司朝輝，顧 暉，李仁昊，王 科，宋苗苗，房 晨

(鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224051)

0 引言

我國陸地面積約為960萬km2,幅員遼闊,其中海洋河流湖泊眾多,不可避免的會有大量淤泥產(chǎn)生,不僅僅限于自然界,城市發(fā)展建設(shè)、水利工程、海洋工程中,每天都產(chǎn)生大量的淤泥[1-2]。其中疏浚泥因為具有高含水率,強(qiáng)度很低,不僅無法作為工程材料進(jìn)行回填,還會占用大量的用地,浪費(fèi)大量人力、物力、財力,而傳統(tǒng)的水泥固化劑會產(chǎn)生大量的熱量和二氧化碳屬于高能高碳材料,與當(dāng)今的社會綠色環(huán)保背景不符。所以,怎樣快速高效的解決河道中的淤泥和工程中的淤泥,是現(xiàn)在所面臨且亟需解決的重要問題之一。因為我國海域面積遼闊,蟹類的海洋水產(chǎn)資源非常豐富,每一年的捕撈量高達(dá)幾百萬噸,甚至更高,人們在食用之后大都把外殼當(dāng)垃圾丟掉,造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。每年全國廢棄的蟹殼預(yù)計有幾十萬噸,人為的制造了自然資源的浪費(fèi)和生活環(huán)境的污染[3]。

目前,環(huán)保高效地解決高含水率疏浚泥問題的方法為固化處理。固化處理之后可明顯提高疏浚泥的強(qiáng)度,從而進(jìn)行資源再利用[4-5]。固化處理的常用方法之一是向高含水率疏浚泥中加入一定量的水泥、石灰等固化材料,固化材料之后會與疏浚泥發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng),生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)等膠結(jié)物質(zhì)固化高含水率疏浚泥,從而達(dá)到提高疏浚泥強(qiáng)度的目的。雖然加入水泥之后會提高疏浚泥的強(qiáng)度,但因水泥成本高,單方面使用水泥也無法最大限度的提高固化強(qiáng)度,因此不少學(xué)者提出在加入水泥的同時加入一些輔助材料來提升疏浚淤泥的強(qiáng)度。桂躍等[6]通過添加粉煤灰、礦渣、磷石膏等工業(yè)廢料與水泥等固化劑發(fā)現(xiàn)工業(yè)廢料與水泥組成的復(fù)合固化劑的效果更優(yōu),可顯著提高疏浚淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;張小芳等[7]利用核磁共振弛豫分析(NMR)、礦物成分分析(XRD)、微觀結(jié)構(gòu)分析(SEM)探究了水泥、礦渣與粉煤灰等復(fù)合固化劑作用下淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律并建立了相對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系;林彤與劉祖德[8]分析了粉煤灰、石膏與生石灰加固軟土的可行性,指出通過添加少量的石膏至粉煤灰中,可顯著提高軟土地基的前期與后期強(qiáng)度;丁建文等[9]提出水泥與磷石膏雙摻固化疏浚淤泥,并且強(qiáng)度增效效果顯著并且固化劑存在最佳摻量。綜上所述,采用水泥與其他輔助材料固化高含水率疏浚淤泥的方法,以廢治廢,經(jīng)濟(jì)合理,有一定的應(yīng)用前景。

本文以螃蟹殼作為輔助材料加入到高含水率疏浚泥中研究其強(qiáng)度變化。眾所周知,螃蟹殼的主要成分為碳酸鈣。在建筑行業(yè)中,碳酸鈣粉末在混凝土中的重要性不言而喻,在可以降低生產(chǎn)成本的同時,增加相關(guān)產(chǎn)品的韌性和強(qiáng)度等等[10-11];Yoon等[12]基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗與礦物成分分析(XRD)探討了利用韓國本土的粉碎牡蠣殼來改善沙土的力學(xué)性能,并指出牡蠣殼在改良土體方面的可行性。鑒于此,我們選用我國丟棄廣泛的螃蟹殼加入到高含水率疏浚泥中研究其強(qiáng)度變化。

本文在固化高含水率疏浚泥時加入不同摻量的螃蟹殼細(xì)粉,養(yǎng)護(hù)一定齡期后開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。學(xué)者提出,疏浚泥的強(qiáng)度在齡期達(dá)到28 d時基本達(dá)到了90%及其以上,之后隨齡期的增加,強(qiáng)度增幅不是很明顯[13],故本文中的養(yǎng)護(hù)齡期最大設(shè)置為28 d。基于試驗結(jié)果,首先分析了不同養(yǎng)護(hù)齡期下螃蟹殼細(xì)粉添加對固化高含水率疏浚泥的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,同時探討了螃蟹殼細(xì)粉的添加使固化疏浚淤泥強(qiáng)度性狀發(fā)生改變的原因。之后,進(jìn)一步研究了加入螃蟹殼細(xì)粉引起固化疏浚泥破壞應(yīng)變和破壞形態(tài)的變化,為廢棄物螃蟹殼和廢棄泥的資源化利用提供理論支持。

1 實驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用疏浚泥來自安徽省蚌埠市五河縣某工程,基本的物理性質(zhì)如表1所示。土壤的液限為58.8%,塑限為27.0%,沙礫、粉粒、黏粒含量分別為1.0%,61.1%和37.9%,比重為2.68。根據(jù)土體的塑性指標(biāo)在塑性圖中的位置[14],試樣的土壤為高液限黏土。

表1 試驗用淤泥的基本物理性質(zhì)

選材上,試驗所用的螃蟹殼來自于廣東某水產(chǎn)公司,螃蟹殼規(guī)格全部選用5 cm～8 cm不帶肉純殼(見圖1)。然后用專用磨粉機(jī),磨成細(xì)粉,通過0.075 mm大小的篩子后,用于本實驗。所使用的水泥為鹽城阜寧佳寧水泥有限公司所生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 實驗步驟

試驗前取一定質(zhì)量的疏浚泥,放入事先準(zhǔn)備好的塑料桶中后,加一定質(zhì)量的水浸泡,用攪拌棒把存在的小土塊全部打散,攪拌均勻后調(diào)至目標(biāo)含水率。安徽省蚌埠市五河縣疏浚泥的液限為58.8%,目標(biāo)為3倍液限的含水率,即176.4%。配置完成高含水率疏浚泥后,需要利用高速旋轉(zhuǎn)攪拌器將其充分的攪拌均勻,不能有顆粒狀的土塊出現(xiàn)。因為水泥的含量對疏浚泥的應(yīng)力會有影響,綜合考慮我們控制水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%(水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為總質(zhì)量的15%),設(shè)定螃蟹殼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%,5%,10%,15%(螃蟹殼的含量為螃蟹殼的質(zhì)量占干土質(zhì)量的百分比)。按照順序加入事先稱好的螃蟹殼細(xì)粉和水泥。混合物攪拌均勻后,試驗材料就準(zhǔn)備好了。在制備試樣前應(yīng)準(zhǔn)備好模具,本實驗選用的為直徑46 mm,高100 mm的PVC精致模具。把模具清洗干凈并把水分全部擦拭,等模具干燥后在模具的內(nèi)壁及上下兩端的蓋子均勻涂抹醫(yī)用凡士林,作用是減小試樣和模具間的摩擦,使其在脫模時更加輕松,試樣更加完整。涂抹凡士林之后用電子稱記錄一下模具的質(zhì)量。然后將攪拌均勻的固化土混合物分三次加入到模具中,在途中通過多次的振搗把試樣中的氣泡排除,以保證所有的試樣質(zhì)地均勻緊密,使所有平行樣之間沒有明顯差別。三次分裝至模具裝滿后,使用刮土刀將試樣的上表面刮平,然后放入到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室的養(yǎng)護(hù)溫度為(20±1) ℃,相對濕度為(96±2)%。24 h后試樣基本成型,對其脫模,把沒有達(dá)到試驗齡期的試樣放回養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)直至達(dá)到目標(biāo)齡期。等達(dá)到目標(biāo)齡期后取出需要試驗的試樣測量其直徑、高及質(zhì)量,然后采用YSH-1型應(yīng)力-應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀(精度:軸力0.01 kN、軸向位移0.01 mm)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗,每組樣做3個平行樣,記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[14]118-120。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗方案見表2。

表2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗方案

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖2為養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d,14 d,28 d的固化疏浚泥無側(cè)限壓樣數(shù)據(jù)匯總圖,我們控制的變量為蟹殼細(xì)粉的含量。從應(yīng)力-應(yīng)變的曲線可以看出曲線可分為四個階段:第一階段為圖像的初始階段,又叫做加載階段(此階段時間相比長一些),應(yīng)力會越來越大并且速度越來越快,應(yīng)力-應(yīng)變的曲線接近一條直線,此時的試樣不會出現(xiàn)什么裂紋,表面沒有任何的變化。第二階段叫做塑性上升段,在圖像中表示為峰值前面到峰值的一段。在這個階段里應(yīng)力會達(dá)到最大值,越接近峰值應(yīng)力表的數(shù)值變化越緩(此階段時間比較短,變化比較大),此時的試樣沒有明顯變化。第三階段為陡降階段,也為材料的破壞階段。這時會在應(yīng)變增加不大的情況下,應(yīng)力會急速的減小,并且出現(xiàn)了反彎點(diǎn)(此階段時間比較短,變化比較大),現(xiàn)在的試樣表面已經(jīng)出現(xiàn)裂隙比較明顯。在應(yīng)力-應(yīng)變的曲線圖上對應(yīng)為產(chǎn)生峰值后面的一段曲線。第四階段為殘余強(qiáng)度階段,這時候的應(yīng)力變化很小可忽略不計,但是應(yīng)變會逐漸增大。這該階段的試樣變化最大,可以明顯看出試樣產(chǎn)生了較大的塑性變形。這種破壞屬于延性破壞。

由圖2中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn),任一齡期下含螃蟹殼的疏浚泥固化土的應(yīng)力變化幅度均比不含螃蟹殼的疏浚泥固化土的更大。在相同的齡期下,曲線的幅度隨著螃蟹殼含量的增加而越來越大,峰值也隨著螃蟹殼含量的增加而增大,也就是含螃蟹殼的固化土的峰值強(qiáng)度均顯著高于不含螃蟹殼的固化土,說明螃蟹殼在改善軟土方面存在應(yīng)用的可能性。軸向應(yīng)變?yōu)?%左右的時候,應(yīng)力會出現(xiàn)峰值,這是因為制樣時我們加入了一定質(zhì)量的水泥,水泥會發(fā)生水化反應(yīng)形成了土骨架支撐架構(gòu),提高了土骨架的承載力[15]。同時,從圖2可發(fā)現(xiàn),養(yǎng)護(hù)時間為7 d的應(yīng)力-應(yīng)變的曲線中,蟹殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的水泥固化土的強(qiáng)度比不含蟹殼的水泥固化土的強(qiáng)度增加28 kPa,增幅為18.2%。從養(yǎng)護(hù)時間為14 d的應(yīng)力-應(yīng)變的曲線可以看出,蟹殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的水泥固化土的強(qiáng)度比不含蟹殼的水泥固化土的強(qiáng)度增加了71 kPa,增幅為43.5%。蟹殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的水泥固化土的強(qiáng)度比不含蟹殼的水泥固化土的強(qiáng)度增加56 kPa,增幅為20.4%。由此可見,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,螃蟹殼提高固化土的強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著增加趨勢,其中的原因可主要?dú)w因于水泥的硬化所致。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

圖3為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系圖,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度取自于圖2中各曲線上的最大軸向應(yīng)力[14]118-120,可以看出在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下,隨著齡期的增長,應(yīng)力的峰值大致呈現(xiàn)線性增長,這與前人研究結(jié)果相似[5]53,[8]1051。同時,由趨勢線的斜率可發(fā)現(xiàn)含螃蟹殼的固化土的斜率均比不含螃蟹殼的固化土的斜率大說明螃蟹殼可以顯著提高固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,而且在螃蟹殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加的更加顯著,說明利用螃蟹殼細(xì)粉提高高含水率疏浚泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在最優(yōu)解。

從圖3的養(yǎng)護(hù)齡期為7 d到齡期為28 d的四個點(diǎn)可以看出,齡期為7 d的四個點(diǎn)比較緊湊而齡期為28 d的四個點(diǎn)相對更加分散一些,說明無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增幅與螃蟹殼含量存在較強(qiáng)的相關(guān)性,而且隨著齡期的增加,不同螃蟹殼含量的固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差異性會愈加明顯。

2.3 破壞應(yīng)變分析

圖4為固化土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗時被破壞試樣的實物圖,裂隙剛開始時會在試樣的表面出現(xiàn)微小的裂紋,伴隨著應(yīng)變的增加,裂紋會由上下兩端慢慢向中間延伸,裂紋的寬度也會隨之增大。因為試樣的上下兩端有承壓面受到約束的影響,而試樣的中部橫向變化不受約束,所以在試樣中部會出現(xiàn)較大的裂隙,甚至脫落。固化土的破壞時間很短,從剛開始的出現(xiàn)細(xì)小裂紋到最終破壞經(jīng)歷的時間只有短短20 s左右。圖4(a)是不含螃蟹殼的固化土的破壞情況,可以看出不含螃蟹殼固化土被破壞后的裂隙比較大而且裂隙的分布很不均勻,整體來看只有一兩條大的裂隙,而由圖4(b)可發(fā)現(xiàn)含有螃蟹殼的固化土的裂隙就比較均勻,裂隙的大小、寬度更為均衡,可發(fā)現(xiàn)添加螃蟹殼粉末的疏浚泥固化后試樣整體上黏聚力較高,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有顯著提升,原因可歸因于隨著碳酸鈣成分增加,土性改變所致。

固化土在受到壓縮破壞時會有破壞應(yīng)變,破壞應(yīng)變作為衡量固化土的承載指標(biāo)之一。破壞應(yīng)變越大代表材料的韌性越好,即當(dāng)材料在發(fā)生塑性變形和破裂過程中吸收能量的能力越強(qiáng),發(fā)生脆性斷裂的可能性越低,相反破壞應(yīng)變越小代表材料常常為脆性破壞[16-17]。在建筑施工單位一般采用韌性材料。圖5是螃蟹殼細(xì)粉含量為0與15%的破壞應(yīng)變與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖,由圖可以看出二者的破壞應(yīng)變均與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈反比,即試樣的破壞應(yīng)變隨著無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加而減小。同時可以發(fā)現(xiàn),同一無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下,含螃蟹殼的固化土的破壞應(yīng)變大于不含螃蟹殼的固化土的破壞應(yīng)變,表明含有螃蟹殼的固化土的韌性更好,抵抗變形的能力更強(qiáng),所以在建筑施工材料中可適當(dāng)添加螃蟹殼以提高施工材料的安全性與耐用性。

固化土的變形系數(shù)是衡量固化土壓縮特性的指標(biāo)之一[18-19]。可用于彈塑性問題的分析計算,固化土的變形系數(shù)定義公式如下:

其中,σ1/2為豎向應(yīng)變?yōu)槠茐膽?yīng)變的一半時所對應(yīng)的軸向應(yīng)力;εf為破壞應(yīng)變。由此可以把E50看作此時的割線模量。

由圖6變形系數(shù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖,可以看出隨著無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高,變形系數(shù)呈增加的趨勢,這與朱偉等學(xué)者的研究結(jié)論一致[20-23]。通過擬合實驗數(shù)據(jù)我們得到含螃蟹殼的高含水率疏浚淤泥固化土的變形系數(shù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的定量關(guān)系為E50=55.2qu。

3 結(jié)論

本研究通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗分析螃蟹殼在疏浚泥固化土研究中的可行性,其中,螃蟹殼含量分別設(shè)置為0,5%,10%,15%。通過對比分析含螃蟹殼的固化土與不含螃蟹殼的固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,并且觀察了破壞時試樣的具體狀態(tài)得出了結(jié)論如下:

1)含有螃蟹殼的固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖和不含螃蟹殼的固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖一樣都有峰值的存在,含螃蟹殼的固化土應(yīng)力比不含螃蟹殼的固化土的應(yīng)力大,而且這個增大的幅度是隨著齡期的增長而增大。齡期越長蟹殼粉中的碳酸鈣與固化土的黏合度越高,破壞應(yīng)力也就越大。

2)含有螃蟹殼的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均比不含螃蟹殼的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大,并且增大的幅度會隨著蟹殼含量的增加而增加的趨勢,這可歸因為螃蟹殼的主要成分是碳酸鈣,硬度比較大,可以很好的增加固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,其中當(dāng)螃蟹殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加幅度最為明顯。

3)含有螃蟹殼的疏浚泥固化土比不含螃蟹殼的韌性更強(qiáng)、抵抗承載力的能力更高,故在建筑施工材料中可適當(dāng)添加螃蟹殼以提高施工材料的安全性與耐用性。

4)基于本身我們選用疏浚淤泥就是資源再利用,輔助材料選用廢棄物螃蟹殼,成本低、效果好、變廢為寶。這不僅能夠在工程中節(jié)省成本,還能利用其特性將廢棄物資源化利用,為工程提供性能優(yōu)良的土質(zhì)材料,有效的減少了對環(huán)境的危害。