灞河河道疏浚底泥固化力學特性試驗研究

雷 穎，高德彬，馬學通，李同錄

(長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

近年來，西安市不斷推進河道綜合治理工程，由此產生了大量的河道疏浚底泥。由于河道疏浚底泥具有含水率高、壓縮性大、強度低、滲透性能差等特點[1]，采用異地處理方法，會造成處理成本較高且不易運輸，采用物理方法處置，若處理不當易引發生態環境問題，造成二次污染[2]。若對河道疏浚底泥進行固化改性，使其可以就地回填應用，既可以降低工程成本，同時也可為河道疏浚底泥的處置提供新的途徑。目前眾多學者對底泥的固化進行了大量的研究。如陳娟等[3]采用不同的加壓模式研究了淤泥中氨氮的釋放特性，并定量評價了含氮淤泥沉積物對地下水氮輸入的貢獻;劉哲等[4]利用屬性識別模型研究了運河杭州段底泥的污染程度，結果發現底泥表層污染程度高于底層；Meng等[5]以水泥、粉煤灰及石膏為固化材料對淤泥進行了固化處理，結果發現水泥對淤泥的固化效果起主導作用；Wang等[6]采用MKPC固化河道疏浚底泥，結果發現隨著MKPC摻量與養護齡期的增加，底泥顆粒間相互連接得更加緊密，其抗壓強度明顯提高；Zhou等[7]研究了礦渣凝膠材料的固化特性，結果發現當礦渣凝膠材料摻量為12.5%時，可極大程度地減少淤泥中的孔隙；趙麗華等[8]以水泥為主要固化劑，對中原油田污泥進行了固化處理和多因素試驗研究，提出了固化淤泥的最優配比方案；王臻華等[9]以水泥、高分子吸水樹脂(SAP)為固化材料對淤泥進行了固化處理以及干濕循環試驗和滲出試驗，結果發現水泥可改善淤泥耐久性和重金屬穩定性；程福周等[10]通過水泥加SAP、粉煤炭、水泥雙摻固化試驗研究，結果發現SAP可一定程度延緩固化底泥含水率的降低，使得水泥的水化反應更加充分；Shirazi等[11]研究發現石灰、粉煤灰與水泥復合固化時，前兩者可明顯消除水泥土收縮開裂的現象；王臻華[12]對比了水泥、SAP等固化材料對淤泥的固化效果，并給出了復合固化劑的最優配比設計方案；李磊等[13]研究了不同摻量的水泥和養護齡期條件下底泥的壓縮特性，結果發現水泥摻量高于臨界值時，底泥的壓縮指數趨于穩定。大量研究表明，底泥固化后的強度與固化劑的摻入比例有著直接的關系。為了減少主要固化劑的使用量，眾多學者嘗試在固化劑中加入其他材料。如吳王正[14]通過在水泥固化底泥中加入了三乙醇胺(TEA)，結果發現TEA的摻入可有效提高底泥的早期強度；唐曉博等[15]研究發現加入TEA后水泥漿體的流動性降低，使其強度得到了極大的提升；孔祥明等[16]通過總有機碳(TOC)分析的方法測定了水化水泥漿體液相中TEA濃度的變化，結果發現TEA的消耗主要發生在水泥水化加速期，且水化早期水泥強度明顯提高。

由于不同地區的河道疏浚底泥力學性質差異較大，因此需要設計有針對性的固化方案，以使其可安全、可靠、合理、經濟地應用于工程建設中?；诖?，本文結合灞河右岸岸坡生態環境綜合治理工程實踐，選用水泥、高分子吸水樹脂(SAP)和三乙醇胺(TEA)對該綜合治理工程中清除的灞河河道疏浚底泥進行固化力學特性試驗研究，為其應用于濱河沙坑回填等工程實踐提供試驗依據。

1 試驗方案設計

1.1 試驗原材料

本試驗選用灞河右岸岸坡底部的河道疏浚底泥為原材料，該試驗底泥呈灰褐色—灰黑色，底泥的基本物理性質指標及物質含量測試結果見表1，底泥的粒度分析曲線見圖1。

表1 試驗底泥的基本物理性質指標及物質含量測試結果

圖1 試驗底泥的粒度分析曲線

1.2 試驗方案

由于灞河河道的疏浚底泥含水量較高、流動性較大，故本試驗選用高分子吸水樹脂(SAP)作為固化材料，其可吸附孔隙中的自由水，同時還可起到保水作用，使得水泥的水化反應更加充分；而三乙醇胺(TEA)具有促凝作用，且可減少液面張力，可使水泥顆粒與水分充分接觸，使得水泥水化程度得以提升，進而提升固化改性底泥的早期強度。

本試驗僅研究固化材料對河道疏浚底泥固化效果的影響，控制底泥含水率為30%，底泥試樣干密度為1.65 g/cm3。由于TEA存在雙臨界摻量值[17]，當TEA摻入量較大時，其被吸附于水化產物表面，會影響水化產物的成核與C3S的水化，導致水泥土早期強度降低[18]；當TEA摻入量較小時，將有利于水泥土早期強度的提升，因而本試驗取TEA的摻入量為0.03%。而SAP的摻入量根據室內抗壓試驗結果最優選取0.5%。本試驗底泥固化材料的具體配比方案，見表2。

表2 試驗底泥固化材料配比方案(單位：%)

首先，在75℃恒溫條件下將底泥烘干，而后碾碎過2 mm方孔篩；然后，采用壓實法制備試樣，試樣制備完成后采用聚乙烯膜密封(見圖2)，并將試樣放入保濕器中按齡期進行養護(見圖3)；最后，采用ZJ型應變控制式直剪儀(見圖4)對試樣進行直剪試驗，采用WG型單杠固結儀(見圖5)對試樣進行固結試驗。

圖2 試驗底泥試樣的密封

圖3 試驗底泥試樣的養護

圖4 ZJ型應變控制式直剪儀

圖5 WG型單杠固結儀(高壓)

2 試驗結果與分析

2.1 直剪試驗結果與分析

不同固化底泥試樣的黏聚力和內摩擦角隨養護齡期的變化曲線，見圖6和圖7。

圖6 固化底泥試樣黏聚力隨養護齡期的變化曲線

圖7 固化底泥試樣內摩擦角φ隨養護齡期的變化曲線

由圖6和圖7可見：在養護期內，固化底泥試樣的黏聚力和內摩擦角均表現為先快速增大而后趨于穩定；不同固化劑固化底泥試樣的內摩擦角和黏聚力均較純底泥有所增大，其中20%水泥與0.03%TEA復合固化底泥試樣的黏聚力最大。

不同養護齡期固化底泥試樣的直剪試驗τ-σ關系曲線，見圖8。

圖8 不同養護齡期固化底泥試樣的直剪試驗τ-σ 關系曲線

由圖8(a)可見，短期內不同配比及種類的固化劑均可明顯增強固化底泥試樣的抗剪強度τ。隨著水泥含量的增加，固化底泥試樣的抗剪強度不斷增大；而SAP的摻入降低了固化底泥試樣的抗剪強度，有負面影響，這可能是由于SAP在養護過程中不斷釋水使固化底泥體積收縮導致的；而TEA的摻入明顯增強了固化底泥試樣的抗剪強度，其主要原因是TEA可促進水化硅酸鈣和鈣礬石的形成，使得固化底泥試樣的抗剪強度增大。

由圖8(b)可見，與養護齡期為3 d[見圖8(a)]的固化底泥試樣相比，隨著養護齡期的延長，各固化底泥試樣的抗剪強度均有所增大，摻入外加固化劑的固化底泥試樣的抗剪強度遠大于純底泥試樣。其中，10%水泥與0.5%SAP復合固化的試樣抗剪強度較單摻10%水泥固化的試樣抗剪強度降低了1.8%～14.2%；而摻入TEA的固化底泥試樣抗剪強度沒有因為水泥摻入量的不同而表現出明顯的差異，說明當水泥含量為10%時，0.03%TEA充分發揮了其促凝作用，可有效地提高固化底泥試樣的抗剪強度。

由圖8(c)可見，10%水泥與SAP復合固化的底泥試樣較單摻10%水泥固化的底泥試樣抗剪強度降低了3.3%～13.0%，說明類似于SAP這種具有一定吸水能力但無法與水反應生成膠結物的固化材料用于底泥固化的適用性較差；20%水泥、10%水泥與0.03%TEA復合固化的底泥試樣抗剪強度較為接近，說明這兩種固化方案對底泥的固化效果基本相同，即表明加入TEA可以有效地提高水泥水化效率，降低水泥的用量。

2.2 固結試驗結果與分析

為了進一步探究固化改性底泥的變形規律，對其進行側限壓縮試驗，探究不同固化材料和養護齡期的固化改性底泥孔隙比與豎向固結壓力的關系，試驗選用的是快速固結試驗，并以100～200 kPa豎向固結壓力范圍內固化底泥試樣的壓縮系數a1-2來表征固化底泥的壓縮特性[19]。

不同養護齡期固化底泥試樣的快速固結試驗e-p關系曲線，見圖9。

圖9 不同養護齡期固化底泥試樣的快速固結試驗e -p關系曲線

由圖9可見：不同固化底泥試樣的孔隙比e均隨著豎向固結壓力p的增大而減小，且在低壓條件下固化底泥試樣的孔隙比下降更快；同時，不同養護齡期下純底泥試樣的孔隙比總是大于固化底泥試樣，其e-p曲線斜率也明顯大于固化底泥試樣。

各固化底泥試樣的壓縮系數a1-2隨養護齡期的變化曲線，見圖10。

圖10 各固化底泥試樣的壓縮系數a1-2隨養護齡期的變化曲線

由圖10可見：固化底泥試樣中加入0.5%SAP試樣的壓縮系數最大，這是由于SAP在制樣初期大量吸水，受壓力作用后不斷排水收縮導致試樣的孔隙比增大，抗剪強度減弱；摻入TEA后，水泥固化底泥試樣的壓縮系數有所降低，這是由于TEA加速了水泥水化反應過程，提高了水泥水化反應的效率[16]；10%水泥與0.03%TEA復合固化的底泥試樣的壓縮系數較單摻20%水泥固化的底泥試樣的壓縮系數小，由此可見TEA可取代部分水泥，使得底泥的固化效果更佳；相同摻量TEA時，固化底泥試樣的壓縮系數隨著水泥摻量的增大而減小，且不同養護齡期摻入TEA后固化底泥試樣的孔隙比變化量基本相同，這說明TEA在水泥水化反應中主要起催化作用；此外，純底泥、水泥與0.5%SAP復合固化的底泥試樣的壓縮系數a1-2在0.1～0.5 MPa-1范圍內，屬于中壓縮性土，而單摻水泥固化底泥試樣和水泥與0.03%TEA復合固化底泥試樣的壓縮系數a1-2小于0.1 MPa-1,屬低壓縮性土。

3 結 論

本文結合灞河河道右岸生態環境綜合治理工程實踐，選用水泥、高分子吸水樹脂(SAP)和三乙醇胺(TEA)作為對河道疏浚底泥進行工程改性的再生填筑材料，開展了室內直剪試驗和固結試驗研究，得出以下結論：

(1) 通過純底泥、水泥與0.03%TEA復合固化底泥、水泥與0.5% SAP復合固化底泥的固化力學特性試驗，結果發現：養護齡期較短時，固化底泥的峰值抗剪強度隨著水泥摻量的增加而增大；水泥與0.5%SAP復合固化的底泥抗剪強度呈減小趨勢；水泥與0.03%TEA復合固化的底泥抗剪強度呈增大趨勢，且隨著養護齡期的增大，固化改性后的底泥峰值抗剪強度均呈增大趨勢，而其壓縮系數則呈減小趨勢。

(2) 由于TEA在一定程度上促進了水泥的水化反應，使其生成較多的凝膠產物，提高了單一水泥的固化效果，因而水泥與0.03%TEA復合固化底泥的壓縮系數小于單一水泥固化底泥。

(3) 10%水泥與0.03%TEA復合固化的底泥試樣壓縮系數小于單摻20%水泥的底泥試樣，大于20%水泥與0.03%TEA復合固化的底泥試樣。綜合對比，選用10%水泥與0.03%TEA的配比方案對灞河河道疏浚底泥進行固化處理更加經濟實用。