劉文白，張恩槐

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

木質(zhì)素固化疏浚土的壓縮特性研究

劉文白，張恩槐

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

為研究木質(zhì)素固化疏浚土的壓縮性狀，對(duì)固化疏浚土進(jìn)行了多組不同配比下的木質(zhì)素固化土壓縮試驗(yàn)。通過(guò)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)以及無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，研究了木質(zhì)素固化土以及木質(zhì)素水泥雙摻固化土的壓縮性狀，探討了固化材料摻量、齡期等對(duì)固化土壓縮特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：木質(zhì)素固化土的最優(yōu)摻量為10%，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到8.6 MPa。木質(zhì)素固化疏浚土與水泥土類似，二者的壓縮曲線都有一個(gè)明顯的結(jié)構(gòu)屈服點(diǎn)。當(dāng)上部所加荷載未達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，固化土的壓縮性很小，而當(dāng)荷載超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力以后固化土的壓縮量比未達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前增大了3倍。木質(zhì)素水泥雙摻固化土隨著二者摻量的增加，抗壓強(qiáng)度有顯著的提升，25%木質(zhì)素?fù)搅康墓袒了鄵搅繌?0%增加到30%后土體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了8.9倍，最為明顯。研究結(jié)果可為實(shí)際工程中木質(zhì)素固化土強(qiáng)度提供數(shù)據(jù)參考。

固化疏浚土；木質(zhì)素?fù)搅浚粔嚎s試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力；雙摻技術(shù)

1 研究背景

在海洋、航道以及湖泊的建設(shè)、清淤過(guò)程中都要產(chǎn)生大量的疏浚土，固化處理是其再生資源化中較為成熟的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外常采用再生資源化處理技術(shù)將疏浚土轉(zhuǎn)化為可以再生利用的土工材料[1]。

Puppala等[2]對(duì)木質(zhì)素混合硫酸鹽改良黏性土的強(qiáng)度、彈性模量和膨脹性等基本特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明固化土與素土相比，其工程特性有顯著提高。Vinod等[3-4]研究了木質(zhì)素固化分散性土的應(yīng)力-應(yīng)變特性，并對(duì)其抗侵蝕性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素在提高土體抗侵蝕能力方面與水泥等傳統(tǒng)固化劑類似，隨著摻量增加，土體產(chǎn)生侵蝕的臨界剪切應(yīng)力逐漸增大，侵蝕系數(shù)逐漸減小。姚穆等[5]和邱學(xué)青等[6]對(duì)木質(zhì)素的開發(fā)和利用進(jìn)行了廣泛的研究，劉松玉等[7-8]對(duì)木質(zhì)素加固后土體的強(qiáng)度變化進(jìn)行了一系列的研究和試驗(yàn)。

本文為了探討木質(zhì)素固化土的壓縮性質(zhì)，進(jìn)行了一系列室內(nèi)壓縮試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)固化疏浚土的壓縮試驗(yàn)，研究了固化材料的摻入量、齡期對(duì)木質(zhì)素固化土的壓縮特性以及結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的影響。

2 壓縮及固結(jié)試驗(yàn)方案

2.1 固化土配比設(shè)計(jì)

本文壓縮試驗(yàn)的對(duì)象是木質(zhì)素固化疏浚土。疏浚土來(lái)自于上海市臨港新城地區(qū)的吹填土，基本土性指標(biāo)見表1，屬粉土；木質(zhì)素為粉末狀木質(zhì)素磺酸鹽。

表1 疏浚土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of dredging soil

木質(zhì)素固化土的配比設(shè)計(jì)主要為了得出不同的木質(zhì)素?fù)搅肯履举|(zhì)素固化疏浚土的抗壓曲線，從而得到最優(yōu)的木質(zhì)素?fù)搅俊＿M(jìn)行了下列9種木質(zhì)素?fù)搅?，見?。考慮到實(shí)際工程中施工進(jìn)度的要求，其中取木質(zhì)素?fù)搅繛?5%和20%的木質(zhì)素固化土分別進(jìn)行7，14，21，28 d齡期的無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，以便為實(shí)際工程中木質(zhì)素固化土早期強(qiáng)度提供數(shù)據(jù)參考。

木質(zhì)素與水泥雙摻固化土中的水泥選取P.O 42.5海螺牌水泥，選取了木質(zhì)素?fù)搅繛?0%和25%的木質(zhì)素固化土再摻加水泥，具體配比見表3。

表2 固化疏浚土木質(zhì)素?fù)搅縏able 2 Contents of lignin in solidified dredging soils

注：摻量指質(zhì)量百分比，下同。

表3 木質(zhì)素水泥雙摻固化疏浚土摻量配比Table 3 Proportions of cement and lignin mixed in solidified dredging soil

雙摻固化土的摻量高于工程實(shí)際較多，應(yīng)用價(jià)值較小，旨在得出木質(zhì)素水泥雙摻固化土的抗壓強(qiáng)度隨摻量變化的曲線特征。

2.2 制樣方法及試驗(yàn)儀器

由于最初的疏浚土的含水率較低，無(wú)法與木質(zhì)素充分?jǐn)嚢杈鶆虿⒅瞥蔁o(wú)側(cè)限壓縮試樣，因而將木質(zhì)素固化土的含水率統(tǒng)一配制成25%。將攪拌均勻的木質(zhì)素固化土澆入100 mm×100 mm×100 mm的混凝土模具中，待其凝固成形以后進(jìn)行脫模，脫模后的木質(zhì)素固化土試樣如圖1所示。注意事先在模具中涂抹薄薄的一層凡士林，以防在脫模時(shí)對(duì)固化土樣產(chǎn)生擾動(dòng)，盡量保持土樣的原有結(jié)構(gòu)。然后將固化土放入溫度為20 ℃、濕度為95%以上的養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，到設(shè)定齡期以后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)采用TYE-2000A型壓力試驗(yàn)機(jī)(圖2)進(jìn)行。

木質(zhì)素與水泥雙摻固化疏浚土在攪拌均勻以后采用環(huán)刀制樣，之后連同環(huán)刀一起放入溫度為20 ℃、濕度為95%以上的養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，到設(shè)定齡期以后進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。

圖1 木質(zhì)素固化疏浚土試樣
Fig.1 Dredgingsoilspecimensolidifiedbylignin

圖2 壓力試驗(yàn)機(jī)
Fig.2 Pressuretestingmachine

圖3 木質(zhì)素?fù)搅颗c抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between lignin content and compressive strength

3 木質(zhì)素固化疏浚土的壓縮曲線及分析

為了得到木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強(qiáng)度與木質(zhì)素?fù)搅康年P(guān)系，無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)的土樣全部采用養(yǎng)護(hù)28 d之后的土樣，使用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，所得到的關(guān)系曲線見圖3。

由圖3可以看出：木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強(qiáng)度有一個(gè)明顯的峰值，在木質(zhì)素?fù)搅?0%處木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強(qiáng)度最大，為8.6 MPa。當(dāng)摻量達(dá)到20%時(shí)抗壓強(qiáng)度為6.1 MPa，此后抗壓強(qiáng)度有明顯的下滑，而在25%以后抗壓強(qiáng)度的下降趨勢(shì)又趨于平緩，最終30%摻量的木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強(qiáng)度為1.8 MPa。

由此可以看出：對(duì)于該種粉土添加木質(zhì)素可以顯著地提升土體的抗壓強(qiáng)度，但是當(dāng)木質(zhì)素?fù)搅砍^(guò)一定量以后抗壓強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯的回落，因此該粉土木質(zhì)素?fù)搅?0%為最優(yōu)摻量。

在探討?zhàn)B護(hù)天數(shù)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系時(shí)，選取木質(zhì)素?fù)搅繛?5%和20%的固化疏浚土，分別測(cè)得養(yǎng)護(hù)天數(shù)為7，14，21，28 d的抗壓強(qiáng)度，所得的結(jié)果見圖4。

圖4 養(yǎng)護(hù)齡期與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.4 Relationshipbetween curing age and compressive strength

由圖4可以看到：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，木質(zhì)素固化疏浚土的抗壓強(qiáng)度有明顯的提高，強(qiáng)度提高幅度與木質(zhì)素?fù)搅康亩嗌俨o(wú)關(guān)系，曲線隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化基本趨于線性。木質(zhì)素?fù)搅?5%的固化疏浚土抗壓強(qiáng)度在開始7 d齡期時(shí)為3.5 MPa，28 d后增長(zhǎng)為7.5 MPa；木質(zhì)素?fù)搅?0%的固化疏浚土抗壓強(qiáng)度在開始7 d齡期時(shí)為2.9 MPa，28 d后增長(zhǎng)為6.1 MPa。通過(guò)比較會(huì)發(fā)現(xiàn)28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度大約可以達(dá)到7 d時(shí)抗壓強(qiáng)度的2倍。

4 木質(zhì)素固化疏浚土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力

4.1 結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的確定

圖5 木質(zhì)素?fù)搅?0%的ln(1+e)-p雙對(duì)數(shù)曲線Fig.5 Double logarithmic curve of ln(1+e) vs. p with lignin content of 30%

丁建文等[9-11]通過(guò)對(duì)疏浚土中摻入水泥及磷石膏的方法來(lái)提高疏浚土的工程特性，并通過(guò)ln(1+e)(e為孔隙比)曲線得出了雙摻固化疏浚土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。下面采用同樣的方法對(duì)木質(zhì)素固化疏浚土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)曲線如圖5所示。

由圖5可以觀察出在固結(jié)試驗(yàn)中，隨著壓力增加，ln(1+e)曲線在固結(jié)應(yīng)力為2 400 kPa時(shí)有一個(gè)突然的轉(zhuǎn)折，該轉(zhuǎn)折點(diǎn)處所加的應(yīng)力大小即為結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。該結(jié)果與很多水泥土的表現(xiàn)相類似，壓縮曲線初始很平緩，而當(dāng)壓力超過(guò)了某一值以后固化土的孔隙比急劇縮小，結(jié)構(gòu)壓縮性增長(zhǎng)速度比未達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前增大了3倍，因此在結(jié)構(gòu)屈服前后固化土的性質(zhì)發(fā)生了很大的變化。這對(duì)于實(shí)際工程的危害性很大，不易察覺，極易在超過(guò)了屈服應(yīng)力以后，固化土發(fā)生大變形破壞，造成很大損失。

按照傳統(tǒng)的Casagrande方法所繪制的e-p曲線的最小曲率難以確定，本文借鑒了Butterfield的ln(1+e)-p雙對(duì)數(shù)法，壓縮曲線可以很好地用2段直線表示出來(lái)，而得到的交點(diǎn)即為結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。

圖6 木質(zhì)素固化疏浚土的水泥摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between cement content and compressive strength of dredging soil solidified by lignin

4.2 影響結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的因素

由于木質(zhì)素固化疏浚土在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力前后的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了極大變化，因此討論影響木質(zhì)素固化疏浚土結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的因素是十分有必要的。對(duì)水泥摻量這一影響因素進(jìn)行分析時(shí)采用的是28 d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，對(duì)其進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線見圖6。

圖6為分別選取木質(zhì)素?fù)搅?0%，25%的木質(zhì)素固化疏浚土，對(duì)其分別加入摻量10%，20%，30%的水泥得到的關(guān)系曲線。木質(zhì)素?fù)搅?0%時(shí)水泥摻量從10%增加到30%，固化土的抗壓強(qiáng)度從7.9 MPa增長(zhǎng)到11.7 MPa，增長(zhǎng)了50%；而木質(zhì)素?fù)搅?5%時(shí)水泥摻量從10%增加到30%，固化土的抗壓強(qiáng)度從2.2 MPa增長(zhǎng)到21.9 MPa，增長(zhǎng)了近9倍，非常明顯，當(dāng)木質(zhì)素?fù)搅?5%時(shí)，增加水泥摻量對(duì)固化土強(qiáng)度提高更為有效。

通過(guò)對(duì)圖6中2條曲線進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素?fù)搅?0%的曲線增長(zhǎng)比較緩慢，而木質(zhì)素?fù)搅?5%的曲線增長(zhǎng)比較迅速。猜測(cè)是由于木質(zhì)素磺酸鹽在土體空隙液中首先水解出高價(jià)陽(yáng)離子，并與土中低價(jià)的陽(yáng)離子置換，土顆粒表面雙電層厚度減小，土層間距減小，由于土顆粒表面帶有一定量的負(fù)電荷，帶正電的有機(jī)大分子被吸引至土顆粒表面形成膠結(jié)物質(zhì)并填充孔隙，使土顆粒間以摩擦聯(lián)結(jié)以及物理聯(lián)結(jié)2種方式聯(lián)系起來(lái)[7]。水解以后的木質(zhì)素與水泥反應(yīng)，生成產(chǎn)生體積膨脹的物質(zhì)，使土顆粒更加密實(shí)，從而達(dá)到更好的固結(jié)效果。因而，木質(zhì)素?fù)搅吭谔砑铀噙@一因素下對(duì)結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力有較大的影響。木質(zhì)素?fù)搅?5%時(shí)水泥摻量從10%增加到30%，固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)了8.9倍，有效提高了材料強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

(1) 木質(zhì)素固化疏浚土存在最優(yōu)木質(zhì)素?fù)搅?，?dāng)處于最優(yōu)摻量之前抗壓強(qiáng)度處于上升趨勢(shì)，而超過(guò)了最優(yōu)摻量10%以后抗壓強(qiáng)度從8.6 MPa下降到1.8 MPa，30%摻量時(shí)的固化土抗壓強(qiáng)度只有10%摻量時(shí)的20%。

(2) 固結(jié)試驗(yàn)表明，木質(zhì)素固化疏浚土存在明顯的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，在荷載未達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的時(shí)候，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好；當(dāng)荷載超出了結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)壓縮性增長(zhǎng)速度比未達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前增大了3倍，從而當(dāng)壓力超出了結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力以后固化土的破壞嚴(yán)重。

(3) 木質(zhì)素水泥雙摻固化疏浚土中水泥摻量從10%增長(zhǎng)到30%時(shí)，木質(zhì)素?fù)搅繛?0%的固化土抗壓強(qiáng)度提升只有50%，而木質(zhì)素?fù)搅?5%的固化土抗壓強(qiáng)度提升8.9倍，可見木質(zhì)素?fù)搅?5%時(shí)摻入水泥對(duì)固化土強(qiáng)度提升更加明顯。推測(cè)是由于木質(zhì)素水解后與水泥發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了可以填密土顆粒孔隙的物質(zhì)，從而使固化土抗壓強(qiáng)度提高。

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(編輯：羅 娟)

Compression Characteristics of Dredging Soil Solidifiedby Lignin

LIU Wen-bai，ZHANG En-huai

(School of Marine Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Compression tests of dredging soil solidified by different contents of lignin were conducted to study the compression characteristics. Through indoor consolidation tests and unconfined compression tests, the compressive properties of soil solidified by lignin and cement-lignin were studied. The effects of solidifying material content and curing age on the compressive properties of solidified soil were investigated. Test results showed that the optimum content of lignin was 10% and the compressive strength reached 8.6 MPa. Dredging soil solidified by lignin is similar to cement soil in an obvious structural yield point of their compression curves. The compressibility of the solidified soil is very small when the upper load has not achieved structural yield stress; while the compressive capacity is three times larger when the load exceeds the structural yield stress. With the increase of lignin and cement contents, the compressive strength of soil solidified by cement and lignin has significantly improved. With the cement content of dredging soil with 25% lignin increasing from 10% to 30%, the compressive strength increased by 8.9 times, of which the increase was the most obvious. The research results provide data reference for the strength of soil solidified by lignin in practical engineering.

solidified dredging soil; lignin content; compression test; structural yield stress; double mixing technique

2016-01-19；

2016-01-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51078228)；國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201105024-5)；2013年上海市研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃實(shí)施項(xiàng)目(20131129)

劉文白(1955-)，男，山東濟(jì)寧人，教授，博士，主要從事巖土工程和港口結(jié)構(gòu)工程方面的研究，(電話)13818256956(電子信箱)liuwb8848@163.com。

張恩槐(1992-)，男，天津人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣袒杩Ｍ粒?電話)18801909877(電子信箱)1522419636@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160057

2017,34(4):83-86

TU41

A

1001-5485(2017)04-0083-04