張春雷,朱 偉,范公俊

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

在水利和水環(huán)境治理工程中會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥,這些淤泥通常含水率很高,經(jīng)過疏浚施工的擾動幾乎沒有強(qiáng)度[1].如何合理處置這樣的淤泥已經(jīng)成為關(guān)系工程建設(shè)順利進(jìn)行的瓶頸問題.在淤泥的各種處理方法中,固化資源化方法以其施工效率高、處理后的土可以用作填土資源的特點(diǎn),適合于大量產(chǎn)生淤泥的處理工程[2-3].由于疏浚淤泥含水率較高,加入水泥、石灰等固化材料固化以后,即使強(qiáng)度上滿足了工程的要求,但由于多余的水分要蒸發(fā)散失,就必然會引起土體的收縮和開裂問題,從而對固化淤泥的工程使用產(chǎn)生不利影響[4-5].

目前對于水泥、石灰等材料改良軟土收縮性的研究開展較多,如張登良等[6]對石灰、水泥及二者混合形成的半剛性材料的溫度收縮和干燥收縮規(guī)律進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗研究,提出了半剛性基層的收縮規(guī)律和通過改進(jìn)配比來減少收縮和開裂的方法.李立群等[7]對水泥穩(wěn)定集料基層的收縮抗裂性能進(jìn)行了研究,對水穩(wěn)類基層的收縮機(jī)理進(jìn)行了分析,提出了該材料的抗裂性的評價方法和抗裂措施.賀行洋等[8-10]也對水泥穩(wěn)定土的收縮性質(zhì)進(jìn)行了研究,認(rèn)為水泥水化反應(yīng)的體積減縮以及水泥水化作用消耗黏粒吸附水引起的收縮是水泥土收縮的主要原因,隨著水泥添加量的增加水泥土的收縮性呈增加的趨勢.已有研究成果大多是針對含水率較低軟土的加固收縮性質(zhì),而對于高含水率的淤泥經(jīng)過固化處理后的收縮規(guī)律研究還未見報道.本文通過收縮試驗對不同水泥添加量、不同養(yǎng)護(hù)齡期和不同淤泥初始含水率條件下固化淤泥的收縮規(guī)律進(jìn)行了試驗研究,以期為控制固化淤泥的收縮和由于收縮導(dǎo)致的開裂問題做一些探索.

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用的淤泥取自江蘇省無錫市五里湖疏浚淤泥堆放場,該淤泥的含水率為139%,密度為1.4g/cm3,相對體積質(zhì)量為2.65,孔隙比為3.41,液限為75%,塑限為32%,顆粒中大于粒徑75μ m的占20%,5～75μ m的占43%,小于5μ m的占37%,據(jù)此可以判定該泥為高液限黏土.試驗所用水泥為南京江南水泥廠生產(chǎn)的“鐘山牌”32.5級普通硅酸鹽水泥.

1.2 試驗方法

為了研究固化淤泥的收縮規(guī)律,對在不同水泥添加量、養(yǎng)護(hù)齡期和淤泥初始含水率下固化淤泥的收縮性質(zhì)進(jìn)行研究.試驗方案如表1所示,其中水泥添加量以水泥質(zhì)量占干土的百分比計.

表1 試驗方案Table 1 Test schemes

收縮試驗參照ASTM D4943—2002的方法[11]進(jìn)行.試樣為面積15.4cm2、高1.3cm的圓餅,體積為20cm3.首先按照設(shè)計配比將水泥和淤泥在容器中用調(diào)土刀混合攪拌10min后,將固化淤泥填入到按上述尺寸定制的有機(jī)玻璃模具中,并將模具和試樣一起放入養(yǎng)護(hù)箱(溫度20℃,濕度大于90%)中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),每個配比制作15個試樣.收縮試驗時將15個試樣在預(yù)定齡期全部取出放置于室內(nèi)通風(fēng)處敞開,每天取2個試樣測試不同失水狀態(tài)時的含水率和體積,最后一組試樣在體積不再收縮時進(jìn)行測定(根據(jù)預(yù)試驗,7d時試樣體積已經(jīng)穩(wěn)定).體積的測定采用蠟封法,測完體積后,剝?nèi)ハ瀸訙y定試樣的含水率.連接各不同含水率所對應(yīng)的體積即為收縮曲線.

圖1 天然黏土的收縮曲線Fig.1 Characteristic shrinkage curve of natural clay

根據(jù)土力學(xué)概念[12],天然黏土的收縮曲線如圖1中ABC線所示,AB段為線性收縮階段,水分的蒸發(fā)引起土樣同等體積的減小.BC為非線性收縮階段,水分蒸發(fā)的體積大于試樣體積的減小量.通常從體積穩(wěn)定的C點(diǎn)引水平線與AB段延長線的交點(diǎn)D點(diǎn)的含水率作為縮限ws.評價收縮性的指標(biāo)可以用縮限ws,AB線性段的斜率k、體縮率 δv來表示,δv的定義為[13]

式中:V0——試樣初始體積,cm3;Vd——試樣烘干體積,cm3.

2 固化淤泥的收縮規(guī)律

2.1 水泥添加量對收縮性的影響

針對初始含水率為139%的淤泥進(jìn)行了不同水泥添加量的固化收縮試驗(方案1),試驗結(jié)果如圖2所示,對圖2中的數(shù)據(jù)按照圖1中求縮限的方法可以求得不同水泥添加量時的縮限.從圖2可以看出,隨著含水率的降低,淤泥和水泥固化淤泥的體積都在減小,呈現(xiàn)出與天然黏土收縮相似的模式.對線性收縮段的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖2),可以得到

該段的收縮公式為

式中:V——試樣體積,cm3;k——線性收縮段斜率;w——含水率,%;ws——縮限,%.

圖2 不同水泥添加量下固化淤泥的收縮曲線Fig.2 Shrinkage curves of solidified sludge with different cement contents

對圖2中的縮限、體縮率、線性收縮段斜率進(jìn)行提取和計算,結(jié)果如表2所示.從表2可以看出,對于不同的水泥摻加量,當(dāng)水泥添加量低于20%時,固化淤泥的縮限隨著水泥添加量的增加而增長,水泥添加量高于20%以后,縮限反而隨著水泥添加量的增加而降低.隨著水泥添加量的增加,固化淤泥的體縮率和線性收縮段的斜率在降低,表明水泥添加量的增加對抑制收縮有利.這與低含水率水泥土中水泥添加量越大,收縮性越大的結(jié)論有顯著的差異.說明雖然固化淤泥與水泥土在固化機(jī)理上相似,但由于固化淤泥高含水率的特殊性質(zhì),其收縮主要由于水分散失引起,而水泥土的收縮主要是由于水泥水化所引起[8-9],因此固化淤泥具有了與水泥土不同的收縮性質(zhì),這在工程中有顯著的指導(dǎo)意義.

表2 不同水泥添加量下收縮試驗的相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters for shrinkage tests with different cement contents

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對收縮性的影響

利用含水率為139%的淤泥,對水泥添加量為20%時固化淤泥的收縮性質(zhì)隨齡期的變化規(guī)律進(jìn)行試驗(方案2),得到固化淤泥的收縮曲線,如圖3所示.對圖3的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析,可以得到不同水泥添加量時的縮限.從圖3可以看出,隨著含水率的降低,淤泥和水泥固化淤泥的體積都在減小,呈現(xiàn)出與天然黏土收縮相似的模式.對線性收縮段進(jìn)行擬合,可以得到該段的收縮公式(圖3),收縮公式的形式與式(2)相同.

對圖3中的縮限、體縮率、線性收縮段斜率等數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和計算,結(jié)果如表3所示.從表3可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,固化淤泥的縮限、體縮率和線性收縮段的斜率都在降低.這表明養(yǎng)護(hù)可以減小固化淤泥的收縮程度和收縮量,在工程中可以通過養(yǎng)護(hù)的方式來控制收縮.收縮隨齡期延長而減小是因為隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,固化淤泥中水泥的水化反應(yīng)程度進(jìn)一步加深,水泥水化產(chǎn)物的量越來越多,由于水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較強(qiáng),因此在水分蒸發(fā)時,水化產(chǎn)物支撐在土顆粒間減小了土顆?？拷某潭?因而對控制收縮有利.

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化淤泥的收縮曲線Fig.3 Shrinkage curves of solidified sludge with different curing periods

表3 不同齡期下收縮試驗的相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters for shrinkage tests with different curing periods

2.3 淤泥初始含水率對收縮性的影響

為了研究淤泥初始含水率對固化后收縮性的影響,將淤泥調(diào)配成4種不同的初始含水率(表1),水泥添加量固定為20%,在養(yǎng)護(hù)到7d時開始進(jìn)行收縮試驗(方案3),試驗結(jié)果如圖4所示.圖4中線性收縮段的公式也可以用式(2)表示.

對圖4中的縮限、體縮率、線性收縮段斜率等數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,結(jié)果如表4所示.從表4可以看出,隨著淤泥初始含水率的增加,固化淤泥的縮限和體縮率都在增加,而線性收縮段的斜率接近.這表明不同初始含水率下的固化淤泥,當(dāng)加入相同水泥量時,其收縮性相近.淤泥初始含水率越高,固化后的收縮性也越大.因此,通過降低淤泥初始含水率的方法也可以減小固化后的收縮.

圖4 不同淤泥初始含水率下固化淤泥的收縮曲線Fig.4 Shrinkage curves of solidified sludge with different initial water contents

表4 不同淤泥初始含水率下收縮試驗的相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters for shrinkage tests with different initial water contents

3 試驗結(jié)果分析

對比分析表2、表3和表4中體縮率分別與水泥添加量aC、齡期t和淤泥初始含水率w0的關(guān)系,可以得到以下關(guān)系式:

從式(3)～(5)可以看出,在試驗范圍內(nèi),水泥添加量、養(yǎng)護(hù)齡期和淤泥初始含水率都與體縮率呈線性關(guān)系.增加水泥添加量、延長養(yǎng)護(hù)齡期和降低淤泥初始含水率對控制收縮有利.影響收縮的最大因素從大到小分別是水泥添加量、養(yǎng)護(hù)齡期和淤泥初始含水率.結(jié)合前面的分析,要減小淤泥固化土的收縮有兩條途徑可以實(shí)現(xiàn):(a)減小淤泥的初始含水率,使淤泥收縮完成后再使用,這就要求對淤泥進(jìn)行脫水,屬于物理的方法;(b)利用一些填充物來抑制土顆粒的靠近,這些填充物可以是固化材料的水化產(chǎn)物,也可以人工加入一些能夠填充土顆粒間孔隙的物質(zhì),比如砂土等.而對于化學(xué)固化方法,能夠大量促進(jìn)水泥產(chǎn)物產(chǎn)生的材料都有利于減小淤泥固化后的收縮,比如石膏就可以促進(jìn)水泥更多地生成鈣礬石晶體來支撐土顆粒并降低顆粒間的孔隙[14].

4 結(jié) 論

a.對于不同水泥添加量、養(yǎng)護(hù)齡期和淤泥初始含水率,水泥固化后的收縮曲線形式上都與天然土相似,可以采用天然土求縮限的方法求取固化淤泥的縮限.

b.固化淤泥的收縮性隨著水泥添加量的增加而降低,這點(diǎn)與低含水率水泥土的收縮規(guī)律不同,說明對于高含水率的固化淤泥,其收縮主要是由于水分蒸發(fā)引起的.

c.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加和淤泥初始含水率的降低,固化淤泥的收縮性都會降低.

d.增加水泥用量、延長養(yǎng)護(hù)時間和降低淤泥初始含水率,都有利于減小固化后的收縮.

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