水泥半固化处理土工程性质研究❋

苏晓腾， 杨俊杰， 董猛荣， 王晓倩， 焦德才

(中国海洋大学 环境科学与工程学院， 海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100)

中国幅员广阔，江河湖海众多，疏浚工程是开发、改善和维护航道、港口及湖泊水域的重要手段。疏浚泥是疏浚过程产生的一种高含水量的淤泥。随着港口建设、航道维护、生态环境改善需求的增加，疏浚泥日益增多。为了缓解疏浚泥处置对环境的压力及促进疏浚泥资源的循环利用，人们对疏浚泥开展了大量的资源化利用研究和实践。其中，将水泥等固化剂与疏浚泥混合后作为土工材料用于填筑工程是淤泥资源化利用的一个重要途径[1]。

半固化处理土是将少量固化剂与疏浚泥等软土拌和，并结合碾压用于填筑工程的可储存可运输可重复利用的土工材料。改性土、材料化处理土[2]、土壤化土等均可称为半固化处理土。顾名思义，半固化处理土减少了固化剂掺量，降低了工程成本；同时少量的固化剂只是降低了素土的含水量和塑性，使素土呈易于碾压的松散状态，使得碾压后的半固化处理土具有更加密实的结构，强度特性有时甚至优于固化土。

针对半固化土的物理性质，张铁军等[3]研究了石灰改性疏浚淤泥含水量变化规律，并导入含水量降低率的概念及处理土含水量的预测公式。邓东升等[4]通过添加生石灰的方法对高含水量淤泥进行改性处理，结果表明，处理土的塑性指数随掺灰比的增加而降低；当掺灰比大于某一值(10%)，塑性指数降低不明显，且处理土的塑性指数降低主要发生在龄期的前3天。桂跃等[5]研究了闷料期含水量降低率和掺灰比的关系、塑性与闷料期的关系，指出闷料期越长对处理土的干化效果越有利。

针对半固化土的击实特性，Omar等[6]研究了水泥处理泥灰质土的击实特性，发现处理土的最大干密度随着掺灰比增加而增大，最优含水量随水泥掺入比的增加而降低。王宝田等[7]研究了不同闷料期对石灰处理土击实效果的影响，结果表明随着闷料期的延长，处理土的最大干密度降低，最优含水量基本不变。桂跃等[8]采用不同击实方法(超轻型击实、标准击实、重型击实)研究了处理土的击实性质，并提出了利用处理土的含水比来选择击实方法和利用干密度随击实次数变化规律来判断土的击实程度的建议。

另有学者研究了半固化土的强度特性，佐藤厚子等[9]研究了水泥和石灰处理土的强度特性，明确固化土与半固化土的无侧限抗压强度存在一定关系，且半固化土的抗剪强度参数可以用无侧限抗压强度表示。时田博之等[10]通过在淤泥中掺入水泥、石灰和粉煤灰研究其强度特性，发现达到相同的强度，半固化土的经济性优于固化土。何毅等[11]通过研究半固化土的强度性质与掺入比及闷料期的关系，定性的分析出了疏浚泥半固化处理的水泥掺量的范围。

综上所述，学者们分别从物理性质、击实性质、强度性质三方面对半固化土进行了研究，但是关于半固化处理土的固化剂掺量的范围，只是进行了定性的分析，没有一个量化的指标或方法来确定适合半固化处理的固化剂掺量界限。

本文通过处理土含水量试验、液塑限试验、击实试验和无侧限抗压强度试验，研究了处理土的物理性质及力学性质，提出了基于含水量变化规律的确定半固化处理土水泥掺量界限的方法，并讨论了位于固化区和半固区处理土的物理力学性质。

1 试验方案与试验概况

图1为半固化处理土的现场施工工艺及对应的室内模拟试验步骤的示意图。现场施工工艺分为搅拌、储存和运输、压实、养护及强度检测，对应的室内试验以拌和、闷料、击实、标准养护及强度试验进行模拟。半固化处理土的龄期分为两部分，龄期t1为处理土从搅拌到压实所等待的时间，包括储存和运输时间，是半固化处理土的主要特点，室内试验被称之为闷料期。龄期t2为从现场压实到强度检测的养护期，室内则为标准养护时间。影响处理土的物理性质的因素包括素土性质、固化剂掺量和龄期；影响处理土的击实性质和力学性质的因素除上述三种因素外，还包括处理土压实或击实的方式和能量。本文通过室内模拟试验实施了不同土、不同初始含水量、不同水泥掺量、不同闷料期t1的处理土的含水量试验、液塑限试验、击实试验、无侧限抗压强度试验。

图1 半固化处理土的现场施工工艺及对应室内模拟试验步骤示意图Fig.1 Schematic diagram of site construction process and laboratory test

1.1 试验材料

试验所用土样为高岭土、潍坊港疏浚泥、黄河口粉土三种。对试验用土按照《土工试验方法标准》[12]实施了液限、塑限、比重及颗粒分析试验，得到的物理性质如表1。根据《建筑地基础设计规范》(GB50007—2011)[13]的分类方法，高岭土属于黏土，潍坊港疏浚泥属于粉质黏土，黄河口粉土属于粉土。试验用水泥为山东水泥集团有限公司生产的32.5#普通硅酸盐水泥。高岭土用海水素制备的海水搅拌，潍坊港疏浚泥和黄河口粉土用蒸馏水搅拌。

表1 试验用土的基本物理性质Table 1 The basic physical properties of soil are tested

Note：①Kaolin;②Dredge soil of Weifang;③Silt in Yellow River Mouth

1.2 试验方案

试验方案如表2所示。其中，初始含水量wn为试验用水的质量与干土质量的比值，水泥掺入比as为水泥质量除以干土的质量。

表2 试验方案一览表Table 2 List of testing program

1.3 试验方法

根据试验方案，先将试验用土和水泥放入搅拌桶中人工搅拌，形成干粉混合物，再加入水进行机器搅拌5～10 min，搅拌完成后将混合物放入密封的塑料桶闷料形成处理土，对达到龄期的处理土进行基本物理性质试验和击实试验，试验按照《土工试验方法标准》[12]进行。然后根据击实试验的结果，利用密度控制制备无侧限抗压强度试样，将试样击实在高10 cm，直径5 cm的金属模具中后立即脱模并进行无侧限抗压强度试验。

2 基于含水量变化规律确定半固化处理土水泥掺量界限

2.1 闷料期、水泥掺入比对处理土含水量的影响

图2(a)为黄河口粉土处理土含水量随闷料期的变化关系。由图可知，处理土的含水量在短龄期内降低较快，闷料期5 d以后，含水量降低幅度变小并趋于稳定，以下研究含水量与水泥掺量的关系时，只分析闷料期5 d的含水量变化规律。

图2(b)为闷料期5 d的处理土含水量随水泥掺入比的变化关系。处理土的含水量随水泥掺入比的增加而降低。在本试验条件下，水泥掺入比较小时，含水量降低幅度大，掺入比较大时，降低幅度较小，并趋于稳定。

图2 闷料期、水泥掺入比对含水量的影响Fig.2 The influence of cement ratio and delay time on water content

2.2 含水量降低率

为对比不同处理土在不同水泥掺入比下的含水量的变化趋势，引入含水量降低率[3]的概念，定义式如下：

(1)

式中：Dw为含水量降低率；wn为土的初始含水量；wT为闷料至指定龄期的处理土的含水量。

图3为闷料期为5 d处理土的含水量降低率和水泥掺入比的关系。由图可见，掺入比较低时，处理土的含水量降低率随水泥掺入比增长较快，掺入比较大时，增长变缓。

图3 含水量降低率与水泥掺入比as的关系Fig.3 Relationship between decreasing ratio of water and cement ratio

2.3 用双曲线近似方法确定半固化处理土的水泥临界掺入比

处理土的含水量降低率随掺入比的关系曲线与双曲线十分相似，利用双曲线对含水量降低率数据进行拟合，将双曲线的初始切线与渐近线的交点对应的横坐标的水泥掺入比作为处理土的界限掺入比[14]。拟合公式为：

(2)

式中：as为水泥掺入比(mc/ms)；Dw为含水量降低率；A、B为回归系数，可根据试验数据得到回归系数A、B的数值。

图5为与含水量降低率Dw的关系图(式(2)变形后进行求导)。由图可知，超过界限掺入比as0对应的Dw0(0.5/B)后，Dw每增加一点，水泥掺入比急剧增加。结合双曲线的性质，当水泥掺入比小于as0时，处理土的含水量降低随掺入比的变化明显，当水泥掺入比超过as0后，含水量的降低率增长变缓，因此，这个临界掺入比as0将作为半固化处理土与固化处理土的界限值。

图4 双曲线回归Fig.4 Hyperbolic fitting

图5 与含水量降低率Dw的关系图Fig.5 Relationship between decreasing ratio of waterand

根据上述双曲线回归方法，对不同处理土的含水量降低率进行了双曲线回归，并根据双曲线的性质计算出处理土的临界掺入比as0(初始切线和渐近线交点的横坐标)，由于本试验中的水泥掺入比是干土的掺入比as，即水泥质量与干土质量之比，需将掺入比as转化为掺入比ac，转化公式为：

(3)

式中：ac为水泥掺入比(mc/m)；as为水泥掺入比(mc/ms)；wn为土的初始含水量。

图6为计算得出不同处理土界限掺入比ac0与含水比的关系图，由图可知，不同处理土的ac0与原土的含水比存在线性关系。通过所有数据点线性回归出如下一个公式：

ac0=4.15aw。

(4)

由公式(4)可知，在实际工程应用中，对原土进行含水量试验和液塑限试验，得出土的初始含水量及液限，就可以计算出该种土半固化处理的水泥掺入比的界限。当处理土的水泥掺入比大于公式计算的掺入比时，处理土为固化土，当掺入比小于计算得出的掺入比时，处理土为半固化土。利用公式(4)对文献[11]中的试验用土(wn=62%、wL=53%)进行计算求得ac0=4.85%，此计算值与文章中通过分析试验数据得到的适合半固化处理的掺入比4.4%相对应。

图7为利用回归直线画出的处理土的半固化区和固化区的区分图，即在回归线以上部分时，处理土为固化土，回归线以下时，处理土为半固化土。

图6 界限掺入比ac0与含水比的关系Fig.6 Relationship between limit ratio of cement and water content

图7 固化与半固化区分图Fig.7 Differentiation graph between solidification and semi-solidification

3 半固化处理土的物理力学性质

根据试验条件把室内试验的试样点标在上述得出的区分图中(见图8)，对比处于固化区和半固化区处理土物理力学性质。

3.1 处理土的液限、塑限和塑性指数

图9为不同闷料期的高岭土处理土的液限、塑限、塑性指数随着水泥掺入比as的变化曲线。相比于素土的塑限、液限及塑性指数(对应图中由上到下的三条虚线)，处理土的塑限、液限及塑性指数随闷料期变化不明显；塑限随水泥掺入比基本不变；液限和塑性指数随掺入比增大而减小，水泥掺入比较小时(半固化范围)，降低幅度较大，水泥掺入比较大时(固化范围)，降低趋势趋于平稳。

图8 固化半固化区分图Fig.8 Differentiation graph between solidification and semi-solidification

图9 界限含水量及塑性指数随水泥掺入比的变化Fig.9 Variation of water ratio limit and plastic index with cement ratio

3.2 处理土的击实性质

图10为处理土的干密度随水泥掺入比ac(换算后)的变化曲线图，水泥掺入比在半固化区范围内时，干密度随着水泥掺入比ac的增大而增大且增幅比较明显，当水泥掺入比在固化区范围内，处理土的干密度随着掺入比的变化趋势不明显，甚至会随着掺入比的增大而降低，此时的水泥掺量超过半固化处理所需掺量，击实可能对处理土的整体性造成破坏导致干密度不再增加甚至降低。

3.3 处理土的强度性质

图11为处理土的无侧限抗压强度随水泥掺入比ac的变化曲线图，水泥掺入比在固化区范围，无侧限抗压强度随着掺入比的增大而增大，超过半固化范围在固化范围时，处理土的无侧限抗压强度几乎不再增加甚至出现了强度下降，可知当水泥掺入比超过界限值时，处理土已经基本接近固化程度。

图10 干密度随水泥掺入比的变化Fig.10 Variation of dry density with cement ratio

图11 无侧限抗压强度随水泥掺入比的变化Fig.11 Variation of unconfined compressive strength with cement ratio

4 结论

本文基于处理土的含水量变化规律，提出了确定半固化处理水泥掺量的界限的方法，并讨论了位于固化区和半固区处理土的物理力学性质，结论如下：

(1)处理土的含水量随水泥掺入比的增加而降低，水泥掺入比较小时，含水量降低幅度大，掺入比较大时，在本文试验条件下，含水量降低幅度较小，并趋于稳定。

(2)提出了利用含水比区分固化和半固化的水泥掺入比界限经验公式及区分图。位于固化区和半固化区的处理土的物理力学性质具有比较明显的差异。固化土和半固化土的界限经验公式或区分图简单实用，可为疏浚泥等软土半固化处理的设计和施工提供理论依据。