疏浚淤泥固化强度特性研究及效果评价

徐远杰，田 充，史燕南，张 瑞，胡晓明

(1. 中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611730；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310000；3. 浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310000)

浙江沿海发展迅速，城市建设加速推进，推进过程中产生的大量疏浚淤泥，直接抛弃或堆填处理不利于浙江的发展。淤泥处理处置并非易事，常见的疏浚淤泥，含水率高、孔隙比大、可压缩性高、固结排水困难，一般呈流动状态，不仅不便于运输，而且不利于后续的资源化利用，因此常采用物理排水或化学固化处理，然而固化处理工艺相对复杂、成本高昂[1]。

针对上述问题，众多国内外学者对固化剂选择、强度特性、水分转化等多方面进行了大量的研究[1-7],发现含水率是影响淤泥加固效果的关键因素。其中，甘雅雄等[3]对太湖清淤淤泥进行固化研究，探讨了固化淤泥水分转化、早期强度等特性，发现矿物水变化量与抗压强度基本呈线性关系；章荣军等[8-9]、王文军等[10]、丁建文等[11]采用水泥对高液限、高含水率淤泥进行固化处理，提出了淤泥强度预测模型；郑少辉等[12]对不同水灰比水泥固化土的强度进行归一化处理，解决部分因为黏土类型不同引起的强度模型变异问题，同时表明水灰比不是影响固化土强度的唯一参数。因此，不同类型黏土、不同类型固化剂的强度特性并不完全相同。

基于目前对固化土强度特性的研究仍没有统一定论[12]，单纯依靠增加固化剂掺量或减少含水率来提高固化土抗压强度不够经济合理等问题，笔者针对温州沿海的吹填淤泥进行固化试验，分析其抗压强度、密度与固化剂掺量、水灰比的关系，并通过效果/费用等方式分析固化合理性，为后期淤泥固化设计施工提供理论指导。

1 试验方案

本文固化试验的材料主要由温州沿海吹填淤泥土和CIF固化剂组成。

1.1 试验材料

1.1.1 试验淤泥土

淤泥的粒度、含水率是反映底泥物理性质的主要指标，含水率高低和粒度与固化剂选型有非常密切的关系。笔者对疏浚淤泥的含水率、颗分、液塑限等参数进行检测分析。

土样取自温州沿海吹填淤泥，经测试，淤泥含水率为68.8%，湿密度为1.62 g/cm3，干密度为0.96 g/cm3，液限37.1%，塑限22.8%，粒径小于0.005 mm土粒含量为37.2%，粒径为0.075～0.005 mm的土粒占62.8%，凝聚力为12 kPa，摩擦角为13.8°，pH值为7.2。

1.1.2 固化剂

一般情况下，疏浚淤泥的含水率高，孔隙比大，可压缩性强，强度低，需要引入高吸水性、高膨胀性的材料，产生水化反应，并填充于土颗粒或土团粒孔隙间，提高土体密实性，从而提高强度。淤泥固化属于土壤固化范畴，固化剂种类非常丰富，常用的有水泥、石灰、粉煤灰等无机类胶凝材料，因此确定42.5硅酸盐水泥、二级粉煤灰、石灰(CaO≥75%)、三乙醇胺等材料为本文的主要固化剂(CFL)。

1.2 试验方法

将淤泥风干、碾碎、过2 mm筛备用。淤泥固化的具体操作步骤如下：1) 准备试模,将5 cm×5 cm×5 cm的三联试模擦净，四周刷一薄层润滑油；2) 准备泥样,称一定质量淤泥，调节成为目标含水率的淤泥，搅拌均匀备用；3) 固化土拌合,固化剂CFL采用干拌方式，分三层平铺于泥样，搅拌3～5 min至均匀；4) 成型，分三层置入试模，每层振动60下，每个配比做6 个平行试样；5) 养护，试件成型完毕，用湿布覆盖表面，以防水分蒸发。在室温为20 ℃左右静置1 d脱模后放入养护箱进行标准养护。

1.3 固化方案

含水率、固化剂的掺量等与固化土的强度、稳定性有着密不可分的关系，一般情况下，含水率越高，固化剂的最佳掺量越大[13-14]。淤泥固化土配比方案具体如表1所示，疏浚淤泥的初始含水率初步定为70%至110%，为液限的1.89倍至2.96倍，固化剂的掺量为5%至20%，其中，固化剂掺量的百分比以干土质量为基准。

表1 固化土配比方案

2 结果分析与讨论

2.1 初始含水率对无侧限抗压强度的影响

由图1和图2可知，相同固化剂掺量时，无论7 d强度还是28 d强度，与初始含水率呈反比，均随着含水率的增加而逐渐降低；初始含水率从70%增至110%，含水率增长了约1.6倍，强度降低为初始含水率=70%时的20%～30%，说明淤泥初始含水率对强度的影响较大。固化剂的掺入可以通过物理吸水、化学反应转化水和水化产物作用等3种方式增加固化土的强度，从图中可以了解，初始含水率增大，固化剂掺入对强度增长影响减小，无侧限抗压强度差值缩小，理论上水分越多，水化反应会越充分，水化产物也会越多。但当固化土中存在大量自由水时，单位体积内水占比也就增多，水化产物占比相应减少，导致固化剂的掺入不能构成有效的骨架结构，因此对强度贡献减弱。

图1 7 d强度与初始含水率关系图

图2 28 d强度与初始含水率关系图

2.2 CFL掺量对无侧限抗压强度的影响

图3和图4为无侧限抗压强度与CFL掺量的关系图，对于该吹填淤泥，其固化土的强度随着固化剂掺量的增加而增大，两者呈正比关系，当含水率为70%、固化剂掺量为5%时，7 d无侧限抗压强度为100.8 kPa，而固化剂掺量增加到20%时，其7 d无侧限抗压强度增加了1.8倍，达到281.7 kPa；28d无侧限抗压强度增长了2.28倍。

图3 7 d强度与固化剂掺量关系图

图4 28 d强度与固化剂掺量关系图

含水率小于90%时，7 d和28 d无侧限抗压强度的增长与CFL掺量增长基本上呈现线性关系，表达式见公式(1)。当含水率超过90%，其线性相关性稍差，主要由于固化土的微观组织结构特性，固化剂在土中的水化产物向土颗粒或土团粒之间的孔隙聚集，当掺量较小时，CFL固化土的pH值较小，不足以对固化土提供强碱环境而激发固化剂发生火山灰反应，水化产物无法形成骨架结构，从而导致强度增长缓慢；随着掺量的增加，固化土的pH值也相应增加，在强碱环境下部分活性氧化硅和活性氧化铝开始发生火山灰反应，此时形成胶结产物明显增多，强度增长速率加快[15]，在黏土颗粒间形成了有效的骨架结构，导致固化土强度增加。

fcu=kAc+b

(1)

式(1)中：fcu为无侧限抗压强度，kPa；k,b取决于土性与固化剂掺量的经验系数(表2)；Ac为固化剂掺量，%。

表2 不同含水率固化土的经验公式拟合常数(fcu-Ac)

2.3 CFL掺量对固化土湿密度的影响

对28 d龄期固化土进行密度测试(图5)，研究发现，固化土密度随着含水率增加而降低，在同一含水率下，固化土密度与固化剂掺量呈二次函数关系。从表3可以看出，式(2)对不同含水率情况的固化土密度适应性较好，拟合系数基本在0.8～0.99，拟合性较好。

图5 28 d湿密度与固化剂掺量关系图

(2)

式(2)中：ρ为固化土密度,g/cm3；k1，k2，c分别为固化土密度与掺量的经验系数(表3)。

表3 不同含水率固化土的经验公式拟合常数(ρ-Ac)

2.4 水灰比对无侧限抗压强度的影响

已有研究表明，水灰比w/Ac是影响固化土的重要控制参数，因此采用w/Ac来研究固化土的无侧限抗压强度，得到强度预测公式,即

fcu=λ/(w/Ac)μ

(3)

式(3)中：λ，μ分别取决于土性与水灰比的经验系数(表4)；w为固化土含水率，%；Ac为固化剂掺量，%。

从图6和图7可以看出，整体上，强度与水灰比w/Ac呈现非线性关系，水灰比w/Ac越大，强度越低；含水率为70%和80%时，公式(2)能较好的描述CFL固化土7 d强度和28 d强度，拟合系数R2基本大于0.9；当CFL固化土含水率为90%和100%时，28 d强度与水灰比的相关性更强，具体参数如表4所示。

图6 7 d强度与水灰比关系图

图7 28 d强度与水灰比关系图

表4 不同含水率固化土的经验公式拟合常数(fcu-w/Ac)

3 淤泥固化效果评价

为了后期现场固化试验，仅仅考虑强度并不能满足实际需求，因此将成本、固化性能一起综合考虑作为下阶段的筛选条件。CFL固化土的效果费用比反映在相同成本下的淤泥固化效果。一般现场固化试验采用7 d强度作为参考标准，因而笔者将计算CFL固化土的7 d强度与成本的比值(表5和图8)。从结果中可以了解，相同掺量下，当含水率低于90%时，效果费用比俱佳；当含水率超过90%时，不同含水率、不同掺量的效果费用比差异性缩小，间接说明高含水率淤泥处理时，达到相同效果费用比时的固化成本高，固化处理性价比降低。根据各含水率的CFL固化土效果费用比可以了解到，掺量的增加对效果增加不明显，总体上呈现下降趋势，因此对于吹填地基固化处理现场，当固化土含水率为70%～80%、CFL固化剂掺量为5%～8%时，性价比最优；当含水率超过90%时，除特定应用场景外，一般不推荐直接添加固化剂。

表5 7 d无侧限抗压强度与费用关系

图8 7 d无侧限抗压强度与成本关系图

4 结 论

基于室内试验，研究了7 d和28 d龄期的淤泥固化土与固化剂掺量、初始含水率关系，主要得到以下结论：

1) 7 d和28 d龄期固化土的无侧限抗压强度与固化剂掺量呈正比，与初始含水率呈反比。

2) 初始含水率对各类固化土强度影响显著，初始含水率增加导致固化土中单位体积水化产物减少，强度降低。当初始含水率为70%和80%时，强度与固化剂掺量线性相关性较好；当初始含水率超过90%时，其线性相关性稍差。

3) 各类固化土强度与水灰比w/Ac呈幂次函数关系，当初始含水率为70%和80%时，7 d龄期和28 d龄期的固化土强度与水灰比w/Ac函数关系拟合较好；当含水率超过90%时，28 d龄期的相关性更强。

4) 各类淤泥固化土效果费用比均大于1，处理效果良好，尤其对于含水率小于90%的固化土处理效果更为突出；在满足现场固化土处理强度目标前提下，当含水率低于90%时，固化剂掺量为5%～8%的性价比最优。