腐殖酸对污泥固化土长期强度的劣化效应

吴 军，汪洪星，谈云志，黄龙波，胡莫珍

(三峡大学 a.水电工程施工与管理湖北省重点实验室； b.三峡库区地质灾害教育部重点实验室; c.特殊土土力学研究所，湖北 宜昌 443002)

腐殖酸对污泥固化土长期强度的劣化效应

吴 军a,b,c，汪洪星a,b,c，谈云志a,b,c，黄龙波a,b,c，胡莫珍a,b,c

(三峡大学 a.水电工程施工与管理湖北省重点实验室； b.三峡库区地质灾害教育部重点实验室; c.特殊土土力学研究所，湖北 宜昌 443002)

研究腐殖酸对污泥固化土长期强度的影响具有重要意义。对有机质含量较低的污泥分别添加0.5%,1.5%,3%,4.5%,6%的腐殖酸，基于水泥、偏高岭土、石灰等固化剂进行固化，得到标准养护状态下240 d污泥固化土的抗弯强度、应力-应变关系及破坏应变的发展规律。研究结果表明：在外加腐殖酸和污泥固有有机质缓释腐殖酸的协同作用下，固化土初期抗弯强度急剧增加，随后有不同程度的降低;腐殖酸添加量从0.5%到6%，各龄期固化土抗弯强度几乎都有一定程度劣化，固化作用和腐殖酸侵蚀作用平衡点由180 d提前到60 d;高含量腐殖酸固化土的破坏模式呈“塑性→脆性→偏塑性”变化规律，腐殖酸含量越大，塑性破坏作用越明显。

污泥固化土;腐殖酸；长期强度；应力-应变关系；劣化效应；破坏模式

1 研究背景

为保证航道的畅通，需对河流、湖泊、海洋等进行疏浚，由此产生大量的疏浚污泥[1-2]。疏浚污泥天然含水率一般达到150%以上，多为液限的2～3倍，黏粒含量大，排水性差，强度非常低[3]。如何高效处理和利用这些污泥，是建设过程中亟待解决的难题，海洋倾倒和陆地抛填等常规方法因不可避免地污染周边环境而受到越来越多学者的质疑，甚至有逐渐被抛弃的趋势；因此，需要探索行之有效的污泥处置方法，以达到将污泥“变废为宝”的最终目的。将污泥通过固化处理，转化成为新型土工建筑材料，既可解决污泥堆积占地和环境污染等问题，又可缓解工程用土日益增长和建设成本不断攀升的困境，且其成本较低、效率较高，是一种经济效益和社会效益兼顾的发展模式，因而受到众多学者的广泛关注[4-7]。当前研究主要通过添加不同配比固化材料，通过28 d龄期的无侧限抗压强度、压缩屈服应力、抗剪强度等参数来表征其强度。首先，固化污泥的强度与水泥添加量呈正比关系。水泥固化污泥过程中存在一个最低水泥添加量，小于此添加量时几乎没有固化效果[8]。其次是固化土的初始含水率，研究表明，水泥固化土的抗压强度与土的初始含水率的平方呈反比关系[9]。含水率还会影响污泥的黏聚力，使土颗粒间作用力减弱。黄丽珊[10]的研究表明，污泥的黏聚力与液限和含水率之差呈正比，定量分析了含水率对污泥黏聚力的影响程度。

众所周知，富含有机质是污泥的一个显著特征，污泥中有机质的主要成分是腐殖物质，腐殖物质是经微生物作用后，在土壤中新形成的一种特殊类型的高分子化合物，其分子结构复杂，较难为微生物所分解，有机质中腐殖酸的存在影响着土体的性能[11]。试验及实践均证明，腐殖酸会对固化效果产生副作用，随着有腐殖酸含量的增加，无侧限抗压强度会逐渐减小[12]。但是，当前绝大多数研究人员和工程技术人员十分关注固化后达到的即时效果，而淡化甚至忽略固化土的长期力学性能演化过程,从而导致一些固化土路基填料工程在验收时符合工程技术标准，但在后期运营中却发生沉降和失稳等灾变现象。污泥自身富含的有机质释放的腐殖酸对固化土的长期力学强度有何影响？腐殖酸的含量对固化土的劣化效应影响程度有多大？关于这方面的研究鲜有报道。

因此，本文采用在污泥中添加不同含量的腐殖酸，在标准状态下进行长期养护，通过其抗弯强度、应力-应变、破坏强度等指标，研究不同有机质含量污泥固化土的耐久性，为类似工程的设计提供参考。

2 试验方案

2.1 试验材料

2.1.1 污 泥

试验污泥取自湖北宜昌某湖泊清淤现场，污泥土为黑色、流塑状,泥质细腻、含少量有机质及动植物残体残叶，经高精度数显pH计测量呈弱酸性。基本物理性质如表1，其中液塑限及粒度成分依据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[13]测定，有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定。可见污泥初始含水率较高，达到178%，细小颗粒含量较高，达到81.3%。

2.1.2 固化材料

固化材料为水泥、偏高岭土、生石灰的混合物，其中水泥为葛洲坝水泥厂生产的三峡牌525普通硅酸盐水泥，各项性能指标均满足规范要求，其化学成分如表2，偏高岭土为高岭土在850 ℃下煅烧而成。

表1 污泥基本物理性质指标

表2 普通硅酸盐水泥的化学成分含量

图1 预压装置示意图Fig.1 Schematic diagram of pre-pressing device

2.1.3 腐殖酸

腐殖酸为粉末状，其中纯腐殖酸占70%，黄腐酸占20%，灰分占10%，微溶于水，易溶于碱液。

2.2 试样制备及养护

由于污泥天然含水率

较高，首先需降低污泥含水率，为了避免烘干翻晒对污泥中有机质造成的破坏，采用预压法进行降水，如图1所示。先通过堆载砝码将污泥的水分挤出，水分汇聚到压缩室中央的排水孔;再通过导管流入密闭量筒中;最后读取量筒示数可以精确计算出污泥含水率的变化情况,其计算公式为

(1)

式中：w1为实时含水率(%)；w0为污泥初始含水率(%)；m为污泥质量(g)；ρ为污泥中水的密度(g/cm3)；v为量筒中水的体积(cm3)。

根据区内工勘孔及有关调查资料，池州市中心城区地下水位埋深一般0.4～5.0 m，局部地下水位埋深为9.7 m(位置较高处)，地下水位埋深整体较浅，年变幅小于1 m。

将污泥含水率通过预压法降至100%后，取一定质量污泥按湿质量比添加15%水泥、10%偏高岭土和5%石灰，先通过搅拌棒初步拌合土样，然后用小型搅拌机进行充分搅拌，将拌合均匀土样平均分为5组，然后分别添加0.5%,1.5%,3%,4.5%,6%的腐殖酸粉末，再次用搅拌机拌合均匀。污泥的强度用抗弯强度进行表征，是因为腐殖酸主要对固化土化学胶结物产生侵蚀作用，其对土样强度的影响程度可能没有冻融循环或干湿循环作用明显。因此，估计难以通过无侧限抗压强度反映出来(试验误差也许掩盖了腐殖酸的作用)，抗弯强度试验可以回避无侧限抗压强度试验中的端部约束影响，而且能间接反映固化土的黏聚力大小。因此选择弯曲强度反映腐殖酸对污泥固化土的长期侵蚀作用程度。

图2 抗弯强度试验示意图Fig.2 Schematic diagram of bending strength test

抗弯强度试验如图2所示，试验所用模具为定制梁式对开模，试样尺寸为100 mm×25 mm×35 mm(长×宽×高)。试样制作时，先在模具内壁均匀涂抹少量凡士林，将拌合料按照湿密度为1.2 g/m3称重一次性装入对开模中，用千斤顶进行压实，然后拆卸模具获取梁式试样。使用塑料保护套将试样固定，然后编号用保鲜膜包裹后放置恒温恒湿箱中养护，3 d后卸掉塑料保护套继续养护，养护温度为25 ℃，湿度为95%。

图3 抗弯强度测试仪Fig.3 Photo of bending strength test apparatus

2.3 试验过程

试样测试龄期分别为7,14,28,60,120,180,240 d。养护至测试龄期后根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[14]进行抗弯强度试验，每个龄期取3个试样进行平行试验，取其平均值作为最后的强度和变形情况。本试验所用抗弯强度测试仪由无侧限抗压强度试验仪改装而成，如图3所示，该设备由数显测力计、加压框架、电动升降设备组成，升降台移动速度为1 mm/min。

抗弯强度计算公式为

(2)

式中：RS为抗弯强度(MPa)；P为荷载(N)；L为跨距，也就是两支点间的距离(mm)；b为试样宽度(mm)；h为试样高度(mm)。

3 试验结果

3.1 试验现象

选取240 d龄期0.5%腐殖酸含量固化土和6%腐殖酸含量固化土弯曲破坏过程进行分析。如图4(a)，在0.5%外加腐殖酸和污泥本身缓释腐殖酸的双重侵蚀作用下，试样表面均匀分布有少数肉眼可见的微小孔洞，试样破坏裂缝由中下部向左上部逐渐贯通，破坏后试样的横断面凹凸不平，色泽均匀，有很多小孔隙；如图4(b)，在6%外加腐殖酸和污泥本身缓释腐殖酸的双重侵蚀作用下，试样表面孔洞明显增多，破坏裂缝由右下部径直向右上部贯通，破坏后试样横断面相对平坦。同时由于受到高含量腐殖酸的侵蚀，胶结结构破坏明显，腐殖作用持续进行，试样内部会残留一些黑色腐殖质充填于损伤孔隙中，这种现象在试样中部表现更为明显。

图4 试样破坏形态

污泥固化土养护前期(7 d)、中期(120 d)、后期(240 d)的试样应力-应变曲线如图5所示。

图5 应力-应变关系曲线Fig.5 Stress-strain curves

从图5可以看出，7 d时，腐殖酸的含量不同对污泥固化土的破坏强度和破坏应变(试样达到抗弯极限强度时对应的应变)的影响不明显;随着养护龄期的增加，至120 d时，0.5%腐殖酸固化土破坏强度明显高于6%腐殖酸固化土的破坏强度，且其破坏应变为1.98%，明显<6%腐殖酸固化土的破坏应变(2.34%);养护至240 d时，不同含量腐殖酸固化土的破坏强度和破坏应变之间的差距进一步加大，0.5%腐殖酸固化土试样在受荷初期，应力-应变曲线近似为直线，随着应力的增加，应变增加相对缓慢，直至达到1.81%的破坏应变，随后试样瞬间断裂，应力陡然下降,6%腐殖酸固化土受荷初期应力-应变呈指数关系增长，应变增长率先快后慢，直至达到2.69%的破坏应变。随后试样产生裂缝，应力急剧下降但并未完全丧失，随着破坏裂隙的逐渐贯通，应力逐渐下降，应变逐渐增大。由此可以看出，240 d时，0.5%腐殖酸污泥固化土的破坏模式为典型的脆性破坏模式，6%腐殖酸固化土在变形初期和末期呈一定的塑性破坏模式，但也呈现出一定的脆性特征，为偏塑性破坏模式。

不同腐殖酸含量不同龄期的破坏应变如图6。养护初期，由于固化剂的胶结作用，污泥固化土的强度逐渐增强，破坏应变均有所减小，刚度逐渐增强；养护至后期，固化作用逐渐减弱，在外加腐殖酸与淤泥固有腐殖酸的缓释作用下，污泥固化土胶结结构持续被破坏，破坏应变有所增加，刚度逐渐减小。对于高含量腐殖酸(4.5%,6%)破坏应变后期增加显著。在240 d时6%腐殖酸固化土破坏应变达到2.69%，是0.5%腐殖酸破坏应变的1.5倍左右。

图6 破坏应变与养护龄期的关系

3.3 抗弯强度发展规律

各腐殖酸含量污泥固化土抗弯强度如图7。腐殖酸含量对7 d龄期强度影响不大，都在350 kPa左右，养护至28 d时，差异开始凸显，0.5%腐殖酸固化土抗弯强度达到701.2 kPa，6%腐殖酸固化土抗弯强度也达到了586.9 kPa。高腐殖酸含量固化土样抗弯强度明显低于低腐殖酸含量固化土样，随着养护的继续进行，抗弯强度趋于平稳，但在后期有所劣化，其中0.5%,1.5%腐殖酸固化土强度劣化始于180 d，3%,4.5%腐殖酸固化土劣化始于120 d，6%腐殖酸劣化始于60 d。

图7 固化土的抗弯强度

3.4 试验结果分析

图8 固化土长期强度劣化示意Fig.8 Diagram of long-term strength deterioration of solidified soil

根据试验结果，可以看出：由于腐殖酸的介入，低含量腐殖酸固化土(0.5%,1.5%)随龄期增长基本呈“塑性→脆性”破坏模式；高含量腐殖酸固化土(4.5%,6%)污泥固化土随龄期增长基本呈“塑性→脆性→偏塑性”的破坏模式，固化土强度呈“大幅增长→趋于稳定→略有降低”的趋势。养护初期，固化剂中的石灰在高含水率的污泥中水解生成Ca(OH)2，水泥水解产物也为弱碱性，会中和部分腐殖酸，但腐殖酸仍有残留;28 d龄期内，一方面固化剂会对污泥进行高效固化，另一方面外加腐殖酸会缓慢破坏胶结物结构，故外加腐殖酸含量高的固化土28 d强度低于低含量腐殖酸固化土。随着养护的进行，污泥固有的有机质会缓慢释放腐殖酸，协同外加残留腐殖酸对胶结物进行进一步侵蚀，同时胶结作用也持续进行，当污泥固化土中的胶结物引起的强度增长量和腐殖酸的侵蚀作用引起的强度劣化量相等时，固化土强度处于动态平衡状态，称这一时刻为“强度平衡点”。养护后期，胶结作用趋于停止，但外加腐殖酸和污泥缓释腐殖酸对胶结作用的侵蚀作用并未停止，故其强度开始缓慢下降。0.5%，6%的腐殖酸含量固化土的腐殖酸侵蚀作用和固化剂胶结相等点分别为180，60 d，可知淤泥初始腐殖酸含量越高，污泥固化土强度耐久性越差，污泥固化土长期强度劣化过程如图8。

4 结 论

(1) 在外加腐殖酸和污泥本身赋存有机质缓释腐殖酸的协同作用下，污泥固化土强度随养护龄期变化规律为“大幅增长→趋于稳定→略有降低”。其中强度平衡点随腐殖酸含量增加而提前。

(2) 在外加腐殖酸和污泥本身赋存有机质缓释腐殖酸的协同作用下，低含量腐殖酸为“塑性→脆性”破坏模式，高含量腐殖酸污泥固化土为“塑性→脆性→偏塑性”破坏模式。腐殖酸含量越高，养护后期塑性变化越明显。

(3) 腐殖酸含量对污泥固化土短期强度影响不明显，但由于污泥内赋存的有机质在漫长养护期内会持续缓慢释放腐殖酸，故其长期强度会有一定程度的劣化。换言之，作为路基填料时会影响其耐久性，工程设计时应优先选用低腐殖酸含量污泥作为固化对象。

[1] SIGUA G C.Current and Future Outlook of Dredged and Sewage Sludge Materials in Agriculture and Environment[J].Dredged and Sewage Sludge Materials,2005，5(1)：50-52.

[2] QIAO D，QIAN J，WANG Q，etal.Utilization of Sulfate-rich Solid Wastes in Rural Road Construction in the Three Gorges Reservoir Resources[J].Conservation and Recycling,2010，54(12)：1368-1376.

[3] 朱 伟，张春雷，刘汉龙，等.疏浚泥处理再生资源技术的现状[J].环境科学与技术，2002，25(4)：39-41.

[4] 罗 丽，刘文白，王晓琳，等.固化疏浚泥室内渗透试验研究[J].长江科学院院报，2016，33(3)：89-92.

[5] MAHER A，DOUGLAS W S，JAFARI F.Field Placement and Evaluation of Stabilized Dredged Material(SDM)from the New York/New Jersey Harbor[J].Mar Georesour Geotechnol，2006，24(4)：251-263.

[6] KAMALI S，BERNARD F.ABRIAK N E，etal.Marine Dredged Sediments as New Material Resource for Road Construction[J].Waste Management，2008，28(5)：910-928.

[7] 王东星，徐卫亚.固化淤泥长期强度和变形特性试验研究[J].中南大学学报(自然科学版)，2013，44(1)：332-339.[8] 汤怡新，刘汉龙，朱 伟.水泥固化土工程特性试验研究[J].岩土工程学报，2000，22(5)：549-554.

[9] TANG Y X，MIYAZAKI Y，TSUEHIDA T.Practices of Reused Dredgings by Cement Treatment[J].Soils and Foundations，2001，41(5)：129-143.

[10]黄丽珊.浅析饱水淤泥和粘性土的粘聚力[J].矿产与地质，2005，19(2)：201-203.

[11]曹 净，余再西，刘海明，等.富里酸对红黏土水泥土复合体的侵蚀性试验研究[J].昆明理工大学学报(自然科学版)，2015，40(1)：35-39.

[12]陈惠娥.有机质影响水泥加固软土效果的研究[D].长春：吉林大学，2006.

[13]JTG E40—2007，公路土工试验规程[S]. 北京：人民交通出版社，2007.

[14]JTG E51—2009,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2009.

(编辑：占学军)

Degradation Effect of Humic Acid on Long-term Strengthof Solidified Sludge Soil

WU Jun1,2，3，WANG Hong-xing1,2，3，TAN Yun-zhi1,2，3，HUANG Long-bo1,2，3，HU Mo-zhen1,2，3

(1.Hubei Provincial Key Laboratory of Construction and Management in Hydropower Engineering, China Three Gorges University,Yichang 443002,China ;2. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area under Ministry of Education, China Three Gorges University,Yichang 443002,China； 3.Institute of Problematic Soil Mechanics, China Three Gorges University, Yichang 443002,China)

Studies on the effect of humic acid on the long-term strength of solidified sludge soil, are of great importance. In this research, sludge with low organic matter content was solidified by mixtures of cement, metakaolin,and lime, etc. On this basis, humic acid in proportion of 0.5%, 1.5%, 3% and 4.5%, 6%, respectively, was added into the sludge. The development laws of bending strength, stress-strain relationship and failure strain of solidified sludge soil under standard curing condition for 240 days were obtained.Results revealed that 1) under the joint actions of humic acid and inherent humic acid slowly released from organic matters of the sludge, the initial bending strength of solidified soil increased rapidly and then decreased to different extents; 2) when humic acid content increased from 0.5% to 6%, the bending strength of solidified soil at different ages almost degraded to a certain degree, and the balance between solidification and humic acid erosion occurred in advance, from the 180th day to the 60th day; 3) the failure mode of solidified soil with high content of humic acid experienced the tendency from plastic failure to brittle failure, and then to partial plastic failure, and the bigger content of humic acid is, the more obvious the action of plastic failure is.

solidified sludge soil; humic acid;long-term strength; stress-strain relationship;degradation;failure mode

2016-05-23；

2016-11-03

水电工程施工与管理湖北省重点实验室(三峡大学)开放课题(2014ksd14)；三峡大学博士科研启动基金(KJ201413036)；三峡大学科研创新基金(2015CX035)

吴 军(1990-)，男，湖北黄冈人,硕士研究生，主要从事软土加固试验研究，(电话)18871730575(电子信箱)76258949@qq.com。

汪洪星(1983-)，男，湖北咸宁人,讲师，博士，主要从事软土加固及土体本构模型研究，(电话)13986829679(电子信箱)wanghongxinglih@126.com。

10.11988/ckyyb.20160501

2017,34(8):130-134

TU411

A

1001-5485(2017)08-0130-05