水泥改性淤泥固化土的土—水特性★

王远明张凤德谌柳明贺 扬崔庆峰张志春

(1.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江哈尔滨 150006; 2.国家电网公司交流建设分公司，北京 100052; 3.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072)

水泥改性淤泥固化土的土—水特性★

王远明1张凤德1谌柳明2贺 扬3崔庆峰1张志春1

(1.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江哈尔滨 150006; 2.国家电网公司交流建设分公司，北京 100052; 3.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072)

采用基于非饱和瞬态流理论的TRIM系统，量测了改性淤泥固化土的土—水特征曲线(SWCC)，分析了压实度、养护龄期和水泥掺量等因素对其SWCC的影响，并根据改性淤泥固化土SWCC的试验结果，分析了与初始孔隙比相关的SWCC模型参数预估模型，进而建立了考虑压实度和水泥掺量影响的改性淤泥固化土SWCC模型，通过分析不同影响因素下的SWCC，验证了所提出SWCC模型的合理性。

淤泥固化土，SWCC模型，水泥，压实度

0 引言

与工程相关的淤泥疏浚和淤泥处理的社会需求逐渐增强，但由于淤泥强度低，难以直接将其应用于工程。因此，将淤泥进行加固处理对于工程建设和环境保护都有着非常重要的意义［1-4］。目前，国内外对淤泥资源化利用的方法主要有以下四种方法:吹填造陆、物理脱水、热处理和固化处理［2］。其中，应用最普遍的是掺入固化剂进行改性处理。姬凤玲等［3］采用固化及轻量化处理技术开发再生土工材料，具有广阔的应用前景。根据室内试验，研究了不同配比的淤泥固化土和轻量化土的无侧限抗压强度和密度，并分析了固化和轻量化的强度形成机理。王东星等［4］通过研究大掺量粉煤灰固化淤泥土进行试验，认为固化土无侧限抗压强度和抗拉强度均有不同程度增加，且水泥掺量越大，养护龄期越久，强度和弹性模量越大。经分析可知:已有研究多集中探讨单一方法或两种改性剂混掺的固化效果，多种固化剂混掺固化淤泥的研究报道相对较少。

路基土一般属于非饱和土范畴，因此其强度和变形特性需从非饱和土力学角度加以研究。土—水特性(SWCC)是非饱和土基本特性之一，目前国内外针对不同天然土类已经进行了相当多的研究。但针对改性淤泥固化土，其工程性质受改性剂掺量、养护龄期和压实度等因素影响，因此，有必要深入研究淤泥固化土SWCC特性及其预测模型。

本文通过大量非饱和土试验，分析压实度、养护龄期和水泥掺量等复杂因素影响下改性淤泥固化土SWCC演化规律;考虑非饱和土体积变形的影响，推导改性淤泥固化土的SWCC模型;以水泥掺量和压实度(初始孔隙比)等指标作为影响参数，得到了改性淤泥固化土的SWCC预估模型;通过不同水泥掺量和不同压实度下改性淤泥固化土土—水特征曲线试验数据，进一步验证预估模型的合理性。

1 试验仪器与试验方案

武汉东湖通道工程穿越国家4A级风景区东湖，隧道采用明挖法施工，产生高达80万m3的淤泥质土。该工程采用化学固化剂、机械脱水(形成泥饼)和水泥改性等复合处理方法对淤泥土进行加固处理，形成水泥改性淤泥固化土，将其用作该工程路基填料，可实现资源化利用。本研究采用武汉大学岩土实验室Transient Release and Imbibitions Method(TRIM)测试系统进行SWCC试验，记录试验过程中天平所测得的溢出水量与时间关系曲线。根据其边界条件与试样及陶土板参数，通过HYDRUS-1D软件拟合实验数据曲线，通过反算，可获得SWCC模型(V-G模型)参数［5，6］。

根据项目前期试验结果，本试验采用水泥掺量8%的改性淤泥固化土试样［7］，其最大干密度为1.55 g/cm3，最优含水率约25%。采用击样制样法，制备直径61.8 mm、高度25 mm的圆柱环刀样，试样压实度分别为98%，96%，94%和92%。水泥改性淤泥固化土试样养护条件为温度(20±1)℃、湿度98%，养护龄期分别为7 d，14 d和28 d等三种养护时间。

2 试验结果与分析

2.1 水泥改性剂对SWCC的影响

96%压实度下，无水泥与8%水泥掺量改性淤泥固化土的SWCC如图1所示，分析所得计算参数如表1所示。根据图1和表1，经分析可知:

1)水泥改性淤泥固化土试样的饱和体积含水率较低。这是由于水泥掺入固化土后，产生水化反应并生成水化产物。水化产物与土颗粒相结合，土颗粒表面的水泥反应产物可将土颗粒包裹，形成较大的胶结颗粒，使土体中的孔隙减小。

2)素淤泥固化土曲线斜率的绝对值比改性淤泥固化土大，这充分说明素淤泥固化土持水性更差。事实上，对于斜率较大的SWCC曲线，其V-G模型［8］的拟合参数n值较大，这表明其孔径分布更均匀。这是由于水泥与土颗粒的结合不仅附着于土颗粒表面，还会通过水化产物形成空间网状结构，这样可导致孔径的分布更为集中于某些尺寸，从而使水泥改性淤泥固化土的n值较小，孔径均匀性更差。

图1 96%压实度下改性淤泥固化土与素固化土的SWCC

2.2 养护龄期对SWCC的影响

表1 96%压实度下改性淤泥固化土与素淤泥固化土SWCC参数

在8%水泥掺量，96%压实度条件下，不同养护龄期的改性淤泥固化土的SWCC如图2所示。分析图2可知:不同养护龄期下改性淤泥固化土的SWCC曲线比较接近。这表明:当养护龄期达到7 d后，养护时间的延长对SWCC的影响并不大。究其原因，这是由于水泥能够与水发生水化反应，形成水化铝酸钙和硅酸钙等胶结产物，水泥水化物易溶于水，只有少量析出的水化物相互凝结硬化形成水泥石骨架。随着水泥水解和水化反应的深入，大量钙离子析出，在偏碱性的环境中，这些多余的钙离子和土体中氧化硅、氧化铝发生反应，生成稳定不溶于水的结晶化合物。这些新生结晶化合物逐渐硬化固结，使改性淤泥固化土内部结构趋于稳定，孔隙结构不发生变化，且不受养护龄期影响。

图2 8%水泥掺量、96%压实度下，不同养护龄期的水泥改性淤泥固化土的SWCC

2.3 压实度对SWCC的影响

8%水泥掺量下，各养护龄期对应不同压实度下改性淤泥固化土的SWCC曲线，如图3所示。由图3可知:随着压实度增大，土体进气值和残余含水率随之增大，但饱和含水率有所减小。经分析可知，这种现象主要是由于压实度增加导致土颗粒变得更加致密，最大孔隙的曲率半径随之减小;同体积下土颗粒短程吸附力所吸附的孔隙水含量显著增加，引起土样的进气值和残余含水率增大;同时，孔隙比减小使饱和状态下水的体积减小，导致土体饱和含水率降低。

图3 不同压实度下的改性淤泥固化土的土—水特征曲线

3 改性淤泥固化土的SWCC预估模型

3.1 水泥掺量对模型参数的影响

由上述分析可知，SWCC受多种因素影响，而从微细观层面来讲，主要由土的孔隙结构所决定［9］，因此，本研究采用Van Genuchten模型(如式(1)所示)描述水泥改性淤泥固化土的SWCC特征。

其中，θr为残余体积含水率;θs为饱和体积含水率;a为模型拟合参数，与土体的最大孔径有关，约为进气值的倒数;n为模型拟合参数，与土体的孔径分布有关;m为模型拟合参数，与土体特征曲线的整体对称性有关，通常取m=1－1/n。

在掺入水泥后及养护过程中，水泥水化反应产生的胶结产物与土颗粒相结合，进而填充土颗粒之间的孔隙，从而改变了土颗粒之间的孔隙结构。另外，压实度的不同将直接影响土体孔隙比。因此，水泥掺量和压实度都能改变初始孔隙比，进而影响SWCC特征。

1)反映水泥掺量影响的改性淤泥固化土初始孔隙比的预估。黄新等人［10］指出，水泥掺量对固化土的结构影响主要来源于胶结和孔隙填充。从其建立的复合土颗粒堆积模型可以看出:固化土中水泥含量较少时，在土颗粒间主要为胶结作用;当水泥充分覆盖于土颗粒表面后，继续填充土颗粒之间孔隙，孔隙率与土体和水泥的堆积体积相关。因此，随着水泥掺量增加，土的初始孔隙比会减小。本试验采用96%压实度试样，在不同水泥掺量下养护28 d后，量测试样的初始孔隙比，结果如图4所示。

图4 不同水泥掺量改性淤泥固化土的初始孔隙比变化曲线

分析图4可知，水泥掺量从0%增加至8%，初始孔隙比随水泥掺量近似呈线性减小。因此，可以得到如下拟合公式:

其中，x为水泥掺量;e0(x)为水泥改性淤泥固化土的初始孔隙比;k1，k2均为拟合参数;ec为该压实度下无水泥的素淤泥固化土的初始孔隙比。将试验数据进行线性拟合，分析可得到k1=－1.006，k2=0.002。

2)初始孔隙比对SWCC模型参数的影响。在8%水泥掺量和28 d养护龄期条件下，不同压实度(初始孔隙比)下的模型参数a，n的数值随初始孔隙比的变化规律如图5所示。

经分析可知:试样初始孔隙比(e0)越大，即压实度相应越小，则相应大孔隙所占比重越大，导致进气值越小，即a值就越大。相关文献分析结果表明［11-15］，进气值的自然对数与初始孔隙比呈近似线性关系，具体数学关系模型如式(3)所示。

分析图5数据，进行拟合分析后计算参数A和B的数值，即分别为3.366×10－3和4.898。据此，可以建立如式(4)所示数学关系:

其中，n值反映了孔径大小分布的均匀性，n值越大表明土样的孔隙分布越均匀［11］。对n值变化的函数关系进行拟合，参数C 和D的拟合值分别为2.694和1.449，即所得关系式如式(5)所示。

图5 不同初始孔隙比的水泥改性淤泥固化土V-G模型参数的变化

3.2 改性淤泥固化土的SWCC模型

综合以上几个关系式，经分析计算，可得反映水泥掺量影响的改性固化淤泥土的SWCC预估模型，如式(6)所示。

其中，θr为残余体积含水率;θs为饱和体积含水率;x为水泥掺量;e0(x)为水泥固化土的初始孔隙比。

3.3 预估模型的试验验证

为验证预估模型(见式(6))的准确性，需要再次进行改性淤泥固化土试样的SWCC试验。试验参数如下，试验(一):养护龄期为28 d，2%水泥掺量，92%，94%，96%和98%等4种不同压实度;试验(二):压实度为92%，2%，4%，6%和8%等4种不同水泥掺量，测量对应压实度下的素固化土孔隙比。

图6为92%压实度、不同水泥掺量对应的改性淤泥固化土28 d养护后的SWCC曲线，拟合参数值如表2所示。分析后可知:初始孔隙比e0和a值的预估值和实测值的最大差值分别为0.013 和0.002 7，而n的预估值与实测值则十分接近。

图6 92%压实度下，不同掺量的改性淤泥固化土的预估土—水特征曲线与实测值

图7 2%水泥掺量下，不同压实度的改性淤泥固化土的预估土—水特征曲线与实测值

图7为2%水泥掺量下，不同压实度的改性淤泥固化土的SWCC曲线特征。根据表3可知，初始孔隙比e0和参数a的预估值和实测值的最大差值分别为0.013和0.002 1，而n的实测值与预估值的最大差值为0.12。也就是说，本文所给出的预估公式是比较合理的。

表2 92%压实度下，不同掺量的改性淤泥固化土的参数预估值与实测值

表3 2%水泥掺量下，不同压实度的改性淤泥固化土的参数预估值与实测值

4 结语

本文针对武汉东湖穿湖隧道淤泥，以资源化利用(路基填料)为目标，利用化学固化剂和机械脱水等相结合技术得到淤泥固化土。掺入水泥进行改性处理后，本研究重点分析了水泥掺量、养护龄期和压实度(初始孔隙比)等参数影响下改性淤泥固化土的SWCC变化规律。分析所得试验数据，可得如下结论:1)水泥改性淤泥固化土相较于素淤泥固化土，其进气值和残余含水率均更大，饱和含水率和初始孔隙比均更低。随着压实度增大，土的进气值逐渐增大，残余含水率升高而饱和含水率降低。养护龄期超过7 d以后，养护龄期对改性淤泥固化土SWCC的影响相对较小。2)提出了考虑水泥掺量影响的改性淤泥固化土初始孔隙比预估模型，分析了初始孔隙比对V-G模型参数的影响规律，建立了考虑水泥掺量和初始孔隙比(压实度)影响的改性淤泥固化土SWCC模型。3)针对不同水泥掺量和不同压实度的改性淤泥固化土样，开展SWCC试验，通过模型参数预估值与实测值对比，证明本文所提出改性淤泥固化土SWCC模型是合理的。

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Soil-water characteristics of solidified sludge modified with cement★

Wang Yuanming1Zhang Fengde1Shen Liuming2He Yang3Cui Qingfeng1Zhang Zhichun1

(1.Sanjiang Engineering Construction Administration Bureau of Heilongjiang，Harbin 150006，China; 2.AC Construction Branch，State Grid Corporation of China，Beijing 100052，China; 3.School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

The Soil-Water Characteristic Curve(SWCC)of solidified sludge soil modified with cement was measured by TRIM system based on unsaturated transient flow theory.The influence of compaction degree，curing age and cement content on SWCC was emphatically analyzed.According to the experimental results of SWCC on cement-modified sludge soils，the established method for predicting the parameters of SWCC model related to the initial void ratio are analyzed，and then the SWCC model considering the effect of compaction degree，curing age and cement content is established.The SWCC model is proved to be reasonable by evaluation the effect of different influencing factors.

solidified sludge soil，SWCC model，cement，compaction degree

TU443

A

1009-6825(2016)35-0067-04

2016-10-09

★:黑龙江三江工程建设管理局项目(项目编号:SGZL/KY-15);中建三局投资发展有限公司科技项目(项目编号:250000270)

王远明(1984-)，男，博士