徐志豪，章榮軍，鄭俊杰，屠林偉

(華中科技大學(xué) 巖土與地下工程研究所，武漢 430074)

近年來，隨著基礎(chǔ)設(shè)施與生態(tài)工程建設(shè)的推進(jìn)，大量港口碼頭不斷擴建、湖泊河流也相繼開展生態(tài)治理。各類工程建設(shè)中會產(chǎn)生大體量的高含水率疏浚淤泥(Mud Slurry at Extra High Water Content，以下簡稱EHW-MS)[1-2]。這些疏浚產(chǎn)生的淤泥往往呈流塑態(tài)泥漿狀，存在細(xì)粒土占比過大、有機質(zhì)與重金屬離子污染程度較高等不良性質(zhì)[3]，不適于直接利用和棄置處理[4]。目前，針對大體量EHW-MS采用的主要處理方式仍為堆場處理[5]。其主旨是將淤泥漿泵送至堆放場地，待一定時間自然風(fēng)干或采用真空和堆載預(yù)壓等人工干化技術(shù)[6-7]進(jìn)一步脫水處理后再結(jié)合固化劑改性處理進(jìn)行減量資源化利用。然而，堆場處理后淤泥含水率雖然有所降低[1]，但部分堆場區(qū)域仍處于較高含水率水平(>150%)是比較常見的現(xiàn)象，從而大大限制了傳統(tǒng)水泥固化方法(PCSM)的固化效率[8-9]，無法在兼顧經(jīng)濟性的同時滿足相關(guān)資源化利用標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 VP-FSCM處理淤泥漿筑堤原理圖

筆者旨在通過室內(nèi)試驗確定提出的VP-FSCM的可行性和機理，具體工作包括：研究等效初始含水率對VP-FSCM處理EHW-MS后沉積特性與力學(xué)特性的影響；探究VP-FSCM的可行性以及其處理優(yōu)勢隨等效初始含水率的變化規(guī)律；采用XRD和SEM測試手段從微觀層面探析VP-FSCM的內(nèi)在機理。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥取自溫州某堆場，土樣基本物理特性如表1所示。試驗淤泥比重為2.69，天然含水率在90%～110%，約為2倍液限，土樣中含有少量有機質(zhì)。采用激光粒度分析儀對土樣進(jìn)行了粒徑分析，得到其粒度組成，如表2所示。根據(jù)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 145—90)，將其分類為高液限粉土。

表1 試驗用淤泥基本特性

表2 試驗用淤泥顆粒級配組成

試驗選用的固化劑為42.5#普通硅酸鹽水泥，所用絮凝劑溶液為陰離子AN926SH型有機高分子聚丙烯酰胺(PAM)的水溶液。具體配制方法是將PAM顆粒與水以1∶1 000的比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%)經(jīng)人工攪拌60 min(轉(zhuǎn)速為90 r/min)配制而成。

1.2 模型實驗裝置

真空預(yù)壓模型試驗裝置主要由帶通氣口的防護(hù)蓋板、塑料排水板和模型箱組成(如圖2(a)所示)。模型箱采用厚度為1 cm的有機玻璃材料制成，尺寸為60 cm×12 cm×40 cm(長×寬×高)。其中，通氣口主要是將固化淤泥漿與大氣相通，從而依靠其自身水體密封隔絕空氣的方式進(jìn)行自密封處理(低位真空預(yù)壓工藝)，防護(hù)蓋板與模型箱采用可拆卸式螺栓連接。試驗中水平排水板放置于模型箱底部，對排水板一端進(jìn)行密封，另一端通過抽濾接口將排水軟管連接至抽濾瓶，抽濾瓶濾口通過轉(zhuǎn)換接頭將軟管與真空泵源進(jìn)行連接。另外，在模型箱外壁粘貼有一次性塑料刻度條，用于觀測土體沉降。

1.3 實驗流程

2)開展真空預(yù)壓工作。將真空泵壓力設(shè)定為50 kPa，對VP-PCSM與VP-FSCM實驗組進(jìn)行50 min低位真空預(yù)壓。期間監(jiān)測試樣沉降情況，記錄試樣邊緣高度變化并測定排入抽濾瓶中水的質(zhì)量。

3)開展力學(xué)特性試驗。養(yǎng)護(hù)至指定齡期后，利用取土器按圖2(c)所示齡期布置取樣并刮平，采用圖2(b)所示十字板剪切儀測定不排水抗剪強度su，每個齡期測3個點取平均值，并測定試樣養(yǎng)護(hù)后含水率wei。重復(fù)前述步驟，直至28 d齡期完成。

圖2 真空預(yù)壓模型試驗示意圖

4)開展微觀試驗。待28 d齡期后，按上述區(qū)域取距表層一定深度土樣分別做X射線衍射試驗和場發(fā)射掃描電子顯微鏡試驗。

1.4 實驗工況

表3 室內(nèi)試驗工況

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沉積特性

為證實上述絮凝劑與真空預(yù)壓處理的協(xié)同效益，圖3對比了VP-PCSM與VP-FSCM兩種工法處理不同等效初始含水率EHW-MS的沉降量曲線。

圖3 VP-PCSM或VP-FSCM試樣邊緣沉降量變化曲線

結(jié)果顯示，VP-FSCM處理后試驗組的沉降速度顯著提升，短時間內(nèi)即可完成沉降，并且隨著等效初始含水率wei的增加，VP-FSCM沉降量及沉降速率也越大。

2.2 脫水特性

圖4為VP-PCSM或VP-FSCM處理不同等效初始含水率EHW-MS的排水量變化曲線。圖中顯示，VP-FSCM處理后試樣的排水量與排水速度相比VP-PCSM都存在明顯提高，并且其排水量與排水速度均隨著等效初始含水率wei的上升而增長，這一定程度上是因為含水率越高越有利于土顆粒間絮體形態(tài)的改善及數(shù)量的提升，促進(jìn)了絮團(tuán)間大孔隙的生成，從而進(jìn)一步提高脫水效率。

圖4 VP-PCSM或VP-FSCM處理試樣排水量變化曲線

2.3 力學(xué)特性

2.3.1 等效初始含水率對不排水抗剪強度的影響 為充分揭示等效初始含水率對采用3種工法(VP-PCSM、VP-FSCM與FSCM)固化疏浚淤泥的強度特性的影響規(guī)律，圖5對比了3種工法處理后試樣各齡期不排水抗剪強度。結(jié)果顯示，相較其余兩種工法，EHW-MS經(jīng)VP-FSCM處理后抗剪強度更高。表明絮凝劑的脫水作用、真空預(yù)壓的物理壓實作用以及固化劑的化學(xué)粘結(jié)作用三者可以共同發(fā)揮協(xié)同耦合效應(yīng)優(yōu)勢。此外，總體來看，VP-FSCM與其余兩種工法的強度差異與等效初始含水率存在著一定相關(guān)性，表現(xiàn)為隨著等效初始含水率的增長，VP-FSCM與VP-PCSM的強度差異越來越顯著，但同F(xiàn)SCM對比，其強度差異卻逐步縮小。

圖5 3種工法處理不同wei的EHW-MS后各齡期不排水抗剪強度su對比圖

圖6給出了3種工法處理EHW-MS后不排水抗剪強度隨等效初始含水率wei的變化曲線。顯然，隨著等效初始含水率的增長，3種工法抗剪強度均表現(xiàn)出衰減的趨勢。不同的是，VP-FSCM與FSCM衰減速率緩慢，即使在等效初始含水率為440%的情況下，也有較高的不排水抗剪強度。這表明應(yīng)用FSCM與VP-FSCM處理淤泥漿后的強度特性受等效初始含水率影響，但其“敏感性”遠(yuǎn)不及VP-PCSM工法。由此可以推測，在極高含水率下結(jié)合FSCM相比于結(jié)合PCSM處理淤泥漿具有更為顯著的強度特性優(yōu)勢。此外，也可以明顯發(fā)現(xiàn)，相較于FSCM與VP-PCSM，VP-FSCM處理后試樣不同齡期間強度差異明顯，表明VP-FSCM的強度增長受齡期的影響較大。

圖6 VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM處理EHW-MS后不排水抗剪強度su隨wei的變化曲線

為深入了解其強度與齡期的關(guān)系，分析3種工法的強度增長差異，圖7給出了3種工法處理EHW-MS后不排水抗剪強度隨齡期的變化曲線。圖中顯示，3種工法處理后，試樣強度增長模式仍為早期快速增長中后期增速減緩。但與之不同的是，VP-FSCM在整個強度發(fā)展過程中強度增速明顯高于VP-PCSM與FSCM。以等效初始含水率為260%的泥漿為例，VP-FSCM試樣強度7 d可達(dá)到約22 kPa，而同等情況下，VP-PCSM與FSCM處理后均在13 kPa左右，相比提高了69.23%。另外，VP-FSCM后期強度增速也明顯較大。

圖7 VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM處理EHW-MS后不排水抗剪強度隨齡期的變化曲線

2.3.2 等效初始含水率對養(yǎng)護(hù)后含水率的影響 眾多研究表明，固化淤泥養(yǎng)護(hù)后的含水率wac越低，其不排水抗剪強度越高。養(yǎng)護(hù)后含水率wac不僅能印證前述VP-FSCM強度優(yōu)勢，而且也作為表征淤泥固化效率的一個重要指標(biāo)。圖8對比了3種工法處理不同等效初始含水率wei的EHW-MS各齡期養(yǎng)護(hù)后含水率wac。

圖8顯示，EHW-MS經(jīng)VP-FSCM處理后的養(yǎng)護(hù)后含水率明顯低于VP-PCSM與FSCM。這較好地解釋了強度差異的結(jié)果，也在一定程度上說明養(yǎng)護(hù)后含水率決定了不排水抗剪強度的大小。此外，等效初始含水率不同，3種工法處理的養(yǎng)護(hù)后含水率差異也不盡相同。

圖8 3種工法處理不同wei的EHW-MS后各齡期養(yǎng)護(hù)后含水率wac對比圖

圖9繪制了VP-PCSM、VP-FSCM、FSCM處理EHW-MS后養(yǎng)護(hù)后含水率wac隨等效初始含水率wei的變化曲線?？傮w來看，3種工法處理后，養(yǎng)護(hù)后含水率wac均隨著等效初始含水率wei的增長呈增長趨勢。其中VP-PCSM呈線性增長趨勢，而VF-FSCM與FSCM則表現(xiàn)出先快后慢的增長趨勢。此外，可以發(fā)現(xiàn)隨著等效初始含水率wei的增長，VP-FSCM與VP-PCSM的養(yǎng)護(hù)后含水率wac差異越來越大，但與FSCM逐漸接近。

圖9 3種工法處理后養(yǎng)護(hù)后含水率wac隨wei的變化曲線

為了進(jìn)一步闡明等效初始含水率對固化淤泥漿養(yǎng)護(hù)后含水率wac隨齡期的影響規(guī)律，圖10給出了3種工法處理EHW-MS的養(yǎng)護(hù)后含水率隨齡期的變化曲線。圖10表明，VP-FSCM的養(yǎng)護(hù)后含水率衰減主要在早期階段進(jìn)行，后續(xù)隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行而略有下降，這與VP-PCSM及FSCM的發(fā)展模式相近，也印證了上述強度增長規(guī)律為早期快速增長而中后期緩速增長的模式，但VP-FSCM早期衰減速率明顯快于VP-PCSM與FSCM。以等效初始含水率為440%的泥漿為例，VP-FSCM的試樣7 d養(yǎng)護(hù)后含水率為203.75%，而同等情況下VP-PCSM與FSCM分別為341.17%與229.73%，分別降低了約40.28%與11.31%。

圖10 VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM處理EHW-MS的養(yǎng)護(hù)后含水率wac隨齡期的變化曲線

2.4 微觀機理探析

為了解VP-FSCM處理EHW-MS的微觀固化成分，對兩組典型含水率工況wei=260%與wei=440%的EHW-MS經(jīng)3種工法處理28 d后的土樣進(jìn)行了XRD分析，組分譜圖如圖11所示。

圖11 wei=260%與wei=440%的EHW-MS經(jīng)VP-PCSM或VP-FSCM或FSCM處理后XRD譜圖

圖11表明，VP-FSCM處理的EHW-MS固化產(chǎn)物中，CSH與CASH凝膠含量較VP-PCSM與FSCM顯著提升，并且含水率越低，效果越顯著。CSH與CASH起著填充孔隙，膠結(jié)土顆粒的作用，促進(jìn)了固化泥漿強度的發(fā)展[16]，從而在微觀層面給予了VP-FSCM強度較高的合理解釋。

為了進(jìn)一步探析VP-FSCM處理EHW-MS的固化微觀機理，采用場發(fā)射掃描電鏡對固化淤泥試樣的微觀形貌進(jìn)行微觀測試。圖12為典型工況wei=260%與wei=440%的EHW-MS經(jīng)3種工法處理后的10 000倍SEM照片?？梢园l(fā)現(xiàn)，相同等效初始含水率下的EHW-MS經(jīng)VP-FSCM處理后水化產(chǎn)物鈣礬石與C(A)SH凝膠發(fā)育形態(tài)突出、數(shù)量較多。其中，鈣礬石已發(fā)育成密集的棒簇狀聚集體，C(A)SH凝膠也呈團(tuán)簇狀聯(lián)結(jié)著土顆粒，在固化過程中填充于顆粒之間的大孔隙中，使得土體內(nèi)部大孔隙逐漸縮小甚至填充閉合，兩者的共同作用使得土顆粒間更加致密，土體強度增加[17]。同時，從整體來看，VP-FSCM處理EHW-MS后，雖在早期絮凝脫水過程中形成較大孔隙，但在養(yǎng)護(hù)過程中已經(jīng)被C(A)SH、鈣礬石填充密實，孔隙大大減少，以致強度明顯高于VP-PCSM與FSCM。對比VP-FSCM處理等效初始含水率為260%和440%的EHW-MS后SEM照片發(fā)現(xiàn)，在等效初始含水率為260%時,EHW-MS固化后的鈣礬石與C(A)SH凝膠發(fā)育程度較高，且孔隙更小、更少，結(jié)構(gòu)更加緊湊致密，強度更高。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是在等效初始含水率為260%的情況下，水泥水化反應(yīng)所需的水分已經(jīng)充足，而當(dāng)?shù)刃Ш手饾u增大時，除水化反應(yīng)所需的水之外，多余部分會分布于土體顆粒的孔隙之中，使得C(A)SH凝膠及其他膠凝材料在單位體積中的數(shù)量較少[16]，不足以提供有效的膠結(jié)土顆粒、填充孔隙、支撐土骨架作用[18]，因而強度隨等效含水率有明顯的下降趨勢。

圖12 wei=260%與wei=440%的EHW-MS經(jīng)VP-PCSM, VP-FSCM或FSCM處理后養(yǎng)護(hù)28 d的10 000倍SEM照片

2.5 VP-FSCM的適用性探究

為深入評估VP-FSCM在強度特性上的優(yōu)越性及其隨等效初始含水率的變化規(guī)律，引入強度比參數(shù)λ與μ，定義分別見式(1)、式(2)。將強度比參數(shù)λ與μ分別作為定量衡量VP-FSCM相比于VP-PCSM、FSCM在強度特性方面展現(xiàn)處理效率優(yōu)勢的一個重要參數(shù)。

(1)

(2)

式中：λ為VP-FSCM與VP-PCSM不排水抗剪強度之比；μ為VP-FSCM與FSCM不排水抗剪強度之比；SuVF、SuVP、SuF分別為VP-FSCM、VP-PCSM與FSCM處理后固化淤泥的不排水抗剪強度，kPa。

圖13給出了不同等效初始含水率的EHW-MS各齡期下的λ值與μ值。圖中顯示，λ值與μ值主要受等效初始含水率wei的影響，與齡期關(guān)系不大。其中，λ值隨著等效初始含水率wei的增長呈遞增趨勢，最高可達(dá)到3.73倍。μ值隨著等效初始含水率的增長呈遞減趨勢，高含水率下最低可降至1.2倍。結(jié)合λ值與μ值的意義來看，表明在高等效初始含水率下，VP-FSCM相比于VP-PCSM的強度優(yōu)越性越顯著，而相比于FSCM的強度優(yōu)越性漸不明顯。

圖13 不同wei的EHW-MS各齡期下的λ值與μ值

3 結(jié)論

基于室內(nèi)模型試驗研究了等效初始含水率對VP-FSCM處理EHW-MS后物理力學(xué)特性的影響，探究提出的VP-FSCM的可行性和機理，得到以下主要結(jié)論：

2)結(jié)合XRD與SEM試驗，VP-FSCM的強度特性優(yōu)勢在微觀層面上體現(xiàn)為其C(A)SH凝膠、鈣礬石等水化產(chǎn)物數(shù)量及發(fā)育程度得到明顯提升，結(jié)構(gòu)的填充與密實效應(yīng)顯著，宏觀上體現(xiàn)為加固后的十字板強度明顯提高，土體整體得到了有效加固。

3)隨著等效初始含水率的增長，VP-FSCM相比于VP-PCSM的處理效率優(yōu)勢逐漸顯著，而相比于FSCM，雖仍具有一定優(yōu)勢，但優(yōu)勢逐漸弱化。