（岩土工程专业论文）粘粒含量对淤泥固化效果的影响及其机理研究.pdf

摘要 淤泥是一种水利、环境和土木工程中大量产生的废弃土，通过固化将其转化为土 材料的方法是一种有效的荐生资源化途径。在对我国不同地区淤泥的固化处理研究 中，发现不同淤泥的固化效果会有较大的差异，淤泥的粘粒含量是一个重要的影响因 素。本文通过制各了不同粘粒含量的淤泥，研究粘粒含量对淤泥固化效果的影响，并 通过试验对其影响机理进行探讨。 本文的主要工作如f ： ( 1 ) 通过从一种粘土中提取粘粒，然后配制成不同粘粒含量的淤泥，并使得土样的 含水率、有机质含量、矿物成分都比较接近。 ( 2 ) 通过无侧限抗压强度试验，得到了不同水泥掺入量、不同龄期固化淤泥无侧限 抗压强度与粘粒含量的关系。研究表明在工程实用的范围内存在一个适宜粘粒含量 ( c c o v ) ，粘粒含量为c c o p 时固化淤泥具有最大的无侧限抗压强度和最小的破坏应变。 c c o p 随着水泥掺入量的增加而增加，龄期对c c 0 ，没有影响。 ( 3 ) 对不同粘粒含量的固化淤泥进行三轴固结不排水试验，明确了固化淤泥凝聚力 和内摩擦角随粘粒含量变化的规律，结果表明粘粒含量主要是影响了固化淤泥中团粒 体的胶结作用从而影响其强度。 ( 4 1 通过离心机试验和含水率试验对不同粘粒含量固化淤泥的水分转化进行研究， 结合水转化量随粘粒含量的变化规律与无侧限抗压强度随粘粒含量的变化规律一致， 结合水转化量与凝胶态水化产物量相对应，表明粘粒含量影响了凝胶态水化产物的量 从而影响固化淤泥的强度。 关键词：淤泥、固化、固化效果、粘粒含量、影响机理 a b s t r a c t m u c hs i l to c c u r r e di nt h ep r o j e c t so fw a t e re n g i n e e r i n g , e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n ga n d c i v i le n g i n e e r i n g t h es o l i d i f i c a t i o nm e t h o di sr e s u l t f u l ，w h i c hd i s p o s et h es i l ta n dr e u s ei t i ne a r t h w o r k s n es i l td r e d g e df i o md i f f e r e n tr e g i o n sh a dd i f f e r e n ts o l i d i f i e d , s t r e n g t h c l a yc o n t e n to ft h es i l t i sam a i nf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e st h es o l i d i f i e ds t r e n g t h i nt h i s p a p e r , t h ei n f l u e n c eo fc l a yc o n t e n to ns o l i d i f i c a t i o ne i t e c tw a ss t u d i e db yp r e p a r e ds i l t w i t hd i f f e r e n tc l a yc o n t e n tw h i c ht r e a t e db yc e m e n t ，a n dt h ei n f l u e n e e sm e c h a n i s mo fc l a y c o n t e n tw a sd i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h a n dc l a yc o n t e n t o b t a i n e da td i f f e r e n tc e m e n tc o n t e n ta n dd i f f e r e n tc u r i n gt i m ew e r es t u d i e db yu n c o n f i n e d c o m p r e s s i v et e s t s a no p t i m u mc l a yc o n t e n t ( c c o p l ) i ss h o w e dw h i c hc o r r e s p o n d i n gt ot h e m a x i m u mu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dm i n i m u mf a i l l es t r a i no fs o l i d i f i e ds i l t c c o pi n c r e a s e sw i mc e m e n tc o n t e n tb u tr a r e l ya f f e c t e db yc u r i n gt i m e ( 2 ) c o n s o l i d a t e du n d r a i n e dt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t sw e r ec o n d u c t e dt or e v e a lt h e i n f l u e n c eo fc l a yc o n t e n to nc o h e s i o na n da n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o no fs o l i d i f i e ds i l t t h e c o h e s i o ni n c r e a s e dw i t hc l a yc o n t e n t ，a n dt h e nb e g a nt od e c r e a s ea f t e rc l a yc o n t e n tb e y o n d ac e r t a i nv a l u ew h i c hi na c c o r d 、) l r i mt h eg c 瓿o b t a i n e db yu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v et e s t s a n g l eo f i n t e r n a lf r i c t i o no f t h es o l i d i f i e ds i l td e c r e a s e dw i t hi n c r e a s eo f c l a yc o n t e n t ( 3 ) t h ew a t e rt r a n s f e rf o rs o l i d i f i e ds i l tw i t hd i f f e r e n tc l a yc o n t e n tw a ss t u d i e db ya c e n t r i f u g ea n dw a t e rc o n t e n tt e s t s c h a n g e so fb o u n dw a t e rc o n t e n t sd u r i n gs o l i d i f i c a t i o n w e r eu s e dt oq u a n t i f yi n d i r e c t l yt h ea m o u n to fg e lw h i c hc o n t r i b u t e st os t r e n g t ho f s o l i d i f i e ds i l t s t h er e s u l t ss h o w e dt l l a tv a r i a t i o n so fb o u n dw a t e rc o n t e n t sr e l a t i v et oc l a y c o n t e n t s 。w e r es i m i l a rt ou n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t hr e l a t i v et oc l a yc o n t e n t s i t c o n c l u d e st h a tc l a yc o n t e n t sw h i c hc a l li n f l u e n c et h ea m o u n to f g e lh a v eas i g n i f i c a n te f f e c t o ns t r e n g t ho f s o l i d i f i e ds i l t s k e yw o r d s ：s i l t ；s o l i d i f i c a t i o n ；c l a yc o n t e n t ；s o l i d i f i c a t i o ne f f e c t ；i n f l u e n c e s m e c h a n i s m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：邈壶趁2 。6 年3 月2 5 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者。签名，：翅密担2 嘶年3 月2 5 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 我国每年都有大量的废弃淤泥产生【1 】 我国是一个多河流、多湖泊的国家，在水利工程中每年为了维持河道湖泊的泄洪 蓄洪能力和保证港口航道的通航能力都要进行大规模的疏浚，从而产生大量的淤泥。 如广州港出海航道预备工程伶仃西航道疏浚工程从1 9 9 6 年开工至1 9 9 8 年竣工，整 个工程疏浚工程量达1 3 4 6 万m 3 。1 9 9 8 年至2 0 0 3 年，我国对长江、黄河、海河、淮 河等江河及洞庭湖、鄱阳湖等重要湖泊进行疏浚，完成疏浚达1 2 亿m 3 ，大大提高了 各河流、湖泊的排洪蓄洪能力，对减轻我国洪涝灾害起到重要作用。江苏省“十一五” 将斥资5 0 亿疏浚全省河道，纳入疏浚的河道1 2 0 多万条，总疏浚量预计达1 7 亿r l t 3 。 随着国家经济的发展和我国环境问题的日益严重，许多受污染的水体如湖泊、河 流、水库都需要进行水环境治理，而在治理过程中首先就要清除掉淤积在水底的污染 物，这就必然会有大量的疏浚淤泥产生。例如在杭州西湖的水环境整治工程中，一期 疏浚工程从1 9 9 9 年开工至2 0 0 0 年竣工，累计疏浚土方1 0 0 余万m 3 。为了缓解上海 市用水紧张的矛盾、改善水源水库的水质，上海市陈行水库于1 9 9 6 年清淤1 6 0 万m 3 。 浙江嘉兴市为了改善市区内河道的水质环境、清除含有高浓度污染物的底泥，2 0 0 1 年对该市的河道进行整治，共疏浚土方1 2 0 余万m 3 。1 9 9 8 年至2 0 0 1 年实施的云南 省滇池草海污染底泥一期及继续疏浚工程是滇池污染综合治理工程的重要组成部分， 疏浚面积4 7 平方公里，疏浚工程量达6 2 4 万l n 3 。 随着我国经济的快速发展，大量的港口、码头、航道和海岸工程都在兴建，另外 还有运河浚深、航道加宽等工程，在这些工程中也会产生大量的淤泥。如2 0 0 3 年1 2 月竣工的钦州港3 万吨级进港航道扩建工程，航道疏浚8 2 3 万m 3 。湛江港航道的扩 建也将产生4 5 0 0 万r r l 3 疏浚泥。从以上数据可以看出，淤泥的大量产生已是不可避免 的问题。 1 1 2 淤泥的处理已经成为一个严重的问题 淤泥是一种高含水率的工程垃圾土，其含水率多为液限含水率的1 2 2 0 倍，因 此多处于流动状态而几乎没有强度；另外其颗粒细小，粘土颗粒含量多在2 0 以上。 河海大学硕士学位论文 对于这样的粘粒含量较多的淤泥，其渗透系数也非常低，很难通过脱水固结的方法提 高其强度。因此疏浚淤泥很难用作工程材料，通常作堆放或抛泥处置。 产生于内陆的废弃淤泥，目前绝大部分是设置陆地贮泥场存放或直接抛填于低洼 地区。形成的土地由于强度低、变形大、固结时间长而很难进行开发利用。在很多地 区由于土地资源紧缺而不得不占用耕地和鱼塘，在经济发展迅速的城市这种矛盾就更 为突出。废弃淤泥作为一种固体废弃物本身就会对环境造成不利影响，一些淤泥中含 有的污染物还会造成地下水污染1 2 j 。 海洋或近海港口产生的淤泥一般通过吹填造陆或海洋抛弃的方法处理。吹填就是 先在需要填方的地区修建围堰，然后将淤泥吹填在围堰内的方法。吹填处理由于淤泥 的性质很差，吹填后需要投入大量的地基处理费用，而且存在开发周期长，施工机械 难以进入的缺点。抛泥的方法就是在特定的海域内设置倾倒区，将疏浚泥运输至此倾 倒于海洋，借助于海洋容量大的特点，进行海体消纳。随着我国沿海工程建设的发展， 每年向海洋倾倒的疏浚泥数量迅速增加到f 见表1 1 ，表中数据来自全国海洋工程环 境保护和海洋倾废管理月报与文献【5 】) ，从1 9 9 6 不足3 0 0 0 万m 3 到2 0 0 2 年已经超 过1 亿1 - d 3 。随着海洋倾倒量的迅速增加，近海许多倾倒区接近饱和，而远距离倾倒 又会增加运费。同时由于疏浚淤泥中不可避免的含有重金属、n 、p 等有毒有害物质， 过量的倾倒行为严重影响了海洋资源的有效利用并对海洋环境造成不可弥补的破坏p ， 4 1 ，因此疏浚泥倾倒与其他海洋活动及海洋环境保护之间的矛盾越来越突出，已成为 海洋综合管理的个难题。因此寻找解决疏浚泥处理问题的有效方法是当务之急。 表1 1 疏浚泥海洋倾倒情况 年份1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 疏浚泥 2 5 7 83 3 2 95 1 1 05 1 9 99 5 1 68 9 6 51 0 7 2 11 3 1 0 21 6 3 4 0 ( t y m 3 ) 1 1 3 资源化处理是淤泥处理的方向【6 】 废弃淤泥是一种性质很差的废物，但同时又是一种地球资源。通过对其进行一定 的处理改变其高含水率、低强度的性质，就可以将这种废物变为土材料使用。而且我 国正在进行大规模的工程建设，如在公路建设、堤岸修筑或加固、建筑填方、港口建 设等工程中都需要大量的填方用土，用土一般通过开挖耕地、河床采砂、开山采石( 土) 等方法获得。我国每年开采砂石约为1 5 亿吨i n ，已引起了河床冲刷、水土流失和农 田减少等不利影响。因此将废弃淤泥进行有效处理转化为土工材料再利用，代表着疏 浚泥处理的方向，既可以满足工程用土需求，又能大量减少废弃淤泥量，解决了占地 环境污染和问题。 2 第一章绪论 1 1 4 固化方法是淤泥资源化处理的有效方法 淤泥是一种性质很差的软土，如要将其转化为可利用材料，则必须通过处理措旌 改良其高含水率、低强度的性质。目前常用的废弃淤泥资源化方法有物理脱水、热处 理方法和化学处理方法。物理脱水是通过天然晾晒或机械脱水的方法将淤泥中多余的 水分脱去，达到提高土体强度的目的。这种方法设备昂贵、处理效率底，而且脱水后 的泥饼仍然含有较多的水分，在使用过程中仍然需要进行二次处理。热处理方法是通 过熔融和烧结的方法去除淤泥中过量的水分并将淤溏中的粘土矿物高温改性，可以将 淤泥处理为陶粒或烧制砖瓦来使用。这种方法产生的产品可以具有比较高的附加值， 但是由于处理量有限，不适合于大量疏浚泥的处理工程。 固化方法通过在淤泥中加入水泥类固化材料或石灰类固化材料，经过简单的混合 搅拌即可进行填筑。固化淤泥的强度可以通过控制固化材料配方来满足设计要求，其 具有变形小、强度高、透水性小等优点 s - 1 4 】。另外，固化淤泥的二次污染远远小于未 处理过的淤泥，具有良好的环境稳定性【l 锄。同时固化处理机械原理简单，处理效率 根据工程不同可以灵活的选用，可以用来处理各种性质的淤泥。而且在处理成本上， 可以利用许多具有一定活性的工业废料作为固化材料1 2 2 瑚】，如废石膏、粉煤灰，从而 大大降低了固化处理的成本。因此固化方法是解决大量产生淤泥处理问题的较好方 法。 1 1 5 淤泥的固化效果受淤泥中众多因素影响 水泥和软土的作用并不像水泥在混凝土中那样，其中的石子和砂子都是惰性材 料，不与水泥发生反应，强度主要来源于水泥水化产物的作用。但是淤泥中含有粘土、 有机质、孔隙水以及许多金属、非金属离子等因素物质，因此水泥在淤泥中的反应会 受到淤泥中存在成分的影响，如粘土矿物、有机质会吸附、消耗钙离子从而对水泥水 化产生影响，粘粒与水化产物发生火山灰反应，孔隙水中的硫酸盐与水化产物反应生 成具有膨胀性的钙矾石等都会影响固化淤泥的强度。因此在淤泥固化处理中，- 对于不 同种淤泥，即使加入相同种类、相同量的固化材料，固化淤泥强度也会有很大的差别 2 9 】，淤泥的固化效果受众多因素的影响 3 3 1 。 1 1 6 淤泥中含有的粘粒是影响淤泥加固效果的一个重要因素 淤泥是细小颗粒经搬运作用在水底沉积形成的，其中含有大量经原生矿物风化而 成的粘土矿物。本文作者在对我国四个地区的淤泥进行固化处理研究时发现，在 1 0 0 k g m 3 水泥掺入量下固化淤泥强度的差别可达1 0 倍以上，四种淤泥的物理性质指 标和固化处理强度如表1 2 。 3 河海大学硕士学位论文 表1 2 不同淤泥的物理性质指标和固化处理强度 有机粘粒 含水率容重液限塑限质含 含量 吼( 7 曲知2 8 由 取泥点土类别 ( )( g c m )( )( ) 量o ( k p a )0 【p a ) ( 幻( ) 深圳大亚湾高液限粘土 t 2 01 4 17 3 42 9 t 3o r 3 14 62 6 55 1 9 无锡五里湖高液限粘土1 3 l1 3 87 53 20 4 53 87 2 。1 1 7 镇江金山潮低液限粉土 i i l1 4 64 8 ，82 8 20 4 41 84 08 6 南京秦淮河高液限粘土 1 0 41 4 56 12 9 r 2o 62 l2 43 7 注：( ! ) 重铬酸钾滴定法。 粒径小于0 0 0 5 m m 的土颗粒在总土颗粒中的质量百分比。 从表1 2 中可以看出，对于有机质含量相差很小的五里湖淤泥和金山湖淤泥，五 里湖的含水率比金山湖淤泥要高2 0 ，而含水率的增加对固化淤泥的强度是不利影响 t t o l ，但是粘粒含量较高的五里湖固化淤泥的强度明显高于金山湖固化淤泥，由此可见 粘粒含量是固化淤泥强度的一个重要影响因素。 1 3 研究现状 1 3 1 粘粒的性质 1 3 1 1 粘粒的矿物成分 粘粒是指粒径小于o 0 0 5 m m 的土颗粒，主要成分是由原生矿物长石、云母等硅 酸盐矿物经化学风化而成的次生二氧化硅、倍半氧化物及粘土矿物为主。粘土矿物是 组成粘粒的主要矿物成分，由于其结晶格架构造不同，各类粘土矿物的物理化学性质 也有所不同，最常见的粘土矿物有高岭石、蒙脱石和水云母三大类。 高岭石的构造是由一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体结合成一个单位晶胞， 属1 ：l 型矿物，相邻晶胞为氢键联结。其表面上带有负电荷，当与水作用时，吸附 极性水分子形成水化膜。 伊利石是含钾量高的原生矿物经化学风化后的初期产物，其构造上、下面都为硅 氧四面体晶片，而中间夹着一层铝氧八面体晶片，属2 ：1 型矿物。伊利石相邻晶胞 由层问钾离子连结，联结力位于高岭石与蒙脱石之间，所以其性质也往往处于高岭石 与蒙脱石之间。 蒙脱石的结晶格架与伊利石相似，也属2 ：1 型矿物。其各单位的氧层与临近的 氧层相接，所以相邻单位晶胞问的连结力极弱，水分子及交换阳离子可无定量地进入 其间，使得其晶格膨胀。 上述三种主要粘土矿物中，高岭石由于相邻晶胞之间具有较强的氢键连结，结合 4 第一章绪论 牢固，水分子不能自由渗入，形成较粗的粘粒，比表面积小，亲水性弱。而蒙脱石相 邻晶胞之间距离较大，连结较弱，水分子易渗入，形成较细粘粒，因此比表面积较大， 亲水性较强，膨胀性显著。伊利石的性质则居于两者之间。 另外一种常见的粘土矿物是绿泥石，属2 ：1 ：1 型。绿泥石一般由蒙脱石蚀变或 火成岩和变质岩衍变而成，有证据证实当高岭土被搬运到海里时它会缓慢的变成绿泥 石f 3 4 】。 淤泥往往由沉积作用形成，其矿物成分首先取决于沉积物来源区的岩石成分。淤 泥中的粘土矿物是原生矿物风化而成的矿物，它的类型与沉积介质的性质、气候条件 都有很大的关系，所以淤泥中的粘土矿物往往是多种类型并存。海相沉积物中，粘土 矿物主要蒙脱石、绿泥石、伊利石、高岭石。通常，高岭石在近海岸处较丰富，离岸 较远则以蒙脱石为主。在没有石灰堆积的湖里，一般不利于高岭石形成。盐湖中以蒙 脱石、伊利石为主。一般，热带河流及其注入大洋的地区，淤泥中高岭石的含量很高。 温带地区淤泥则有大量伊利石【蚓嗍。 1 3 1 2 粘粒的带电性 粘粒颗粒细小，比表面积大、表面能大，是淤泥中性质较活跃的部分，粘粒在液 体中是带电的，其表面上的电荷一般由以下三种作用产生： ( 1 ) 选择性吸附 粘粒总是选择性地吸附与它本身结晶格架中相同或相似的离子。如将难溶盐碳酸 钙组成的粘粒置于氯化钙( c a c l 2 ) 溶液中，因溶液中的钙离子与方解石结晶格架中的钙 离子一致，所以溶液中的钙离子被吸附于颗粒表面使颗粒带正电。 但) 表面分子解离 粘粒由许多可解离的小分子缔合而成，与水作用或生成离子发生基，而后分解， 再选择性地吸附与矿物格架上性质相同的离子于其表面而带电。如次生s i 0 2 的解离 如式1 1 所示。 s i 0 2 + h 2 0 h 2 s i 0 3 一h 十+ s i 0 3 。( 1 1 ) h 2 s i 0 3 是一种弱电解质，又解离成s i 0 3 2 与一，s i 0 3 2 与颗粒结晶格架不能分离， 因而使颗粒带负电。 ( 3 ) 同晶替代 粘土矿物中的同晶替代作用可以产生负电，如硅氧四面体片中四价的硅被三价的 铝替代，或八面体片三价的铝被二价的镁、铁替代，这就产生了过剩的负电荷。这种 负电荷的数量取决于晶格中同晶替代的多少，不受介质的p h 值影响。替代出的阳离 子大部分分布在粘土矿物晶层平面上，它们都是可以被交换的。 1 3 1 3 粘粒的双电层特性 河海大学硕士学位论文 由于粘粒表面带有电荷，带电粘粒在水中吸附极性水分子于颗粒的周围形成水化 膜。由于静电吸引作用，吸附溶液中与它电荷符号相反的离子聚集在其周围，形成反 离子层。这部分反离子与粘粒表面上的离子形成的带电层称固定层。另一部分距颗粒 表面较远的反离子具有扩散到溶液中去的趋势，形成了与固定层电荷符号相反的另一 个带电层，称为扩散层。从固定层边缘到扩散层末端的距离作为扩散层的厚度，这样 由固定层和扩散层就构成了双电层。 粘粒的矿物成分和粘粒含量是扩散层厚度的一个影响因素。蒙脱石不仅颗粒细 小，比表面积巨大，而且同晶替换作用较强；而伊利石中由同晶替代产生的负电荷大 部分被层间的交换性钾离子所平衡；高岭石同晶替代的现象很少。因此，一定量的蒙 脱石的扩散层总体积最大，水云母次之，高岭石最小。对一定量的土来说，粘粒含量 越大，扩散层的总体体积越大，也就是越多的自由水被土颗粒吸附。那么对一定量的 孔隙水来说，粘粒含量越大则扩散层厚度越小，土颗粒之间的联结越强。 1 3 1 4 粘粒的离子交换性质 粘粒与溶液相互作用后，吸附在其表面的阳离子( 或阴离子) 可与溶液中的阳离子 ( 或阳离子) 进行交换，这种现象称离子交换。自然界中的粘粒一般情况下带负电，在 实际工作中粘性土的带电数量往往用阳离子交换容量f c e c ：c a t i o ne x c h a n g e c a p a b i l i t y ) 来评价。粘土矿物既有交换阳离子又有交换阴离子，但交换阳离子是主要 的，常见阳离子的交换能力如下： f e 3 十 a 1 3 1 一 b a 2 + c a 2 + m f + k + n a + l i + 粘粒的矿物成分和粘粒含量是阳离子交换容量的影响因素。随着土粒直径的减 小，交换容量增高，通常蒙脱石的粒径较为细小，所以其交换容量较大。粘粒含量增 加，土的比表面积增大，交换容量也随之增高。 1 3 2 水泥加固土的原理 1 3 2 1 水泥的水化反应 普通硅酸盐水泥的主要成分是硅酸三钙( c 3 s ) 、硅酸二钙( c 2 s ) 、铝酸三钙( c 3 a ) 和 铁铝酸四钙( c a a f ) 。当水泥掺入淤泥中，水泥首先与淤泥中的水分发生水化反应如式 1 2 所示【3 q 。各成分与水反应生成各种水化物，当有石膏存在时还会生成钙矾石结晶 物质。当固化材料加入淤泥中，由于淤泥主要成分为硅酸盐和铝酸盐等粘土矿物，从 中游离态的s i 0 2 和a 1 2 遇到c a ( o h ) 2 时还会发生火山灰反应，生成更多的水化产物。 在这过程中，新生成的物质都要有水的参与，将泥中自由态的水变为水化产物中的矿 物水或表面结合水。 6 第一章绪论 石膏 硫铝酸钙( 钙矾石) 1 3 2 2 水泥水化产物的形态 根据研究，当水泥加入到淤泥中时，会与泥中的水分发生水化反应，生成各种结 晶态和凝胶态的水化产物，从而提高土体的强度1 3 6 3 7 1 。根据对水泥水化的研究，在 水泥水化产物中7 0 都是水化硅酸钙凝胶( c s h 凝胶妒8 1 ，凝胶是一种具有晶体结构但 呈胶体尺寸的颗粒，具有很大的比表面积，含有大量的结合水。由于水泥刚开始是 一种不含水的材料，与水反应以后，生成结晶态和凝胶态水化产物，从而使水具有不 同的形态和势能。因此水化产物的形态可以用不同势能的水分来表征。 1 3 2 3 水泥水化产物对土的加固作用 f 1 ) 水化产物的凝结硬化 在水泥的水化产物中，对强度贡献最大的主要是具有胶结作用的纤维状水化产物 c s h 。前人对c s h 的生成过程一般认为如此：c 3 s 初始时快速反应，c a 2 + 浓度迅速增 加；此时c a ( o h ) 2 和含水硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再 与水发生反应。这样c a z + 浓度逐渐增加，直达饱和，同时有水化硅酸钙凝胶微晶析出， 微晶聚集形成凝胶。这种凝胶具有粘性，能将士颗粒胶结在一起。另外，这些凝胶粒 子的比表面积约比原水泥颗粒大1 0 0 0 倍，因而产生巨大的表面能，有强烈的吸附活 性，能吸附大量的游离水分，使较大的土团粒进一步结合，形成固化淤泥的团粒结构。 反应随时间继续进行，固相c a ( o h ) 2 开始从液相中结晶成核，c s h 继续大量生成，并 从凝胶状态逐渐转变成较稳定的结晶体。从而固化淤泥坚固的骨架结构形成，强度提 高。 值得一提的是，水泥的这些水化产物在常温下一般是凝胶状态，只有在c a ( o h ) 2 的浓度比较高的情况下才会结晶出来，使得固化淤泥骨架结构得到逐渐硬化。c a ( o h ) 2 的浓度主要由水泥掺入量控制，在一定水泥掺入量下土质因素对c a 2 + 和o h 吸收、消 7 河海大学硕士学位论文 耗量的不同将会引起固化淤泥强度的差异。 ( 2 1 离子交换吸附作用 淤泥中含有颗粒细小、带有很多表面负电荷的粘土颗粒，当在淤泥中加入水泥后， 从上面的水泥水化反应可以看出，水泥水化产物中有大量的c a ( o h ) 2 生成，从中可以 游离出c a 2 + ，由于c a 2 + 与粘土矿物的吸附能力较强，会将粘土矿物表面吸附的n a + 、 k + 或表面结合水进行当量置换，发生的反应如式1 3 所示。 k 十( n a + ) c 矿 土粒+ c a 2 + 叫土粒+ 2k 十( n a + ) ( 1 3 ) c a 2 + 置换n 矿、k + 和水分子后，会降低粘粒的 电位。使土颗粒表面的结合水层 变薄，减小土颗粒间的距离，从而使胶体颗粒发生絮凝，使较小的土颗粒形成较大的 土团粒。此作用不能形成牢固的结构，所以对固化淤泥强度的贡献不是很大。另外， 由于粘粒对c a 2 + 和o h 有一定吸收、吸附作用，将会使水泥水化时c a 2 7 和o l r 浓度降 低或不足，从而减少水化硅酸钙的生成量，对固化强度不利。 f 3 ) 火山灰反应 水泥水化生成大量的c a ( o h h ，因此固化淤泥孔隙水一般呈强碱性。土中粘土矿 物的成分是硅酸盐和铝酸盐，在碱性环境下游离出的s i 0 2 及a 1 2 0 3 能够与c a ( o h ) 2 发生火山灰反应，反应方程式如1 4 所示。 s i 0 2 inn、c a o s i 0 2 ( n + 1 ) h 2 0( 1 4 ) a 1 2 0 3 +c a ( o h ) 2 + n h 2 0_ c a o j 2 蔷( n + j ) h 2 0 u 一 火山灰反应生成的水化硅酸钙及水化铝酸钙均为胶结物质，它们与水泥水化产物 一样能够胶结土颗粒，形成固化淤泥骨架结构，提高强度。 h ) 碳化作用 水泥水化产物中游离的c a ( o h h 与空气中的c 0 2 接触，发生碳化作用，生成不溶 于水、性质稳定的碳酸钙： c a ( o h ) ：+ c 0 2 斗c a c 0 3 + h 2 0( 1 5 ) c a c 0 3 能将土颗粒粘结为一体，所以增加固化淤泥强度。但是淤泥含水率高，一 般处于饱和转态，c a ( o h ) 2 很难与空气接触，所以增长强度较慢，幅度较小。 分析以上固化淤泥强度形成的机理我们可以发现，固化处理不是透过排除孔隙水 使双电层变薄、土颗粒靠近而提高土的强度的方法。固化淤泥仍是一种多孔体系，其 强度不是由土颗粒和水泥水化产物的强度所决定，而是由水化产物与土颗粒形成的骨 架结构的强度及土颗粒之间的连接所决定。所以在固化机理研究中，水化产物是一个 关键因素。水化产物就其本质特征而言，其数量、形态、与士颗粒的相互作用方式这 第一章绪论 三方面是决定固化淤泥强度的内在因素。所以，在固化淤泥强度影响因素的作用机理 研究中，应该从因素对水化产物数量、形态、水化产物与土颗粒的相互作用方式这三 方面的影响入手，也才能更进一步地解释影响因素的作用机理。 1 3 3 粘粒对固化土力学性质的影响 1 3 3 1 粘土矿物成分对固化土力学性质的影响 矿物成分不同会造成土的固化处理效果不同。c r o t = 【 3 9 1 等对不同粘土矿物高岭石、 伊利石、蒙脱石、伊利石蒙脱石混合的固化处理效果进行比较研究，固化材料为水泥 和石灰，结果发现在固化土击实后高岭石在不同水泥掺入量下获得的最大干密度都是 最大的，蒙脱石的最小，伊利石的最大干密度处于高岭石和蒙脱石之间；另外还对几 种矿物在不同水泥掺入量下的无侧限抗压强度、塑限、缩限等特性进行了试验研究， 提出对某种土适合的固化处理方法和固化胡应该参考其矿物组成来选择，对于蒙脱石 为主的土选用石灰比较适合，而高岭石和伊利石为主的土选用水泥比较适合。以高岭 石为主的土样用石灰固化后，其不排水剪切强度随龄期增加，1 7 0 天后趋于稳定，而 蒙脱石为主的土样其不排水剪切强度7 天就达到稳定的强度1 4 0 l 。c h a n g l i n gh e 4 ”等的 研究指出不同粘土矿物的持水能力从大n 4 , 的排列关系是海泡石、钠蒙脱石、钙蒙脱 石、高岭石、伊利石：加入水泥固化处理后不同矿物的抗压强度大d , j r 瞑序是钙蒙脱石、 伊利石、高岭石、钠蒙脱石、海泡石，这个顺序不随养护龄期变化。 1 3 3 2 粘粒含量对固化土力学性质的影响 目前淤泥的粘粒含量对淤泥固化处理效果的影响方面的研究较少，对水泥土的固 化影响方面有一些研究成果。水泥土的研究指出土料中含有一定数量的粘粒对水泥土 的强度是有利的，因为在水泥掺量不多的条件下，粘粒中凝胶与水泥一起固结骨架， 而粘粒的胶结能力可以很快体现出来，从而使材料具有一定的初期强度，但水泥土中 粘粒含量不能过多。王春义，郭汉生【4 2 】的研究表明水泥加固土中存在一个使固化土强 度最高的粘粒含量( 如图1 3 所示) 。当土料中粘粒含量为1 6 时，较之其它粘粒含量 7 d 强度达到最高；而当粘粒含量约1 0 时，1 4 天强度达至4 最高。据美国有关资料介 绍，粘粒含量为1 0 2 5 时，水泥土可以达到良好的级配。但根据国内试验资料分析， 粘粒含量为7 r 1 5 时，而且粗粒含量较多的土料是水泥土级配良好的土料。 9 河海大学硕士学位论文 言 山 羔 蜊 嘿 斟 蜒 05l o1 52 02 5 7 o ) ，凝胶态水化产物结合的水分可以近似认为是结 合水( 3 8 3 2 + 54 2 o 三氧化硫s 0 3 3 52 1 7 水泥中氧化镁m g o 5 o4 2 烧失量l o s s 5 01 2 0 2 3 试验方法 2 3 1 无侧限抗压强度试验 ( 1 ) 试样制各与养护 按设计配方将水泥加入淤泥中，采用搅拌机械搅拌5 分钟后开始制样。制样所用 模具内径为3 + 9 1 c m ，高为8 0 0 e r a ，装样前模具内壁均匀涂上一层凡士林，以方便脱 模。将搅拌好的固化淤泥装入模具，分三层装填，每层振动2 分钟，以排除试样中的 气泡。将试样放置恒温恒湿箱内，在湿度为9 0 - d 0 0 、温度为2 0 a ：2 c 的养护条件下 养护2 4 小时后拆去模具，然后将试样放入恒温恒湿箱内继续养护，到设计龄期进行 无侧限抗压强度试验。 f 2 1 试验方法 无侧限抗压强度试验参照国家标准土工试验方法标准g b f r5 0 1 2 3 1 9 9 9 进行， 使用设备为河海大学岩土所的南京电力自动化设备厂生产的s j t - 2 0 1 型应变控制式三 2 l 河海大学硕上学位论文 轴仪，试验采用的压缩速率为1 1 8 m m m i n 。对不同试样组别，每组3 个试样，进行 平行试验。 ( 3 ) 试验方案 本研究中水泥掺入量以水泥质量与干土质量比来控制，针对7 种不同粘粒含量的 淤泥，采用5 、7 5 、1 0 、1 5 四个水泥量来研究不同水泥掺入量下固化淤泥的 无侧限抗压强度与粘粒含量的关系，试验龄期为7 天。对于养护龄期对不同粘粒含量 固化淤泥无侧限抗压强度的影响，选择水泥掺入量为1 0 ，对1 、3 、7 、1 4 和2 8 天 5 个龄期时不同粘粒含量固化淤泥进行无侧限抗压强度试验。 2 3 2 三轴固结不排水剪试验 ( 1 ) 试样制备与养护 三轴试验的试样与无侧限抗压强度试验的试样在大小、制作方法、养护方法上的 都是一致的，在这里就不再赘述。 ( 2 ) 试验方法 三轴固结不排水剪试验参照国家标准土工试验方法标准g b t5 0 1 2 3 ，1 9 9 9 进 行，使用设备为南京电力自动化设备厂生产的s j - i a 型应变控制式常规三轴仪，剪切 速率为o 4 m m m i n ，应变控制在2 0 以内。每个组别制4 个试样。 ( 3 ) 试验方案 水泥掺入量选择1 0 0 0 ，龄期为7 d ，对粘粒含量为1 4 6 、3 0 、4 6 6 、5 5 、 6 4 6 五种固化淤泥进行三轴固结不排水剪试验，来研究不同粘粒含量固化淤泥的三 轴剪切特性和粘粒含量对固化淤泥的凝聚力、内摩擦角的影响。围压分别取5 0 k p a 、 1 0 0 k p a 、2 0 0 k p a 。 2 3 3 离心机试验 从固化淤泥中水分转化的角度进粘粒含量的影响机理研究，其原理在第四章中加 以详细说明，离心机试验是这部分研究的主要手段，在此对离心机试验方法进行介绍。 ( 1 ) 试样制备与养护 在无侧限抗压强度试验试样制备时，取2 0 0 9 左右固化淤泥，将其放入塑料袋密 封起来，然后放置到恒温恒湿箱内养护至设计龄期进行离心机试验。养护条件同无侧 限抗压强度试验的相同，为湿度9 0 1 0 0 、温度2 0 士2 。 ( 2 ) 试验方法 本试验参照文献 6 3 】中的离心机试验方法，离心机采用日本h i t a c h i 公司生产的 h i m a c 高速冷冻离心机进行试验，温度恒定在2 0 。离心机试验一般用于研究土的水 第二章不同粘粒含量土样准备及试验方法 分特征，本试验中用于测定土中结合水量，其试验步骤如下： 称量离心机配套环刀质量m o ，然后往环刀里分3 层装填1 0 0 1 2 0 9 固化淤泥， 并压实整平表面，每次可做4 个样。为了减小由于水分蒸发而引起的误差，装填时应 迅速，装填好后立即盖上环刀盖。 称环刀加土样的质量m l ，电子天平要求精度0 0 0 1 9 ，量程大于3 0 0 9 。 将装有土样的环刀底面贴上滤纸后放入旋杯，配平四个旋杯质量，旋杯的质 量之差要求小于0 2 9 。然后将旋杯放入离心机转子里，本试验使用6 0 # 转子。 直接精确的测出p f = 3 8 时的含水率是比较困难的，通过前期试探性试验得 到固化淤泥水分特征曲线在p f = 3 8 附近一定范围内为直线，因此可以由试验得出p f 接近3 8 的两个结果，然后线性差值得到p f = 3 8 对应的含水率。通过试验确定转速 分别为6 0 0 0 r p m 和9 0 0 0 r p m 时满足要求，所以离心机转速第一级为6 0 0 0 r p m ，第二级 为9 0 0 0 r p m ，每一级转速运行时间为3 小时。 在第一级转速下运行3 小时后，停止离心机，取出环刀称量环刀加湿土的质 量( 不含滤纸) m 2 ，使用游标卡尺量取土面至q 环刀项面的距离h ，然后环刀放回旋杯， 旋杯质量配平后进行第二级转速运行。第二级转速运行完成后按第一级的方法测量相 关数据，然后将环刀在1 0 5 。c 下烘干( 烘1 2 小时以上) ，测量环刀加干土重m 3 。 将试验的数据代入下列公式就可以得到p f 和该p f 对应体积含水率： 转速n 对应的土样p f 的计算公式如2 5 式、2 6 式： 妒= 21 。g n + 1 0 9 ( r o - ，1 ) + l o g 半“9 5 ( 2 5 ) ，l = r o 一【5 0 9 一h ) 2( 2 6 ) 式中：n 一离心机的转速( r p m ) ； ，o 一旋杯底即试样底到离心机转盘中心距离( c i l l ) ； ，1 一试样中心到离心机转盘中心距离( 锄) ； h 一试样表面到旋杯1 ：3 的距离( c i l l ) 。 在转速n 下运行3 小时后，试样的体积含水率可用式2 7 计算： ! 坠二竺! ! ! 生! ! 塑堡! ( m l m o ) 1 0 p c 式中：巩一转速拧对应的体积含水率( ) ； m 。一转速n 下运行3 小时后环7 3 力h + 加滤纸的质量( 曲； m 3 烘干后环刀加土的质量国) ； m l 离心机运行前环刀加土加滤纸的质量( 曲； ( 2 7 ) 河海大学硕士学位论文 m o 一环刀的质量( 曲； 仇一土样的密度( g e m 3 ) ； 一水泥掺入量取g ，m 3 ) 。 ( 3 ) 试验方案 离心机试验的固化淤泥与无侧限抗压强度试验的固化淤泥同锅搅拌同时制备，所 以离心机试验方案与无侧限试验方案是一致的。采用5 、7 5 、1 0 、1 5 四个水 泥掺入量，对7 种粘粒含量固化淤泥进行离心机试验，来解释不同水泥掺入量下固化 淤泥的无侧限抗压强度与粘粒含量的关系，试验龄期为7 天。选择水泥掺入量为1 0 ， 对1 、3 、7 、1 4 和2 8 天5 个龄期时不同粘粒含量固化淤泥进行了离心机试验。 2 3 4p h 值试验和钙离子浓度试验 通过测量不同粘粒含量固化淤泥孔隙水的口h 值和钙离予浓度，得到粘粒含量与 固化土孔隙水p h 值和钙离子浓度的关系，从而对粘粒含量的影响机理作出解释。 ( 1 ) 试验方法 试样的质量为2 0 0 9 左右，养护条件与无侧限抗压强度试验的一致。土样的孔隙 水通过离心法提取，离心机采用日本h i t a c h i 公司生产的h i m a c 高速冷冻离心机， 转速设定为6 0 0 0 r p m ，每次提取的孔隙水量不少于3 0 m l 。p h 值试验用上海精密仪 器厂生产的p h 一3 c 型精密p h 计测定，实验方法参照分析化学实验酬，e d t a 钙 离子滴定法参照分析化学实验 6 5 1 ，两个试验在河海大学水文水资源国家重点实验 室进行。 ( 2 ) 试验方案 选取1 4 6 、3 0 、4 6 6 、6 4 6 四种粘粒含量淤泥，每种淤泥选择6 种水泥掺 入量1 、2 、3 、5 、8 、1 2 进行固化，养护7 天后进行孔隙水p h 试验和钙 离子浓度试验，另外对五种粘粒含量淤泥的p h 值和钙离子浓度也进行了测定。 2 4 第三章粘粒含量对淤泥固化效果的影响 第三章粘粒含量对淤泥固化