排水量变化曲线

2.3 力学特性

2.3.1 等效初始含水率对不排水抗剪强度的影响 为充分揭示等效初始含水率对采用3种工法(VP-PCSM、VP-FSCM与FSCM)固化疏浚淤泥的强度特性的影响规律，图5对比了3种工法处理后试样各龄期不排水抗剪强度。结果显示，相较其余两种工法，EHW-MS经VP-FSCM处理后抗剪强度更高。表明絮凝剂的脱水作用、真空预压的物理压实作用以及固化剂的化学粘结作用三者可以共同发挥协同耦合效应优势。此外，总体来看，VP-FSCM与其余两种工法的强度差异与等效初始含水率存在着一定相关性，表现为随着等效初始含水率的增长，VP-FSCM与VP-PCSM的强度差异越来越显著，但同FSCM对比，其强度差异却逐步缩小。

图5 3种工法处理不同wei的EHW-MS后各龄期不排水抗剪强度su对比图

图6给出了3种工法处理EHW-MS后不排水抗剪强度随等效初始含水率wei的变化曲线。显然，随着等效初始含水率的增长，3种工法抗剪强度均表现出衰减的趋势。不同的是，VP-FSCM与FSCM衰减速率缓慢，即使在等效初始含水率为440%的情况下，也有较高的不排水抗剪强度。这表明应用FSCM与VP-FSCM处理淤泥浆后的强度特性受等效初始含水率影响，但其“敏感性”远不及VP-PCSM工法。由此可以推测，在极高含水率下结合FSCM相比于结合PCSM处理淤泥浆具有更为显著的强度特性优势。此外，也可以明显发现，相较于FSCM与VP-PCSM，VP-FSCM处理后试样不同龄期间强度差异明显，表明VP-FSCM的强度增长受龄期的影响较大。

图6 VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM处理EHW-MS后不排水抗剪强度su随wei的变化曲线

为深入了解其强度与龄期的关系，分析3种工法的强度增长差异，图7给出了3种工法处理EHW-MS后不排水抗剪强度随龄期的变化曲线。图中显示，3种工法处理后，试样强度增长模式仍为早期快速增长中后期增速减缓。但与之不同的是，VP-FSCM在整个强度发展过程中强度增速明显高于VP-PCSM与FSCM。以等效初始含水率为260%的泥浆为例，VP-FSCM试样强度7 d可达到约22 kPa，而同等情况下，VP-PCSM与FSCM处理后均在13 kPa左右，相比提高了69.23%。另外，VP-FSCM后期强度增速也明显较大。

图7 VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM处理EHW-MS后不排水抗剪强度随龄期的变化曲线

2.3.2 等效初始含水率对养护后含水率的影响 众多研究表明，固化淤泥养护后的含水率wac越低，其不排水抗剪强度越高。养护后含水率wac不仅能印证前述VP-FSCM强度优势，而且也作为表征淤泥固化效率的一个重要指标。图8对比了3种工法处理不同等效初始含水率wei的EHW-MS各龄期养护后含水率wac。

图8显示，EHW-MS经VP-FSCM处理后的养护后含水率明显低于VP-PCSM与FSCM。这较好地解释了强度差异的结果，也在一定程度上说明养护后含水率决定了不排水抗剪强度的大小。此外，等效初始含水率不同，3种工法处理的养护后含水率差异也不尽相同。

图8 3种工法处理不同wei的EHW-MS后各龄期养护后含水率wac对比图

图9绘制了VP-PCSM、VP-FSCM、FSCM处理EHW-MS后养护后含水率wac随等效初始含水率wei的变化曲线。总体来看，3种工法处理后，养护后含水率wac均随着等效初始含水率wei的增长呈增长趋势。其中VP-PCSM呈线性增长趋势，而VF-FSCM与FSCM则表现出先快后慢的增长趋势。此外，可以发现随着等效初始含水率wei的增长，VP-FSCM与VP-PCSM的养护后含水率wac差异越来越大，但与FSCM逐渐接近。

图9 3种工法处理后养护后含水率wac随wei的变化曲线

为了进一步阐明等效初始含水率对固化淤泥浆养护后含水率wac随龄期的影响规律，图10给出了3种工法处理EHW-MS的养护后含水率随龄期的变化曲线。图10表明，VP-FSCM的养护后含水率衰减主要在早期阶段进行，后续随着水化反应的持续进行而略有下降，这与VP-PCSM及FSCM的发展模式相近，也印证了上述强度增长规律为早期快速增长而中后期缓速增长的模式，但VP-FSCM早期衰减速率明显快于VP-PCSM与FSCM。以等效初始含水率为440%的泥浆为例，VP-FSCM的试样7 d养护后含水率为203.75%，而同等情况下VP-PCSM与FSCM分别为341.17%与229.73%，分别降低了约40.28%与11.31%。

图10 VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM处理EHW-MS的养护后含水率wac随龄期的变化曲线

2.4 微观机理探析

为了解VP-FSCM处理EHW-MS的微观固化成分，对两组典型含水率工况wei=260%与wei=440%的EHW-MS经3种工法处理28 d后的土样进行了XRD分析，组分谱图如图11所示。

图11 wei=260%与wei=440%的EHW-MS经VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM处理后XRD谱图

图11表明，VP-FSCM处理的EHW-MS固化产物中，CSH与CASH凝胶含量较VP-PCSM与FSCM显著提升，并且含水率越低，效果越显著。CSH与CASH起着填充孔隙，胶结土颗粒的作用，促进了固化泥浆强度的发展[16]，从而在微观层面给予了VP-FSCM强度较高的合理解释。

为了进一步探析VP-FSCM处理EHW-MS的固化微观机理，采用场发射扫描电镜对固化淤泥试样的微观形貌进行微观测试。图12为典型工况wei=260%与wei=440%的EHW-MS经3种工法处理后的10 000倍SEM照片。可以发现，相同等效初始含水率下的EHW-MS经VP-FSCM处理后水化产物钙矾石与C(A)SH凝胶发育形态突出、数量较多。其中，钙矾石已发育成密集的棒簇状聚集体，C(A)SH凝胶也呈团簇状联结着土颗粒，在固化过程中填充于颗粒之间的大孔隙中，使得土体内部大孔隙逐渐缩小甚至填充闭合，两者的共同作用使得土颗粒间更加致密，土体强度增加[17]。同时，从整体来看，VP-FSCM处理EHW-MS后，虽在早期絮凝脱水过程中形成较大孔隙，但在养护过程中已经被C(A)SH、钙矾石填充密实，孔隙大大减少，以致强度明显高于VP-PCSM与FSCM。对比VP-FSCM处理等效初始含水率为260%和440%的EHW-MS后SEM照片发现，在等效初始含水率为260%时,EHW-MS固化后的钙矾石与C(A)SH凝胶发育程度较高，且孔隙更小、更少，结构更加紧凑致密，强度更高。出现此现象的原因是在等效初始含水率为260%的情况下，水泥水化反应所需的水分已经充足，而当等效含水率逐渐增大时，除水化反应所需的水之外，多余部分会分布于土体颗粒的孔隙之中，使得C(A)SH凝胶及其他胶凝材料在单位体积中的数量较少[16]，不足以提供有效的胶结土颗粒、填充孔隙、支撑土骨架作用[18]，因而强度随等效含水率有明显的下降趋势。

图12 wei=260%与wei=440%的EHW-MS经VP-PCSM, VP-FSCM或FSCM处理后养护28 d的10 000倍SEM照片

2.5 VP-FSCM的适用性探究

为深入评估VP-FSCM在强度特性上的优越性及其随等效初始含水率的变化规律，引入强度比参数λ与μ，定义分别见式(1)、式(2)。将强度比参数λ与μ分别作为定量衡量VP-FSCM相比于VP-PCSM、FSCM在强度特性方面展现处理效率优势的一个重要参数。

(1)

(2)

式中：λ为VP-FSCM与VP-PCSM不排水抗剪强度之比；μ为VP-FSCM与FSCM不排水抗剪强度之比；SuVF、SuVP、SuF分别为VP-FSCM、VP-PCSM与FSCM处理后固化淤泥的不排水抗剪强度，kPa。

图13给出了不同等效初始含水率的EHW-MS各龄期下的λ值与μ值。图中显示，λ值与μ值主要受等效初始含水率wei的影响，与龄期关系不大。其中，λ值随着等效初始含水率wei的增长呈递增趋势，最高可达到3.73倍。μ值随着等效初始含水率的增长呈递减趋势，高含水率下最低可降至1.2倍。结合λ值与μ值的意义来看，表明在高等效初始含水率下，VP-FSCM相比于VP-PCSM的强度优越性越显著，而相比于FSCM的强度优越性渐不明显。

图13 不同wei的EHW-MS各龄期下的λ值与μ值

3 结论

基于室内模型试验研究了等效初始含水率对VP-FSCM处理EHW-MS后物理力学特性的影响，探究提出的VP-FSCM的可行性和机理，得到以下主要结论：

2)结合XRD与SEM试验，VP-FSCM的强度特性优势在微观层面上体现为其C(A)SH凝胶、钙矾石等水化产物数量及发育程度得到明显提升，结构的填充与密实效应显著，宏观上体现为加固后的十字板强度明显提高，土体整体得到了有效加固。

3)随着等效初始含水率的增长，VP-FSCM相比于VP-PCSM的处理效率优势逐渐显著，而相比于FSCM，虽仍具有一定优势，但优势逐渐弱化。