劉文化 舒俊煒 孫秀麗 華淵 李芳菲

摘 要：河、湖等的疏浚淤泥多采用固化方式進行處理。針對固化淤泥材料的干濕穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)開展了干濕循環(huán)作用下水泥固化疏浚淤泥的抗剪強度特性試驗研究，揭示了固化淤泥在干濕循環(huán)作用下抗剪強度的變化機理，并對各影響因素進行了定量分析。結果表明：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化淤泥的抗剪強度逐漸變化，且先快后慢，最后趨于穩(wěn)定;干濕循環(huán)后，水泥摻量100kg/m3固化淤泥試樣的抗剪強度降低，而水泥摻量150kg/m3和200kg/m3試樣干濕循環(huán)后的抗剪強度不降反增，說明干濕循環(huán)對固化淤泥的影響與水泥的摻量有關。較高的干燥溫度促進了水泥水化，從而導致水化產(chǎn)物增加，固化淤泥的抗剪強度增大;同時，干濕循環(huán)過程中微裂縫的發(fā)育導致固化淤泥的抗剪強度降低，干濕循環(huán)對固化淤泥抗剪強度的影響取決于二者的綜合作用。

關鍵詞：固化;疏浚淤泥;干濕循環(huán);抗剪強度;機理分析

中圖分類號：TU411? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Solidification is a major treatment method for the dredged sludge from rivers and lakes. A series of tests were performed to measure variations of shear strengths of solidified dredged sludge during drying/wetting process and the mechanism of the impact of drying/wetting on the mechanical behaviors of solidified dredged sludge was revealed from a quantitative level. The test results show that the shear strength of solidified dredged sludge changes gradually with the increasing number of drying/wetting cycles， and finally tends to be stable. The shear strength of solidified dredged sludge with cement content of 100kg/m3 decreases after drying/wetting， while the shear strengths of solidified dredged sludge with cement content of 150 and 200kg/m3 increase after drying/wetting， which indicates that the influence of drying/wetting on the mechanical behaviors relates to the cement content. The higher drying temperature promotes the hydration reaction of cement during the drying/wetting process， resulting in the increase of hydration products and the increase of shear strength. However， the development of crack during drying/wetting leads to the decrease of shear strength. The overall influence of drying/wetting on the shear strength of solidified sludge depends on the weights of the two factors.

Keywords： solidification; dredged sludge; drying/wetting cycle; shear strength; mechanism analysis

引 言

我國南方地區(qū)水系發(fā)達、河道縱橫，近年來為保障航道暢通及改善內陸河、湖的水質，開始有計劃地對城市湖泊、河流進行清淤，產(chǎn)生了大量的疏浚淤泥。據(jù)統(tǒng)計，我國每年的淤泥疏浚量在10億m3以上，僅太湖每年的疏浚量就達到400～600萬m3[1]，珠三角地區(qū)的年淤泥疏浚量則達8×107m3[2]。疏浚淤泥具有含水率高、強度低、受不同程度污染等特點，使其難以直接利用。淤泥的無害化處理及資源化利用已成為目前我國亟待解決的問題。

由于淤泥產(chǎn)量的逐年增加以及受城市土地資源日益緊缺的影響，傳統(tǒng)的海洋傾倒和陸地拋填方法受到越來越多國家的質疑。相反，采用水泥、石灰等固化材料對淤泥進行固化處理的淤泥固化技術因其成本低、效率高等優(yōu)點而備受推崇。該法已成為目前國內外淤泥處理的主要方法。淤泥固化技術是一項“變廢為寶”的重要舉措，既解決了淤泥處置占用土地和環(huán)境污染問題，也為工程建設提供了填料。經(jīng)固化處理的淤泥可作為堆場圍堰、垃圾填埋場封頂層、路基等的填土材料進行回收利用[3-5]。目前，國內已在深圳、無錫、廣州等多地開展了固化淤泥作為回填材料的示范工程并取得了較好的效果[6-7]。僅太湖地區(qū)就已將180萬m3淤泥進行固化處理并作為無錫市科教產(chǎn)業(yè)園的填土材料進行回收利用[8]。

國內外研究者對固化淤泥進行了大量的研究，研究成果主要集中在固化材料[9-11]、固化機理[12-13]、滲透特性[14]、污染物的穩(wěn)定性[15]等方面。這些研究成果為固化淤泥技術的大規(guī)模應用起到了積極的推動作用。

由于降雨-蒸發(fā)、水位升降等原因，固化淤泥構筑的土工結構物在運營過程中不僅受到上覆荷載等機械因素的影響，干濕循環(huán)等環(huán)境因素也對固化淤泥的力學性能和長期穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，進而改變其工程性質。因此，如何對固化淤泥土工結構物的干濕穩(wěn)定性進行系統(tǒng)地評價是采用固化淤泥構筑土工結構物時需要解決的科學問題。對此，少數(shù)研究者做了初步的探索，并取得了一些有意義的成果。Yang[16]在研究固化含汞淤泥的干濕耐久性時發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)導致固化淤泥強度降低，但隨著固化劑摻量的增加，固化淤泥的干濕穩(wěn)定性有所改善。李磊等[17]通過在室內采用烘干-浸水方式模擬干濕循環(huán)過程，測定了以膨潤土為輔助添加劑的水泥固化淤泥在水分強烈變化條件下的質量、體積及強度等參數(shù)，以干濕循環(huán)過程中試樣的質量損失率和試樣是否破壞為依據(jù)，評價了固化淤泥在干濕循環(huán)條件下的穩(wěn)定性，結果表明不同水泥和膨潤土摻量下的干濕穩(wěn)定性存在較大差異。李亞林等[18]采用相同的干濕循環(huán)方法模擬干濕交替過程，對生石灰、粉煤灰和氯化鐵混合固化淤泥的干濕循環(huán)穩(wěn)定性進行評價，結果發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)后固化淤泥的無側限抗壓強度和抗剪強度均降低20%以上。

上述關于固化淤泥干濕穩(wěn)定性的研究中，研究者多采用烘干的方式（溫度高于20℃）模擬干燥過程，通過對比干濕循環(huán)試樣和標準養(yǎng)護（溫度為20℃）試樣的無側限抗壓強度、抗剪強度等試驗結果，評價固化淤泥的干濕穩(wěn)定性。大量試驗表明，水泥、石灰等固化材料的水化反應與溫度密切相關[19-20]，而水化產(chǎn)物是保證固化淤泥工程性質的重要條件。僅通過干濕循環(huán)試樣和標準養(yǎng)護試樣試驗結果的對比難以分離干濕循環(huán)過程中溫度的影響，不能有效地反映固化淤泥的干濕穩(wěn)定性。鑒于此，本文以水泥為固化劑對太湖疏浚淤泥進行固化處理，通過對比標準養(yǎng)護試樣、控制試樣和干濕循環(huán)試樣的抗剪強度試驗結果，研究水分強烈變化條件下水泥固化疏浚淤泥的力學特性變化規(guī)律，探討干濕循環(huán)的影響機理，為系統(tǒng)評價固化淤泥的干濕穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 試驗材料

試驗所用的淤泥為太湖疏浚淤泥，淤泥的物理力學特性指標如表1所示。根據(jù)土的分類標準，該淤泥屬高液限黏土，其主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO。底泥挖出后，立即放入預備的塑料桶中靜置，除去上清液后其含水率為80%。試驗所用固化劑為宜興市盛佳水泥廠生產(chǎn)的32.5復合硅酸鹽水泥。

2 試驗方法

2.1 試樣制備

取除去上清液的疏浚淤泥，按每立方米淤泥（含水率80%）中水泥添加量100、150、200kg三個配比，配制淤泥、水泥混合物，攪拌10min后抽真空30min以消除混合物中的氣泡。而后，將淤泥、水泥混合物裝入61.8×20mm的環(huán)刀中制備環(huán)刀試樣。裝樣過程不斷振動模具，以排除氣泡使試樣密實。之后，將制備好的試樣放入恒溫恒濕箱（溫度20±2℃，濕度大于95%）中養(yǎng)護28d。養(yǎng)護完成后進行抽真空飽和，制備飽和固化淤泥試樣備用。基本步驟如圖1所示。

2.2 試驗方案

按照上述制樣流程，對每一種水泥摻量制成72個標準環(huán)刀試樣，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28d后，將其中12個試樣取出，抽真空飽和后參照SL 237-1999《土工試驗規(guī)程》[21]在豎向壓力50、100、200、400kPa條件下進行固結快剪試驗，剪切速率1.0mm/min;剩下的60個試樣分成5組，每組12個樣（每種工況3個平行試樣），第一組作為基準試樣（在標準養(yǎng)護條件下繼續(xù)養(yǎng)護），第二、第三、第四組作為干濕樣，抽真空飽和后在60℃（參考ASTM D4843-1988[22]）條件下烘干8h，之后再在20±2℃條件下進行抽真空飽和16h，以此作為一次干濕循環(huán)。第二、第三、第四組擬定的干濕循環(huán)次數(shù)為4、8、12次。完成預定次數(shù)干濕循環(huán)試驗后立即參照SL 237-1999《土工試驗規(guī)程》[21]進行固結快剪試驗。在第二、第三、第四組試樣進行干濕循環(huán)試驗期間，第五組試樣則每天在溫度60±2℃，濕度大于95%的條件下養(yǎng)護8h，在溫度20±2℃，濕度大于95%條件下養(yǎng)護16h，以作為控制試樣（養(yǎng)護溫度與干濕循環(huán)試樣一致）。當?shù)谒慕M試樣（12次干濕循環(huán)）的固結快剪試驗完成后取第一組的基準試樣和第五組的控制樣分別在50、100、200、400kPa條件下進行固結快剪試驗。上述固結快剪的剪切速率均為1.0mm/min。以3個平行試樣的平均值為最終試驗結果，對比分析不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下固化淤泥的抗剪強度特性。干濕循環(huán)試驗方案如表2所示。

3 試驗結果與分析

3.1干濕循環(huán)作用下固化淤泥的抗剪強度變化規(guī)律

圖2所示為水泥摻量100kg/m3條件下經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后固化淤泥的剪應力-剪切位移曲線?？梢钥闯觯煌蓾裱h(huán)次數(shù)條件下的固化淤泥試樣均呈現(xiàn)出應變硬化特性，隨著剪切位移的增加，剪應力逐漸增長。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，相同豎向壓力條件下，剪切初始階段的斜率逐漸減小，說明干濕循環(huán)導致固化淤泥的抗剪強度降低。

水泥摻量150、200kg/m3條件下固化淤泥的剪應力-剪切位移曲線如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出，豎向壓力50kPa條件下，水泥摻量150、200kg/m3固化淤泥試樣均呈現(xiàn)出應變軟化特征。豎向壓力100kPa作用下，干濕循環(huán)后固化淤泥試樣均表現(xiàn)為應變軟化特征，而標準養(yǎng)護28d的試樣表現(xiàn)為應變硬化。豎向壓力200kPa作用下，水泥摻量150kg/m3固化淤泥試樣均表現(xiàn)為應變硬化特征;水泥摻量200kg/m3固化淤泥試樣標準養(yǎng)護28d后在豎向壓力200kPa條件下表現(xiàn)為應變硬化特征，經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后則表現(xiàn)為應變軟化特征。豎向壓力400kPa條件下，水泥摻量150、200kg/m3固化淤泥試樣干濕循環(huán)前后均呈現(xiàn)出應變硬化特征。由以上分析可知，經(jīng)歷干濕循環(huán)后，水泥摻量150、200kg/m3試樣的應力-應變曲線有從應變硬化向應變軟化轉變的趨勢。這可能與干濕循環(huán)過程引起的結構屈服應力增長有關，詳見3.4節(jié)討論。

水泥摻量150、200kg/m3固化淤泥試樣在經(jīng)歷干濕循環(huán)后的剪應力-剪切位移曲線位于標準養(yǎng)護28d條件下固化淤泥試樣的上方，說明干濕循環(huán)后固化淤泥的抗剪強度不降反增。這與水泥摻量100kg/m3試樣截然不同。干濕循環(huán)前后固化淤泥的抗剪強度變化與干濕循環(huán)引起的裂縫發(fā)展以及干燥過程中水泥水化反應有關，關于這部分的討論將在3.4節(jié)進行。

先快后慢的趨勢，干濕循環(huán)對固化淤泥剪應力-剪切位移曲線的影響主要發(fā)生在前8次干濕循環(huán)，而后逐漸趨于穩(wěn)定?？紤]到文章篇幅，僅取豎向壓力50kPa條件下的試驗結果進行具體說明。水泥摻量100kg/m3試樣在干濕循環(huán)0、4、8、12次時的抗剪強度（根據(jù)《土工試驗規(guī)程》[21]，應變軟化曲線取峰值剪應力為抗剪強度，應變硬化曲線則取剪切位移等于4mm對應的剪應力為抗剪強度）分別為7.0、6.5、6.0、5.7kPa，干濕循環(huán)4、8、12次時的抗剪強度分別為干濕循環(huán)0次時的0.93、0.86、0.81倍。水泥摻量150kg/m3試樣在干濕循環(huán)0、4、8、12次時的抗剪強度分別為13.4、16.8、18.1、18.4kPa，干濕循環(huán)4、8、12次時的抗剪強度分別為干濕循環(huán)0次時的1.25、1.35、1.37倍。對于水泥摻量200kg/m3的試樣，干濕循環(huán)0、4、8、12次時的抗剪強度分別為14.4、31.8、31.9、30.9kPa，干濕循環(huán)4、8、12次時的抗剪強度分別為干濕循環(huán)0次時的2.21、2.22、2.14倍。顯而易見，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化淤泥的抗剪強度逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2干濕循環(huán)條件下固化淤泥強度變化機理分析

為探討干濕循環(huán)對固化淤泥試樣力學特性的影響，設置基準試樣和控制試樣，通過對比基準試樣、控制試樣和干濕循環(huán)試樣的直剪試驗結果，分析水分強烈變化條件下水泥固化疏浚淤泥的力學特性變化機理。

表3所示為不同養(yǎng)護條件和干濕循環(huán)條件下固化淤泥試樣的抗剪強度。通過對比基準試樣和控制試樣發(fā)現(xiàn)，相同水泥摻量、豎向壓力和養(yǎng)護齡期條件下，控制試樣的抗剪強度大于基準試樣。這主要是因為控制試樣具有較高的養(yǎng)護溫度，與基準試樣相比生成了較多的水化產(chǎn)物，抗剪強度提高。這一結果也說明干濕循環(huán)試樣在干燥過程中受到的烘干溫度（與控制試樣的養(yǎng)護溫度一致）會促進水泥的水化，在相同齡期條件下生成了更多的水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物的增加增強了土顆粒之間的粘結，使得固化淤泥試樣具有較高的結構強度，抗剪強度增大。

表3還可以看出，干濕循環(huán)試樣的抗剪強度小于控制試樣，說明干濕循環(huán)過程中固化淤泥試樣的抗剪強度變化不僅受烘干溫度引起水泥水化產(chǎn)物增加的影響，還受其他因素的作用。事實上，固化淤泥試樣在干燥過程中，由于試樣表面與熱空氣接觸使得試樣表面的脫濕速率高于試樣內部，試樣內外部形成含水率梯度，導致試樣表面受拉而內部受壓，當試樣表面的拉應力超過其抗拉強度時，裂縫便隨之產(chǎn)生[23]。圖5所示為干濕循環(huán)12次后不同水泥摻量條件下固化淤泥試樣的裂縫發(fā)展情況。可以看出，隨著水泥摻量的增加，試樣表面裂縫發(fā)展越不明顯。這主要是因為水泥摻量越大，膠結強度越高，較大的膠結強度增強了顆粒間的粘結力，提高了試樣抵抗拉應力的能力，干濕循環(huán)過程中產(chǎn)生的裂縫越少。干濕循環(huán)過程中裂縫的產(chǎn)生降低了顆粒之間的粘結，破壞了土體結構，抗剪強度降低。

圖6所示為不同水泥摻量條件下基準試樣、控制試樣和干濕循環(huán)試樣的SEM圖像?？梢钥闯觯瑢τ谕火B(yǎng)護（或干濕循環(huán)）條件的試樣，隨著水泥摻量的增加，顆粒排列趨于緊密，水化產(chǎn)物含量增加，抗剪強度和抵抗拉應力的能力增加。對比同一水泥摻量條件下基準試樣、控制試樣和干濕循環(huán)試樣的SEM圖像發(fā)現(xiàn)，控制試樣和干濕循環(huán)試樣相對于基準試樣生成了較多纖維狀的C-S-H凝膠類水化產(chǎn)物（S-200-60-C最為顯著）。這也從微觀層面上證實了養(yǎng)護溫度越高，水化產(chǎn)物越多，固化體內部的孔隙進一步被填充，抗剪強度越高的結論。

由以上討論可知，干濕循環(huán)過程中烘干溫度引起的水化產(chǎn)物增加和裂縫的發(fā)展對固化淤泥的抗剪強度產(chǎn)生截然相反的影響，即水化產(chǎn)物的增加引起固化淤泥強度增大而裂縫的發(fā)展則使得固化淤泥的抗剪強度降低，干濕循環(huán)對固化淤泥力學特性的最終影響取決于上述兩方面所占的權重。

3.3干濕循環(huán)條件下烘干溫度和裂縫開展對固化淤泥抗剪強度影響的權重分析

3.4試驗結果的討論

相對于天然結構性土而言，固化土稱之為人造結構性土，其壓縮屈服應力即為結構屈服應力。根據(jù)Butterfid[24]采用的雙對數(shù)坐標法可確定干濕循環(huán)前后固化淤泥的結構屈服應力。水泥摻量100、150、200kg/m3固化淤泥試樣在干濕循環(huán)0次時的結構屈服應力分別為62.2、85.7、104.0kPa;干濕循環(huán)12次后的結構屈服應力分別為26.3、165.7、271.7kPa。可以看出，水泥摻量100kg/m3固化淤泥試樣干濕循環(huán)后結構屈服應力降低，而水泥摻量150、200kg/m3固化淤泥試樣干濕循環(huán)后結構屈服應力增大。這與直剪試驗結果的變化趨勢相一致。

干濕循環(huán)前后固化淤泥剪應力-剪切位移曲線形式的轉變與干濕循環(huán)過程中引起的結構屈服應力變化有關。對于水泥摻量100kg/m3的固化試樣，由于試樣在干濕循環(huán)前后的結構屈服應力均小于或接近50kPa，因此，試樣剪切時均屬于正常固結土，應力-應變曲線均為應變硬化特征。水泥摻量150kg/m3固化淤泥試樣在干濕循環(huán)0次時結構屈服應力大于50kPa而小于100kPa，因此在豎向壓力50kPa條件下剪切時為超固結土，表現(xiàn)為應變軟化特征;而在豎向壓力大于等于100kPa時為正常固結土，表現(xiàn)為應變硬化特征。干濕循環(huán)后結構屈服應力大于100kPa而小于200kPa，因此在豎向壓力小于等于100kPa條件下剪切時為超固結土，表現(xiàn)為應變軟化特征;而在豎向壓力大于等于200kPa時表現(xiàn)為應變硬化特征。同理，對于水泥摻量200kg/m3的固化淤泥試樣，干濕循環(huán)0次時在豎向壓力小于100kPa時表現(xiàn)為超固結土，屬應變軟化特征，大于等于100kPa時為正常固結土，呈應變硬化特征;干濕循環(huán)后在豎向壓力50、100、200kPa下剪切時表現(xiàn)為超固結土，屬應變軟化特征，豎向壓力400kPa時為正常固結土，呈應變硬化特征。

通過對比烘干溫度引起的抗剪強度增長率ξ和裂縫引起的抗剪強度衰減率η即可評價干濕循環(huán)對固化淤泥試樣抗剪強度的最終影響。對于水泥摻量100kg/m3的固化淤泥試樣，雖然溫度的提高促進了水泥的水化，但由于水泥含量較低，烘干溫度引起的水泥水化產(chǎn)量增加較少（如圖6所示），抗剪強度提升較少;同時，由于水泥含量較低，顆粒間具有較小的粘結力，僅能承受較小的拉應力，干燥過程中形成的試樣內外含水率梯度使得試樣表面會出現(xiàn)一定的拉應力，從而在干濕循環(huán)過程中產(chǎn)生了較多的裂縫（如圖5（a）所示），試樣的抗剪強度降低較多，導致裂縫的影響大于烘干溫度的作用，最終固化淤泥試樣的抗剪強度降低。而對于水泥摻量150、200kg/m3的固化淤泥試樣，由于水泥含量較高，使得烘干溫度引起的水泥水化產(chǎn)物增長較多（如圖6所示），膠結強度顯著提升，抗剪強度明顯增大;同時，較大的膠結強度增強了顆粒間的粘結力，提高了試樣抵抗拉應力的能力，干濕循環(huán)過程中產(chǎn)生的裂縫較少（如圖5（b）、圖5（c）所示），抗剪強度降低不明顯，最終導致干濕循環(huán)過程中烘干溫度的影響大于裂縫的影響，因此干濕循環(huán)后固化淤泥試樣的抗剪強度增大。根據(jù)以上的討論分析，對于太湖疏浚淤泥而言，當水泥摻量大于150kg/m3時，可不考慮干濕循環(huán)對固化淤泥抗剪強度的劣化作用;而水泥摻量小于100kg/m3時，干濕循環(huán)對固化淤泥抗剪強度的劣化作用應當引起足夠的重視。

4 結 論

（1）干濕循環(huán)過程中固化淤泥力學特性變化與水泥摻量有關。對于水泥摻量100kg/m3的固化淤泥試樣，干濕循環(huán)后試樣的抗剪強度降低，而水泥摻量150、200kg/m3固化淤泥試樣經(jīng)歷干濕循環(huán)后的抗剪強度增大。

（2）干濕循環(huán)條件下固化淤泥的力學特性受干濕循環(huán)過程中烘干溫度引起的水化產(chǎn)物增加和裂縫發(fā)展的共同影響，最終的表現(xiàn)取決于這兩方面所占的比重。

（3）在評價干濕循環(huán)對水泥固化疏浚淤泥力學特性的影響時應盡量采用與現(xiàn)場相一致的干濕循環(huán)條件（如干燥溫度），以獲得能夠反應現(xiàn)場實際情況的試驗結果，對實際工程提供可靠指導。

（4）本文的干濕循環(huán)試驗均是在無上覆荷載條件下進行的，這與實際情況可能存在一定的差異。上覆荷載和干濕循環(huán)耦合作用下固化淤泥力學特性的變化規(guī)律還有待深入研究。此外，干濕循環(huán)條件下水泥固化淤泥中水化產(chǎn)物的量化分析也有待深入研究。

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（編輯：胡玲）