固化淤泥长期强度和变形特性试验研究
王东星1, 2, 3，徐卫亚1, 2
(1. 河海大学 岩土工程研究所, 江苏 南京，210098;
2. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室, 江苏 南京，210098;
3. Département Génie Civil et Environnemental, Ecole des Mines de Douai, Douai 59500，France)
摘 要：
ON 5500R 4206-006型微机控制电子万能试验机，对基于水泥、石灰和低钙粉煤灰的固化淤泥进行无侧限抗压强度试验和间接抗拉强度试验，得到标准养护360 d淤泥固化土的应力-应变关系、破坏强度和破坏应变。研究结果表明：固化剂掺入导致固化土破坏应变明显减小，无侧限抗压强度和抗拉强度明显增大，且破坏模式由塑性破坏逐渐向脆性破坏方向发展；从长期强度和经济成本角度，石灰-低钙粉煤灰固化剂完全可取代同配比水泥-低钙粉煤灰固化剂；淤泥固化土的无侧限抗压强度与抗拉强度之比为10左右；掺加适当配比粉煤灰的设计固化材料可考虑用作低强度交通负载公路路基材料。
关键词：
中图分类号：TU43 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)01-0332-08
Experimental study on long-term strength and deformation properties of solidified sediments
WANG Dongxing1, 2, 3, XU Weiya1, 2
(1. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China;
2. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;
3. Civil and Environmental Engineering Department, Ecole des Mines de Douai, Douai 59500, France)
Abstract: For marine sediments solidified with cement, lime and low-calcium fly ash, the unconfined compressive strength tests and indirect tensile strength tests were performed by using a microcomputer-controlled electronic universal testing machine named INSTRON 5500R 4206-006, the stress-strain curve, failure strength and failure strain of samples at curing time of 360 d were determined. The results show that the incorporation of stabilizers causes the failure strain to decrease, the compressive strength and tensile strength of solidified sediments to increase, while the failure mode of solidified sediments develops gradually from plastic failure to brittle failure. The designed lime-low calcium fly ash stabilizer can completely replace cement-low calcium fly ash stabilizer from the point of view of economical cost and long-term strength. For solidified sediments, the ratio of unconfined compressive strength to tensile strength is about 10. Finally, the designed stabilizers with appropriate ratio of fly ash can be considered as roadbed materials for low-intensity traffic pavement.
Key words: marine sediment; fly ash; solidification; long-term strength; deformation
疏浚淤泥处理处置问题是世界上许多国家都难以回避且需亟待解决的问题。在疏浚海河道和清除港口、湖泊底泥过程中，会产生大量的高含水率淤泥。海洋倾倒和陆地抛填等常规方法因不可避免地污染周围环境而受到越来越多国家的质疑，甚至有逐渐被抛弃的趋势；因此，需要探索行之有效的快速淤泥处理技术，以达到淤泥处理的减量化、资源化和无害化的最终目的。在物理处置、化学处理和固化处理等技术中，固化稳定化技术因其成本较低、效率较高、污染和再生新型土工材料减少等优点，受到众多学者的广泛关注[1-4]。固化稳定化技术被美国国家环保总局确认为可有效处理57种有害废弃物的最佳处理技术[5]。将江河湖海废弃淤泥进行固化处理转化为新型土工建筑材料，既符合世界范围内可持续发展的理念，又可以满足工程用土需求、缓解土地资源紧张趋势、解决淤泥堆积占地和相关环境污染问题。固化淤泥作为特殊固化土材料，其强度和变形主要受固化剂掺量和类型、养护龄期、含水状态和有机质含量等因素影响[6-9]。朱伟等[6-7]研究了水泥固化土在7~28 d龄期时的强度演化规律，总结出固化土无侧限抗压强度与水泥添加量的数学关系式及预测某龄期和水泥掺量的无侧限抗压强度计算公式，之后，分析了不同腐植酸含量固化土在3~28 d龄期的应力应变曲线及无侧限抗压强度，指出龄期为3~28 d有机质固化土的破坏应变集中在2%~4%。Kolias等[8]利用高钙粉煤灰和水泥处理3种细粒黏性土，分析了不同配比固化土的无侧限抗压强度随龄期7，28和90 d时的演化规律。Horpibulsuk等[9]分析了淤泥质土无侧限抗压强度随含水量、水泥掺量和养护龄期(7，28和60 d)的变化规律，从微观结构角度探索了7~60 d龄期固化土强度增长的本质原因。以上研究成果均针对养护龄期在90 d以内的固化淤泥试样，而目前很少研究涉及长期养护后固化淤泥的长期强度和变形特征尤其是掺入低钙粉煤灰长期养护固化土的强度和变形特性。在此，本文作者利用低钙粉煤灰、石灰和水泥作固化剂，分析固化淤泥养护360 d后的长期抗压强度、长期抗拉强度和变形特性，以便分析石灰固化土的强度和变形特征以及低钙粉煤灰掺入对石灰固化土强度和变形特性的影响，分析淤泥强度和变形随水泥掺量演化过程，研究粉煤灰掺入对水泥固化土强度和变形的影响，研究石灰-粉煤灰取代水泥-粉煤灰用以固化淤泥的可行性以及淤泥固化土的抗压强度与抗拉强度之比值，评价设计固化材料用作公路路基材料的适宜性。
1 试验材料
1.1 海相淤泥
试验所用淤泥取自法国敦刻尔克海港东部港区，其基本物理性质指标如表1所示。室内所测淤泥初始含水量受疏浚手段、贮藏条件等因素影响，并非港口淤泥的真实初始含水状态。海相淤泥中有机质等杂质存在，导致淤泥密度一般比土壤的小。综合分析表1可知：该海相淤泥具有高含水量、高压缩性、高孔隙比和高有机质质量分数等主要特点。
表1 海相淤泥基本物理性质
Table 1 Physical properties of marine sediments
1.2 固化剂
利用水泥、生石灰和粉煤灰作固化剂，其主要化学成分见表2。根据ASTM C618—05[10]，由于氧化钙质量分数远小于10%，且Al2O3与SiO2质量分数大于70%，故试验所用粉煤灰被认为是F类粉煤灰。F类粉煤灰自身不具水硬性，被碱性激发剂激活潜在活性后才能产生一定水硬性。
表2 固化剂主要化学成分(质量分数)
Table 2 Main components of stabilizers %
试验所用粉煤灰为低钙粉煤灰，是以硅、铝为主要成分且含较多玻璃体的工业副产品，其物理性质见表3。粉煤灰中含5.5%的有害成分未燃碳，它直接影响粉煤灰效用发挥和水泥水化过程，进而影响海相淤泥的固化效果。
表3 低钙粉煤灰基本物理性质
Table 3 Physical properties of low-calcium fly ash
2 固化材料反应机理
2.1 石灰与粉煤灰
当生石灰加入淤泥中时，淤泥中黏土矿物游离出的SiO2和Al2O3与生石灰水化生成的Ca(OH)2发生缓慢火山灰反应，生成水化硅酸钙C-S-H和水化铝酸钙C-A-H等水化产物[11-12]。其反应原理为：
CaO+SiO2+H2O→C-S-H胶体 (1)
CaO+Al2O3+H2O→C-A-H胶体 (2)
若将生石灰与粉煤灰同时掺入淤泥中，则生石灰也可与粉煤灰中活性组分SiO2和Al2O3之间发生火山灰反应[13]，生成引起固化土长期强度增长的C-S-H和C-A-H胶体。其反应机理与式(1)和(2)的相同，两者最大的不同之处在于参与火山灰反应的活性组分SiO2和Al2O3来源不同。
2.2 水泥与粉煤灰
水泥与淤泥混合后，在短时间内水泥发生水化反应而生成C-S-H，C-A-H和Ca(OH)2等水化产物[14]。水化产物Ca(OH)2与掺入的粉煤灰中的活性SiO2及活性Al2O3发生缓慢火山灰反应，生成C-S-H和C-A-H等水化产物[15]。其反应机理为：
Ca(OH)2+SiO2→C-S-H胶体 (3)
Ca(OH)2+Al2O3→C-A-H胶体 (4)
从反应原理角度分析，石灰与粉煤灰的反应机理和水泥与粉煤灰的反应机理相似，实际上均是氢氧化钙与粉煤灰中活性组分之间的化学反应，只不过水泥水化反应可快速生成C-S-H和C-A-H胶体而具有一定早期强度。
3 试验方法
本研究利用石灰和水泥作粉煤灰的碱激活剂，评价粉煤灰对石灰固化土和水泥固化土强度及变形特征的影响，并与单掺石灰和水泥时淤泥固化效果进行对比。设计固化材料中各掺料质量配比与混合料简称见表4。对于设计混合料，利用重型击实试验确定其最优含水量和最大干密度，在最大干密度下制备直径为50 mm、高度为100 mm的圆柱体试样。将标准试样密封后置入标准养护箱(温度为(20±1) ℃，相对湿度为98%)中养护360 d，之后取出进行无侧限抗压强度试验和劈裂法抗拉强度试验。每个试验点取3个试样进行重复性试验，取将其平均值作为该点试验值。采用INSTRON 5500R 4206-006型微机控制电子万能试验机进行抗压强度试验和抗拉强度试验。
表4 固化材料质量配比(质量分数)
Table 4 Mass ratio design for solidified materials %
为评价设计固化材料用作公路路基材料的适用性，法国规范NF P98-114-3[16]依据360 d龄期弹性模量和抗拉强度将设计材料分为S0~S5共6个等级。规范[16]规定：只有材料分类在S2及S2等级以上时，才可将设计材料用作高强度交通负载公路的路基材料。
本文试验在法国国立杜埃高等矿业学院土木与环境工程系完成，数据处理在河海大学完成。
4 试验结果与分析
4.1 石灰/粉煤灰固化土的强度与变形特征
根据无侧限抗压强度试验结果，可绘制石灰固化土和石灰-粉煤灰固化土的应力-应变(σ-ε)曲线，见图1。试样破坏时的抗压强度(Rc)和破坏应变分别见图2和表5。对于未固化淤泥SD，随轴向压力增大，其应力应变关系曲线出现塑性变形过程，呈塑性破坏。试样在压缩变形过程中，土颗粒在粒间黏结力作用下移动并重新排列，累积应变达到2.73%时出现贯穿裂缝导致试样破坏，对应峰值抗压强度为0.65 MPa。
图1 石灰/粉煤灰固化土的应力(σ)-应变(ε)曲线
Fig.1 Relationship between stress and strain of lime/fly ash solidified sediments
图2 石灰/粉煤灰固化土的抗压强度
Fig.2 Unconfined compressive strength of lime/fly ash solidified sediments
表5 石灰/粉煤灰固化土的破坏应变
Table 5 Failure strain of lime/fly ash solidified sediments
与未固化淤泥相比，无论对于石灰固化土还是石灰-粉煤灰固化土，其破坏应变均明显减小，无侧限抗压强度明显增加，且破坏模式由塑性破坏逐渐转向脆性破坏。对于石灰固化土试样，当石灰掺量(质量分数，下同)从3%增加至9%时，破坏应变从1.53%减小至0.98%，抗压强度从1.05 MPa增大至1.42 MPa。石灰与淤泥混合后，养护早期发生阳离子交换反应，引起黏土颗粒的絮凝团聚。在长期养护过程中，熟石灰与黏土中活性硅铝矿物发生缓慢的化学反应，形成不溶于水、将土颗粒黏结在一起的水化硅酸盐、水化铝酸盐及硅酸钙凝胶，固化土整体结构性增强，宏观上表现为抗压强度增大，破坏应变减小。
基于石灰固化土SD3L和SD6L，掺入3%粉煤灰导致混合料SD3L3FA和SD6L3FA的脆性增强、破坏应变降低、抗压强度增大。同时，石灰含量较高的SD6L3FA的抗压强度明显比SD3L3FA的大，破坏应变比SD3L3FA的小。这种现象主要归因于石灰掺入激发了低钙粉煤灰的潜在活性，在高碱环境和长期养护条件下生成具有胶凝性质、类似水泥水化产物的水化铝酸钙和水化硅酸钙，改善了淤泥的整体结构性。对于混合料SD3L3FA，当粉煤灰掺量从3%提高至6%时，固化土的无侧限抗压强度不但没有升高，反而从1.39 MPa降低至0.84 MPa，破坏应变也从1.41%增加至1.57%，其原因主要是：(1) 有害成分如未燃碳和三氧化硫等的引入在一定程度上阻碍了火山灰反应的进行，其中粉煤灰中未燃碳质量分数高达5.5%；(2) 粉煤灰小粒度(63 μm)质量分数高达80%以上，导致固化土细粒比例增加，颗粒级配发生改变。
本研究除采用无侧限抗压强度外，还采用长期抗拉强度衡量淤泥的固化效果。未固化淤泥及石灰和石灰-粉煤灰固化淤泥的抗拉强度如图3所示。对比图2和图3可发现：石灰固化土和石灰-粉煤灰固化土的抗拉强度与抗压强度的变化规律相当一致；随着石灰掺量增大，石灰固化土抗拉强度明显增大；掺入3%粉煤灰引起设计固化土的抗拉强度增大，尤其对于设计混合料SD6L3FA，其抗拉强度与SD6L相比增加约1.9倍；对于SD3L3FA，若将粉煤灰掺量提高至6%，则导致抗拉强度显著降低。这与其粉煤灰掺量增至6%后的抗压强度变化趋势一致。
图3 石灰/粉煤灰固化土的抗拉强度
Fig.3 Tensile strength of lime/fly ash solidified sediments
4.2 水泥/粉煤灰固化土的强度与变形特征
水泥固化土和水泥-粉煤灰固化土的应力-应变曲线如图4所示，其破坏应变、抗压强度和抗拉强度分别见表6、图5和图6。图5和图6所示混合料的无侧限抗压强度与抗拉强度变化规律较一致。
从图4可知：与未固化淤泥相比，水泥和水泥-粉煤灰固化土的破坏模式由塑性破坏逐渐向脆性破坏方向发展，且无侧限抗压强度增加，破坏应变减小；当水泥掺量从3%增至9%时，水泥固化土的无侧限抗压强度从1.10 MPa增加至4.29 MPa，破坏应变从1.86%减小至1.13%；水泥固化土的抗拉强度也随着水泥掺量增加而增大，从0.12 MPa提高至0.40 MPa。水泥与淤泥拌合后发生水化反应生成凝胶物质，土颗粒与水化产物之间相互连生、搭接而形成可抵抗外力作用的骨架。在土颗粒周围生成纤维状胶体，不断充填到颗粒间空隙中，逐渐形成空间网状结构，增大了水泥固化土的强度、稳定性和整体结构性。
基于混合料SD3C和SD6C，掺入3%粉煤灰导致其抗压强度分别从1.10 MPa和2.21 MPa减小至0.86 MPa和1.93 MPa，其抗拉强度分别从0.12 MPa和0.23 MPa减小至0.09 MPa和0.21 MPa，其破坏应变分别从1.86%和1.48%减小至1.34%和1.06%。对于混合料SD3C3FA，当粉煤灰掺量增至6%时，混合料的抗压强度和抗拉强度进一步减小。低钙粉煤灰的掺入对设计混合料产生2方面负面效应：(1) 粉煤灰中细颗粒引入导致固化材料中细颗粒质量分数增大，整体承载能力减弱；(2) 未燃碳和三氧化硫等有害成分的引入可能阻碍水泥水化过程。这2方面因素共同作用导致水泥-粉煤灰固化土的强度性能比水泥固化土的强度性能低。值得注意的是：对于水泥固化土，粉煤灰掺入引起固化土强度劣化的同时，其破坏应变反而降低，脆性增强。
图4 水泥/粉煤灰固化土的应力(σ)-应变(ε)曲线
Fig.4 Stress-strain curves of cement/fly ash solidified sediments
表6 水泥/粉煤灰固化土的破坏应变
Table 6 Failure strain of cement/fly ash solidified sediments
图5 水泥/粉煤灰固化土的抗压强度
Fig.5 Unconfined compressive strength of cement/fly ash solidified sediments
图6 水泥/粉煤灰固化土的抗拉强度
Fig.6 Tensile strength of cement/fly ash solidified sediments
4.3 石灰-粉煤灰取代水泥-粉煤灰的可行性分析
采用无侧限抗压强度与抗拉强度指标，对比分析石灰-粉煤灰与水泥-粉煤灰这2种固化剂的淤泥固化效果，从长期力学性能探索可否利用成本低廉的石灰-粉煤灰固化剂取代成本较高的水泥-粉煤灰固化剂，对比结果如图7和图8所示。从图7和图8可见：掺入3%粉煤灰对石灰固化土的强度发展起增强作用，而对水泥固化土强度发展起降低作用；当粉煤灰掺量提高至6%时，则引起2种固化方法的混合料强度有所降低。经分析可知：对于相同配比固化材料，石灰-粉煤灰固化土的360 d龄期抗压强度和抗拉强度比水泥-粉煤灰固化土的高或接近。尤其对于强度改善最明显的混合料SD6L3FA，其抗压强度和抗拉强度分别达到1.88 MPa和0.21 MPa，十分接近相同配比水泥-粉煤灰固化土的抗压强度1.93 MPa和抗拉强度0.21 MPa；对于SD3L3FA，其强度提高也较明显，抗压强度和抗拉强度分别达1.39 MPa和0.12 MPa，比除SD6L3FA和SD6C3FA以外其他设计混合料的高：因此，从长期强度和经济角度分析，石灰-粉煤灰固化剂完全可以取代相同配比的水泥-粉煤灰固化剂。
图7 石灰-粉煤灰与水泥-粉煤灰固化土的抗压强度
Fig.7 Unconfined compressive strength of cement-fly ash and lime-fly ash solidified sediments
图8 石灰-粉煤灰与水泥-粉煤灰固化土的抗拉强度
Fig.8 Tensile strength of cement-fly ash and lime-fly ash solidified sediments
4.4 固化泥抗拉强度与抗压强度之比研究
对比设计固化材料的抗拉强度和抗压强度，可得到抗压强度与抗拉强度之比，如图9所示和表7。从图9和表7可见：未固化淤泥压拉强度之比为13.4，石灰固化土和石灰-粉煤灰固化土的压拉强度之比为9.2~11.9，而水泥固化土和水泥-粉煤灰固化土的压拉强度之比为9.2~10.6；淤泥固化土的压拉强度之比总在10左右浮动。
4.5 淤泥固化土作公路路基材料的初步评价
规范NF P98-114-3[16]建议采用360d龄期的抗拉强度与弹性模量对设计材料进行分类。在试验时间不允许的情况下，可采取规范建议的经验公式，利用龄期28 d和90 d的抗拉强度与弹性模量推算360 d龄期的抗拉强度与弹性模量，从而对材料划分等级。然而，根据经验公式推算的360 d龄期的抗拉强度和弹性模量，必定与实际养护360 d试样的实测强度与模量存在差异，因此，采用实测参数对设计材料进行分类是十分必要的，结果如图10和图11所示。
图9 石灰-粉煤灰和水泥-粉煤灰固化土的抗压强度与抗拉强度之比
Table 9 Ratio between compressive strength and tensile strength for lime-fly ash and cement-fly ash solidified sediments
表7 固化土的拉压强度比值
Table 7 Ratio between compressive strength and tensile strength of solidified sediments
经分析发现：只有混合料SD9C接近S2等级，SD6L3FA，SD6C3FA和SD6C达到S1等级，其他设计混合料均为S0等级。也就是说，基于试验用泥，只有SD9C可考虑用作高强度交通负载公路的路基材料，SD6L3FA，SD6C3FA和SD6C可考虑用作低强度交通负载公路的路基材料。需提出的是：评价淤泥固化土用作路基材料的适宜性，除利用强度性能加以初步判断外，还应全面考虑其膨胀性、耐久性和污染物浸出危险性等方面。
图10 石灰/粉煤灰固化土的材料分级
Fig.10 Material classification of lime/fly ash solidified sediments
图11 水泥/粉煤灰固化土的材料分级
Fig.11 Material classification of cement/fly ash solidified sediments
5 结论
(1) 对比未固化淤泥，淤泥固化土的应力-应变关系由塑性逐步转向脆性，强度增加，破坏应变减小。随着石灰掺量和水泥掺量的增加，固化土长期抗压强度和长期抗拉强度明显提高，破坏应变明显减小。
(2) 对于石灰固化土，掺入3%低钙粉煤灰可明显提高其长期强度，减小其破坏应变；当粉煤灰掺量提高至6%时，反而会劣化固化土的强度特性。对于水泥固化土，粉煤灰掺加却导致水泥固化土的长期强度降低，破坏应变降低。
(3) 对于设计混合料，石灰-低钙粉煤灰固化土的360 d抗压强度和抗拉强度比相同配比的水泥-低钙粉煤灰固化土的高或十分接近。成本低廉的石灰-低钙粉煤灰固化剂完全可以取代成本高的同配比水泥-低钙粉煤灰固化剂。
(4) 淤泥固化土抗压强度与抗拉强度的变化规律一致，抗压强度与抗拉强度之比为10左右。
(5) 从力学特性分析，SD9C可考虑用作高强度交通负载公路的路基材料，SD6L3FA，SD6C3FA和SD6C可考虑用作低强度交通负载公路的路基材料。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-12-21；修回日期：2012-01-22
基金项目：国家留学基金资助项目(2008671011)
通信作者：王东星(1984-)，男，河南周口人，博士研究生，从事环境岩土工程等研究；电话：025-83787561；E-mail: dongxing-wang@163.com
摘要：采用INSTRON 5500R 4206-006型微机控制电子万能试验机，对基于水泥、石灰和低钙粉煤灰的固化淤泥进行无侧限抗压强度试验和间接抗拉强度试验，得到标准养护360 d淤泥固化土的应力-应变关系、破坏强度和破坏应变。研究结果表明：固化剂掺入导致固化土破坏应变明显减小，无侧限抗压强度和抗拉强度明显增大，且破坏模式由塑性破坏逐渐向脆性破坏方向发展；从长期强度和经济成本角度，石灰-低钙粉煤灰固化剂完全可取代同配比水泥-低钙粉煤灰固化剂；淤泥固化土的无侧限抗压强度与抗拉强度之比为10左右；掺加适当配比粉煤灰的设计固化材料可考虑用作低强度交通负载公路路基材料。
