高含水率疏浚底泥固化及强度预测模型

马学通，高德彬，雷 颖，严耿升

（1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054；2.黄土高原水循环与地质环境教育部野外科学观测研究站，甘肃正宁 745399；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

0 引 言

城市河网疏浚会产生大量的疏浚底泥，疏浚底泥力学性质差，因此目前常用的处理措施是就近堆填，这不仅会侵占大量的土地，同时底泥中的污染物可能会对环境造成二次污染［1，2］。在绿色低碳发展背景下，固化工艺作为一种可以固定底泥中有害物质并提高底泥强度的处理工艺而被广泛应用。众多类型的底泥固化剂，如硅酸盐水泥、石灰、高炉矿渣、水泥窑灰、粉煤灰、稻壳灰、电石渣及活性氧化镁等均已广泛用于底泥固化改性领域。张伟等［3］采用粉煤灰、炉渣作为固化剂，并利用神经网络建立了固化底泥强度预测模型。杭天飞等［4］根据单轴抗压试验结果指出粉煤灰的掺入可以有效提高固化底泥的后期强度。丁慧等［5］探讨了采用粉煤灰及矿粉固化疏浚底泥的可行性。崔勇涛等［6］采用水泥、石灰组成的复合固化剂对底泥进行改良，结果表明随着龄期及固化剂含量增大，固化底泥渗透系数明显变小。Horpibulsuk 等［7］研究表明，水泥掺量与水泥土的无侧限抗压强度关系曲线具有明显分区，当水泥掺量小于分界掺量时，水泥固化土强度增长较为缓慢。H.J.H.BROUWERS等［8］指出水泥和生石灰对疏浚底泥中有害成分的消解呈现互补效应。章荣军等［9］、郑少辉等［10］指出，当水泥掺量较小时，固化高含水率海泥的强度随水泥掺量的增加呈非线性增大，当掺量较大时，其呈线性增大。由于水泥、生石灰等属于钙基材料，容易对环境造成破坏，而Cheng［11］、王东星［12］、何晶等［13］指出碱性材料可以有效提高固化剂活性，增强材料固化后的力学强度，同时可以有效减少钙基材料的使用，且在高性能混凝土中得到广泛应用，但其在岩土工程领域的应用尚未推广。基于此，本文结合“西安市全域治水工程”实践，通过正交试验研究了不同掺量水泥、生石灰、矿渣、聚丙烯及高分子吸水树脂对灞河河道疏浚底泥的固化效果，并建立了固化底泥强度预测模型，为疏浚底泥用于滨河沙坑回填、路基填筑、异地填埋处置等的强度预测提供依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验选用灞河右岸岸坡底部的疏浚底泥，呈暗黄色。底泥物理性指标及其他物质含量测试结果见表1。可以看出，底泥天然含水率超过液限，属高压缩性黏性土。同时，与其他陆相沉积的土体存在明显的差异，即底泥含有机质、磷钾及重金属等物质。试验用的固化剂选择普通硅酸盐水泥、生石灰、聚丙烯、矿渣及高分子吸水树脂等5种材料。

表1 试验用土物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil

1.2 试样制备及试验方法

1.2.1 正交试验设计

试验目的是为确定复合疏浚底泥固化剂中各因素水平对固化疏浚底泥的固化效果，以水泥掺量（A）、生石灰掺量（B）、聚丙烯掺量（C）、矿渣掺量（D）及高分子吸水树脂掺量（E）作为正交试验的5 个因素，每个因素选取5 种水平，选用L25（55）正交表见表2。

表2 正交试验各因素水平 %Tab.2 Levels of factors in orthogonal test

1.2.2 试样制备

根据表1中天然含水率将试样含水率设定为50%。试验前将疏浚底泥以75 ℃烘干后用木碾碾散且过2 mm 筛，并加水搅拌浸润24 h 以上，而后将固化剂掺入疏浚底泥中搅拌均匀后制样。

由于试样含水率较高，采用击实法制样会导致试样的含水率在制样过程中发生变化而影响试验结果，因此本文选用振动密实法进行室内制样。首先将搅拌好的混合土装入内径50 mm、高度100 mm 的圆柱形样盒内，再放置于混凝土振动台上振动5 min 以密实试样。试样制备完成后称量试样质量，以确保试样密度保持相同。最后在温度20±2 ℃条件下，将试样放入保湿器中养护1 d 脱模，并继续养护至预定龄期（7 和28 d）进行试验。强度试验选用应变控制式无侧限压力仪进行强度测试，加载速率1.0 mm/min。为了减少试验误差，取每组3 个试样的平均值作为该组试样的最终抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 无侧限抗压强度试验结果

无侧限抗压强度试验结果见表3。

由表3 可知，不同固化材料组合的固化试样的28 d 抗压强度均大于7 d。7 d 养护时间条件下，试验编号22（A5B2C1D5E4）对应的复合固化试样的无侧限抗压强度最大，其抗压强度为1 461.5 kPa，同等试验条件下，28 d养护期所对应的最大强度为3 544.2 kPa，且为同一试验编号，表明在该编号对应的固化材料组合条件下，各固化材料可较其他组合大程度地发挥其固化效应，该固化效应具协同性，使得固化试样抗压强度整体增大，且具有持续性，不会随着养护时间的变化存在差异性。因此，该组固化材料配比为最优水平组合，其最优配比为：水泥（A）∶生石灰（B）∶聚丙烯（C）∶矿渣（D）∶高分子吸水树脂（E）=2 000∶400∶10∶1 100∶8。

表3 无侧限抗压强度试验结果Tab.3 Test results of unconfined compressive strength

2.2 极差及方差分析

通过计算正交试验各因素的极差并构建方差统计量F，分析不同固化剂对固化底泥强度的影响主次关系，计算结果见表4、5。

表4 7 d正交试验分析结果Tab.4 Analysis results of 7 d orthogonal test

表5 28 d正交试验分析结果Tab.5 Analysis results of 28 d orthogonal test

由表4、5 可知，矿渣掺量对固化疏浚底泥的强度影响程度最大，其次为水泥及生石灰。另外发现，聚丙烯与高分子吸水树脂的影响次序发生变化，高分子吸水树脂在养护后期对固化试样抗压强度的增长有促进作用，而聚丙烯仅在养护前期较高分子树脂对固化强度的增长略有优势，这可能与高分子吸水树脂的特性有关。

由图1 可以看出，各固化剂对底泥固化强度的影响程度顺序为D＞A＞B＞C＞E。即矿渣＞水泥＞生石灰＞聚丙烯＞高分子吸水树脂。同时，各固化剂对底泥固化强度的影响程度不完全一致。底泥的固化强度随着矿渣（D）和水泥（A）掺量的不断增加不同程度地增大，其中，固化强度随着矿渣掺量的增大呈现较陡的增长趋势，而水泥增长趋势相对较缓，D5、A5分别为两者的最佳掺量；底泥固化强度随生石灰（B）、聚丙烯（C）、与高分子吸水树脂（E）掺量增加呈现先增大后减小的趋势，表明该3种固化材料存在最佳掺量值，其分别为B2、C1和E1。

图1 正交试验分析结果Fig.1 Analysis results of orthogonal test

产生这一现象的可能原因分析如下：①聚丙烯、高分子吸水树脂不与底泥成分发生化学反应，其中聚丙烯仅是利用了纤维自身的抗拉性能以改善土体开裂等问题，因而对固化土的抗压强度影响较小［14］。②高分子吸水树脂仅起到保水及释水作用，从而增大固化底泥的强度［15］。③而水泥、生石灰与底泥中的水发生化学反应，生成一系列的水化产物，且该水化产物具黏结性大及强度高等特点，并消耗了底泥中的自由水及孔隙水，从而固化强度在宏观上表现为强度增大；同时，对底泥中有害物质的固化作用也显著提升［8］。④矿渣作为碱性材料，除了发生与水泥、生石灰类似的水化反应外，还可以提供足够的碱性环境，有效促进水泥、生石灰与底泥之间的化学反应［8，13］，因此，矿渣的掺入对底泥强度的提升有促进作用。

由此可知，底泥固化除了采用物理方法降低高含水率疏浚底泥外，还可以采用化学固化方法，该方法可有效封闭底泥中的有害物质。另外，可以节省大量的运输成本，减少占地面积，同时，其处理规模较其他固化工艺大，也积极响应了“资源再利用型社会”的号召。

3 固化底泥强度预测模型

为了建立底泥强度的预测公式，根据自变量的显著性排序，基于逐步法进行多元线性回归［16］。每次引入一个具有统计学意义的自变量，由少至多依次进行线性回归分析，并对引入的所有自变量进行检验，若其无统计学意义则剔除该自变量，直到纳入无统计学意义的因素为止，该过程中变量的引入和剔除交替进行。预测结果见表6、7，预测公式中A、B、C、D分别为水泥、生石灰、矿渣和聚丙烯纤维掺入质量百分数，E为高分子吸水树脂掺入质量千分比，预测公式R2如图2所示。

表6 7 d多元回归分析步骤及结果Tab.6 Steps and results of 7 d multiple regression analysis

表7 28 d多元回归分析步骤及结果Tab.7 Steps and results of 28 d multiple regression analysis

图2 回归公式R2变化趋势Fig.2 Trend of R2

由图2可以看出，7 d和28 d预测公式R2的变化趋势基本一致。同时，基于矿渣（D）、水泥（A）、生石灰（B）3 种材料形成的复合固化剂建立的预测公式即可有效地预测不同龄期固化底泥的抗压强度，这与前述极差及方差分析结果一致。

4 结 论

依托“西安市全域治水工程”的灞河河道综合治理工程实践，选用水泥、生石灰、聚丙烯、矿渣及高分子吸水树脂等材料对疏浚底泥工程固化开展了室内试验研究，得出了以下结论：

（1）无侧限抗压强度结果表明，复合固化材料的最优配比：水泥（A）∶生石灰（B）∶聚丙烯（C）∶矿渣（D）∶高分子吸水树脂（E）=2 000∶400∶10∶1 100∶8。

（2）通过极差及方差分析可知，矿渣掺量对固化底泥的强度影响最为显著，其次为水泥、生石灰，而聚丙烯和高分子吸水树脂掺量对底泥固化的强度影响不显著。

（3）根据固化材料掺量及不同龄期的固化底泥的抗压强度的多元回归结果表明，基于矿渣、水泥和生石灰3种固化剂建立的预测公式即可较好地预测不同龄期固化底泥的强度。

值得指出的是，即使是同一个河道的疏浚底泥，其颗粒成分、含水率、有机质及重金属含量等也具有区段性差异，因此文中建立的预测模型适用于具有相同或相似条件下疏浚底泥固化强度预测，而选用的复合固化剂对河道疏浚底泥固化强度的影响具有普遍参考意义。