脱水泥饼与加气混凝土粉混合料的抗剪强度特性研究

王子昂，詹良通，刘超洋，黄勤，尧俊，刘茹

(1.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州，310058；2.深圳市特区建设发展集团有限公司，广东 深圳，518048；3.深圳市住房和建设局，广东 深圳，518031)

脱水泥饼是采用板框压滤机等机械设备对工程泥浆进行压滤脱水后形成的块状产物，含水率通常介于35%～50%之间，且细粒含量较多[1]。随着我国对城市地下空间建设的大力推进，工程泥浆产量急剧上升，可预见在未来几年内脱水泥饼产量将继续增加。由于目前对脱水泥饼的处置方式以堆填为主，而堆填体的稳定安全性主要受其力学特性影响，通常其含水率越高，粗粒含量越少，抗剪强度越低。因此，为提升脱水泥饼的堆填高度，避免性质较差的泥饼在堆填体内部形成软弱夹层造成的安全隐患，选取适当材料作为掺合料，对高含水率泥饼的力学特性进行研究，具有十分重要的工程意义。

大尺寸直剪试验由于具有弱化试样尺寸效应[2]、贴近工程实际[3]、可靠性高[4]等优点，得到了国内外众多学者[5-7]的关注，被广泛应用于试样剪切强度特性的研究，但目前对脱水泥饼力学特性的系统研究很少，较多研究集中在土石混填体方面。例如，徐文杰等[8]通过对虎跳峡地区土石混合体进行大型原位水平推剪试验，分析了试样强度参数在浸水前后的变化规律。李维树等[9]以三峡库区滑坡体为研究对象，基于直剪试验结果建立了试样抗剪强度参数与含水率的关系。杨继红等[10]通过对堆积体边坡开展大型直剪试验，发现试样剪切面形态及剪切强度与试样含石量密切相关。董云[11]基于大型直剪试验系统，研究了含水率、含石量和母岩性质等因素对试样抗剪强度的影响。赵明华等[12]通过控制单一变量，研究了试样级配参数及压实度对其抗剪强度的影响。杨继红等[13]则研究了含石量对试样抗剪强度和剪应力-剪切位移曲线的影响规律，发现随着含石量的增加，试样剪应力-剪切位移曲线将呈现出3 种不同模式。上述研究表明，适当的含石量能够显著提高土体材料的抗剪强度[13-15]。但若通过增加含石量以提升脱水泥饼堆填体的抗剪强度，不仅会造成建材资源浪费，而且会使泥饼消纳成本大大增加。

近年来，我国城市建筑固废产量急剧增加[16-17]。相比于纯土体，建筑固废含水率通常较低，而强度较高，按照适当比例将其与脱水泥饼进行混合堆填，不仅可以改善泥饼力学性能，而且可以在一定程度上解决建筑垃圾的处置问题。目前，已有较多学者[18-20]对砖混材料的再利用进行了研究，通过将破碎、分选后的砖混材料和土体混合，使得土体成为了类似土石混填体的材料，大大增加了其抗剪强度，证实了将其作为土体改性材料的可行性。然而，随着建筑材料向轻质、节能方向发展，工程建设中越来越多地将加气混凝土用作新型墙体材料[21]，建筑垃圾中加气混凝土材料的占比逐年增加，相关处置需求越发迫切。相较于砖混材料，加气混凝土密度更低，表面孔隙更多，吸水性更强，但由于对其抗剪强度特性的认识和研究仍明显不足，目前尚未发现将其作为土体改性材料进行利用的相关报道。

因此，针对上述问题，本文作者通过开展室内脱水泥饼与加气混凝土粉混合料大尺寸直剪试验，对纯泥饼和混合料试样的剪应力-位移关系进行研究；分析加气混凝土粉掺量、含水率和压实度等因素对试样不排水抗剪强度的影响规律，并揭示其变化机理；提出适宜深圳市高含水率泥饼的加气混凝土粉料掺量。通过本文研究，以期能为脱水泥饼的抗剪强度特性试验研究以及工程建设提供一定启示和参考。

1 试验设备、材料和方法

1.1 试验设备

采用浙江大学建工学院的Geotest S2450 大型直剪仪进行直剪试验，该仪器主要由剪切盒、加载系统和数据采集系统等组成。在试验过程中，固定直剪仪上剪切盒并利用水平加载系统匀速推动下剪切盒，使试样在均匀受力的条件下进行剪切。剪切盒内部长×宽×高为300 mm×300 mm×150 mm；加载系统包括水平加载系统和垂直加载系统，可实现加压、保压等功能；数据采集系统可以在剪切过程中实现对试样竖向压力、剪应力、剪切位移和竖向位移的采集记录。

1.2 试验材料

本文试验所用泥饼取自深圳市某脱水泥饼生产现场，是利用板框压滤机对工程渣土洗砂后的泥浆压滤脱水形成(见图1(a))。该脱水泥饼的相对密度、界限含水率、含水率等基本物理性质如表1所示。由于泥饼为块状结构，直接进行击实试验所得的试验结果离散性较大，因此，本文参照GB/T 50123—2019“土工试验方法标准”[22]首先将块状泥饼过5 mm筛碾碎，然后对过筛样品含水率进行调配，并对不同含水率下的样品在室内进行轻型击实试验，进而确定其最大干密度和最优含水率。

图1 试验材料Fig.1 Test materials

根据表1 可知，泥饼颗粒组成中细粒含量较高，砂粒含量较少。按照液塑限分类[23]，泥饼试样属于粉质黏土。本试验所用建筑固废材料为深圳市破碎、分选后的加气混凝土粉料(见图1(b))，相对密度为2.63，其颗粒级配曲线如图2所示。

表1 试验所用泥饼试样的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of dewatered slurry cake

图2 试验材料原始级配曲线Fig.2 Original grain-size distribution curves of test materials

由图2 可知，加气混凝土粉料粒径相对较大，但最大粒径仍在1 cm 之内。通过轻型击实试验得到不同加气混凝土粉掺量下泥饼试样的最优含水率wop和最大干密度ρdmax的关系如图3所示。

由图3可知：随着加气混凝土粉掺量增加，混合料试样最优含水率逐渐增大，最大干密度逐渐减小。这是由于加气混凝土粉颗粒内部及表面富含大量微细孔通道，随着其在混合料中占比增加，样品吸水性逐渐增大，导致试样最优含水率的升高[24]；又由于其密度和相对密度较低，导致试样最大干密度逐渐减小。

图3 不同加气混凝土粉掺量下试样的击实试验结果Fig.3 Compaction test results of samples with different autoclaved aerated concrete powder contents

1.3 试验方法

在快速堆填条件下，脱水泥饼堆填体内的孔隙水不能及时排出，外界竖向压力增加而孔隙水压力来不及消散。因此，本文利用大尺寸直剪仪进行快剪试验，模拟泥饼堆填体在快速堆填条件下的抗剪强度特性。本文共进行15 组直剪试验，主要用于探究加气混凝土粉、含水率及压实度对试样抗剪强度的影响，各试验工况见表2，其中，Z-1 为现场含水率试样；Z-2～Z-5，Z-10 和Z-13～Z-15 为按设计比例将加气混凝土粉掺入泥饼，并混合均匀后获得的试样；Z-6～Z-9 和Z～11～Z-12 为通过控制相应含水率及加气混凝土粉掺量制得的试样。试验设计了试样含水率处于最优含水率左侧、最优含水率以及最优含水率右侧3类工况。为保证剪切过程中所用试验材料的水分均匀分布，在进行剪切试验前，用防水密封膜将试验材料进行密封，并闷料24 h[25]。在快剪试验完成后，对Z-10～Z-12试样进行筛分析试验，取剪切面上、下各10 mm 厚试样，烘干后通过筛分定量统计剪切面的颗粒级配。

表2 直剪试验试验工况Table 2 Test conditions of direct shear test

在试样装填过程中，为保证试样压实度达到设计要求，本文将相应质量的试样分成3 层装填，并采用控制剪切盒内试样体积的方法[12]达到相应压实度。在试验过程中，竖向压力施加完成后马上进行剪切，试样剪切速率设定为4 mm/min。试样剪切完成后，若剪应力与剪切位移关系曲线存在峰值剪应力，则将其作为试样抗剪强度；若无明显峰值剪应力出现，则将剪切位移为试样边长1/10时的剪应力作为试样抗剪强度[22,26]。

2 试验结果与分析

2.1 纯泥饼的抗剪强度特性

定义试样压缩为正，膨胀为负。图4所示为快剪过程中纯泥饼试样(Z-1)的剪切测试曲线。由图4可知，纯泥饼试样剪应力随着剪切位移增加逐渐趋于平稳，表现为塑性发展型破坏，且不同竖向压力下的最大剪应力相差不大。

图4 纯泥饼试样剪切测试曲线Fig.4 Shear test curves of pure dewatered slurry cake

这是由于纯泥饼试样仅在试验初期(剪切位移15 mm 内)发生了剪缩现象，导致试样剪应力在剪切试验初期逐渐增加，但当其内部形成一条贯通的剪切面后便趋于稳定。又由于试样初始饱和度已接近饱和，并且剪切速度较快，在剪切过程中，试样的孔隙水压力难以及时消散，外界竖向压力增加而试样的有效应力基本不变；其不排水抗剪强度主要是细粒间的黏聚力提供，因此，在不同外界竖向压力下差别不大。

2.2 混合料的抗剪强度特性

2.2.1 破坏模式分析

从含有加气混凝土粉料的14 组试验中选出2组具有代表性的Z-5 和Z-9 试样的剪切测试曲线，如图5 所示。由图5 可知：在竖向压力200 kPa 试验中，Z-5试样表现为塑性发展型破坏，其余试验中均表现为软化型破坏；而在所有试验中Z-9试样均表现为硬化型破坏。这说明当加气混凝土粉掺量相同时，含水率对混合料的破坏模式有较大影响。

图5 Z-5和Z-9试样的剪切测试曲线Fig.5 Shear test curves of Z-5 and Z-9 samples

具体而言，低含水率试样颗粒间的摩擦较大，咬合作用较强，具有明显的剪胀趋势，但随着剪切的进行，颗粒间的咬合状态逐渐被破坏，导致剪应力在达到峰值后开始降低，宏观上表现为软化型破坏。然而，随着竖向压力增加，剪切过程中试样受到的限制越发显著，当竖向压力达到一定程度(如200 kPa)时，试样将不再具有明显剪胀趋势(与图4 中纯泥饼类似)，这导致软化破坏现象减弱，宏观上表现为塑性发展型破坏。高含水率试样的压缩性较大，在试验过程中持续剪缩，颗粒间摩擦作用逐渐增强，表现出试样的压硬性，故剪应力持续增加，表现为硬化型破坏。

2.2.2 颗粒破碎分析

图6 所示为Z-10，Z-11 和Z-12 试样剪切前后的颗粒级配曲线。由图6可知：混合料级配曲线在剪切后均有所上移，并且含水率越小、竖向压力越大，曲线上移幅度越高，说明剪切过程中发生了颗粒破碎，且破碎程度与竖向压力和含水率有关[25]。

图6 试验前后混合料的颗粒级配曲线Fig.6 Grain-size distribution curves of test materials before and after shearing

为分析竖向压力和含水率对颗粒破碎程度的影响规律，引入相对破碎率(Br)[27]指标对颗粒破碎程度进行表征，其计算公式为

式中，Bpi和Bpf分别为试验前后的颗粒级配曲线与粒径为0.074 mm竖线所围成的面积。

图7所示为颗粒相对破碎率Br与竖向压力P和含水率w之间的关系。

由图7可知，三者之间满足如下函数关系：

图7 相对破碎率与竖向压力和含水率的关系Fig.7 Relationship among Br,P and w

式中：a，b，c为试验参数，本文取值为a=0.002 2 kPa-1，b=0.473 2，c=0.063 7。根据式(2)可知，含水率越小，竖向压力越大，在剪切试验过程中，颗粒破碎程度越高。这是由于竖向压力越大，其对试样的约束作用越强，剪切时颗粒更难以通过转动和翻越行为避免其破碎；含水率越小，水对颗粒的润滑作用越弱，孔隙水压力越小，因此，在相同条件下也更易产生颗粒破碎现象。本文研究结论与刘新荣等[25]的研究结果一致。

2.2.3 抗剪强度变化分析

1) 掺量变化的影响。图8所示为不同加气混凝土粉掺量下试样不排水抗剪强度与竖向压力的关系。

图8 不同混合料试样的抗剪强度Fig.8 Shear strength of different mixture samples

由图8 可知，当竖向压力较低(如小于50 kPa)时，试样不排水抗剪强度与加气混凝土粉掺量间并无明显规律；但当竖向压力高于一定程度(如大于100 kPa)后，其随着加气混凝土粉掺量的增加而增加。这是因为在较低竖向压力时，试样不排水抗剪强度主要由黏聚力cU控制，而试样黏聚力cU与加气混凝土粉料掺量间的关系较为复杂(见图9)。一方面，随着加气混凝土粉掺量增加，试样颗粒间的嵌挤和咬合作用增强，其中某些嵌挤和咬合作用可导致黏结力增加；另一方面，随着加气混凝土粉掺量增加，试样细粒含量减少，细粒之间的黏结力又同时减小[12,28]。因此，当其掺量足够大时，可能出现掺加了强度较高的加气混凝土粉料，试样不排水抗剪强度反而降低的现象。

随着外界竖向压力增加，试样不排水抗剪强度逐渐转变为主要由内摩擦角φ控制，而内摩擦主要是由颗粒间滑动摩擦和咬合摩擦组成[28]。随着加气混凝土粉的掺入，试样的粗粒含量逐渐增加，颗粒间的嵌挤和咬合作用逐渐增强；试样含水率逐渐减小(见表2)，水对颗粒间的润滑作用减弱，颗粒间的滑动摩擦变大，因此，试样内摩擦角始终随着加气混凝土粉掺量增加而增加(见图9)。

图9 粉料掺量与试样抗剪强度指标的关系Fig.9 Relationship between autoclaved aerated concrete powder content and shear strength parameters

2) 含水率变化的影响。以压实度80%下快剪试验为例，绘制混合料试样不排水抗剪强度与竖向压力的关系，如图10所示。

图10 不同含水率下混合料试样的抗剪强度Fig.10 Shear strength of samples with different water contents

由图10 可知：随着含水率增加，混合料不排水抗剪强度逐渐减小，并表现出强度非线性特征。这主要是因为当含水率较高时，受孔隙水压力影响，外界竖向压力不能完全转化为有效应力；同时，水对颗粒的润滑作用使得高含水率试样更不易发生剪胀(见图5)、颗粒破碎(见图7)现象，而剪胀和颗粒破碎均需要剪应力做功提供能量[28]，因此，随着含水率增加，混合料不排水抗剪强度逐渐降低。

为更直观体现含水率因素对混合料抗剪强度特性的影响，利用图10 中拟合得到的强度参数，绘制含水率与试样抗剪强度指标的关系曲线，如图11所示。

图11 含水率与试样抗剪强度指标的关系Fig.11 Relationship between water content and shear strength parameters

由图11 可知：当试样含水率低于最优含水率时，内摩擦角变化较小；当含水率高于最优含水率时，内摩擦角显著降低。FERREIRA 等[29]在试验中也发现了类似现象。本文认为这可能与压实土体的微观结构在最优含水率前后存在差异有关[28]：当含水率低于最优含水率时，压实土体的颗粒排列以絮凝结构为主体，土粒间以角-面、边-面和边-边等方式任意排列，粒间摩阻力较大，试样内摩擦角较高；当含水率高于最优含水率时，压实土体的颗粒排列方式转变为以分散结构为主体，土粒间以面-面接触为主，粒间摩阻力较小，试样内摩擦角显著降低。

3) 压实度变化的影响。随着压实度增加，试样干密度将逐渐变大，颗粒间的接触更加充分，导致土体破坏所需的剪应力变大。因此，工程中常采用增加压实度的方法提升土体抗剪强度。图12所示为不同压实度下混合料试样(含水率及粉料掺量相同)不排水抗剪强度与竖向压力的关系。

根据图12 可知，随着压实度增加，混合料不排水抗剪强度逐渐增加；材料内摩擦角和黏聚力均呈现增加趋势，但在压实度超过90%后，材料内摩擦角的增加速率明显减缓(见图13)。考虑到经济性，建议在试样压实度超过90%后，不应再以增加压实度的方法提高其抗剪强度。

图12 不同压实度下混合料试样的抗剪强度Fig.12 Shear strength of samples with different compaction degrees

图13 压实度与试样抗剪强度指标的关系Fig.13 Relationship between compaction degree and shear strength parameters

2.3 抗剪强度影响因子回归分析

土体抗剪强度往往由多个因素共同影响决定，试验表明：降低试样含水率(Z-5和Z-7～Z-9工况间对比)、增加试样中加气混凝土粉料掺量(Z-6和Z-7工况对比)和提升试样压实度(Z-3和Z-13～Z-15工况间对比)均有利于提高其抗剪强度。为分析上述各因素对泥饼试样抗剪强度的影响程度，本文以含水率X1、加气混凝土粉料掺量X2、压实度X3为自变量，以不排水抗剪强度Y为因变量，在对试验数据进行归一化处理的基础上，基于Matlab 进行多元线性回归分析[12]：

其中，β0、β1、β2、β3为回归系数，取值见表3。

表3 多元线性回归模型参数Table 3 Parameters of multiple linear regression model

根据表3中各自变量回归系数可知，在竖向压力较低时(≤150 kPa)，各因素对试样抗剪强度影响从大到小的顺序依次为压实度、含水率、加气混凝土粉料掺量；但随着竖向压力增加，各因素对试样抗剪强度影响从大到小变为含水率、压实度、加气混凝土粉料掺量，即在较高外界荷载作用下，降低试样含水率是提升其不排水抗剪强度的最有效方法。

3 讨论

为保证渣土堆体的稳定安全，我国相关规范明确禁止含水率超过40%的余泥渣土未经处理直接进入消纳场[30]，而目前实际工程中脱水泥饼含水率多介于35%～50%之间[1]，即在当前压滤工艺下，相当大部分的脱水泥饼无法满足进场要求。

此外，在渣土堆填过程中，工程上通常需要进行压实处理以提升其稳定安全性，但在较高或较低含水率下压实均不利于堆填体的长期稳定安全。这是由于当含水率较高时，渣土堆填体通常无法达到设计压实度，且试样抗剪强度较低；若在含水率较低的情况下压实，则堆填体(高细粒含量)在经历水分浸入后易发生明显的体积膨胀，且初始含水率越低，膨胀率越大[31]。为解决上述问题，本文提出将加气混凝土粉作为掺合料提高高含水率脱水泥饼抗剪强度(同时降低其含水率)的方案。结合本文试验，绘制混合料含水率和加气混凝土粉掺量的关系曲线，如图14所示。

图14 不同加气混凝土粉掺量下的试样含水率Fig.14 Water content of sample with different autoclaved aerated concrete powder contents

由图14 可知，随着加气混凝土粉掺量增加，混合料含水率逐渐降低。在满足泥饼进场要求的基础上，为进一步保证填土压实效果，结合美国相关规范建议，确定适宜含水率范围为(wopt-2%)～(wopt+4%)[32]，对应加气混凝土粉掺量为27%～36%。考虑到随着加气混凝土粉掺量的增加，尽管混合料试样强度有所提升，但同条件下必然将导致泥饼消纳量减少。因此，本文建议加气混凝土粉掺量为30%。

4 结论

1) 高含水率脱水泥饼中细粒含量较高(＞75%)，其不排水抗剪强度包络线近似为水平直线。加气混凝土粉料的掺入不仅可增加试样的粗粒料含量，而且可降低试样含水率，能够显著提升其在较高应力下的不排水抗剪强度。

2) 混合料颗粒级配曲线在剪切后有所上移，说明剪切过程中发生了颗粒破碎现象。颗粒相对破碎率与含水率和竖向压力间满足二元函数关系，且含水率越小、竖向压力越大，颗粒破碎程度越高。

3) 水对混合料抗剪强度具有软化作用，并且在最优含水率右侧时，含水率变化对试样内摩擦角的影响更大，该现象与压实土体的微观结构在最优含水率前后存在差异有关：在最优含水率左侧，压实土体的颗粒排列以絮凝结构为主；而在最优含水率右侧，压实土体的颗粒排列方式以分散结构为主。

4) 试样不排水抗剪强度随着压实度增加而增加，但在压实度超过90%后，增加趋势明显减缓。对于深圳市含水率约42%的脱水泥饼，建议将加气混凝土粉掺量设定为30%，此时，试样内摩擦角约为28°(压实度为80%)，且试样含水率处于最优含水率附近。