混凝土顆粒料與水泥固化淤泥力學特性研究

摘 要：普通的混凝土粒料與水泥土攪拌制成的復合地基處理技術(shù)，既可以在軟基處理、擋土墻回填、邊坡治理等方面發(fā)揮重要作用，又能有效減少廢棄混凝土導致的環(huán)境污染。該方案能有效地處理水泥漿料的重復使用，并節(jié)省了大量的砂石和其他填充材料。為了實現(xiàn)混凝土-水泥固化淤泥試樣的基本力學特性的目標，本項目將對上述特點進行研究。結(jié)果表明，普通的混凝土粒料與水泥土攪拌制成的復合土的機械性質(zhì)有很大改善，說明將其應(yīng)用于實際工程中是切實可行的方法。

關(guān)鍵詞：混凝土顆粒料；淤泥固化；力學性能

中圖分類號：TU 43" 文獻標志碼：A

1 問題現(xiàn)狀與工程概況

我國城鎮(zhèn)建設(shè)用地需求不斷增加。隨著中國沿海及長江三角洲區(qū)域的快速發(fā)展、人口密集、用地緊缺等原因，大量的濱海灘涂開墾、圈地開發(fā)利用，以擴大國土資源。隨著沿海圍墾、港口、航道等工程的推進，每年都會產(chǎn)生相當數(shù)量的挖泥。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全國年產(chǎn)生的污泥總量約為1億噸[1]，此外，因其含水率較高，承重性能較差，在其上行走和施工很困難[2]。大量挖泥任意堆放，對周圍的生態(tài)造成了嚴重的污染。因此，對其進行有效利用，是目前的一個熱門課題。

目前，在我國的道路施工項目中，大量的砼沒有得到充分處理。城市污水排放不僅破壞了城市的生態(tài)，給城市的建筑造成了巨大的經(jīng)濟損失，同時也帶來了很多的社會矛盾。因此，采用經(jīng)濟環(huán)保的方式處理混凝土，是目前須解決的問題。

本課題提出采用摻入水泥土的方法，并結(jié)合現(xiàn)場土質(zhì)特征和對固化土性質(zhì)的要求，通過添加聚合物纖維、石膏和礦粉等輔助增強劑，改善其固化效果。首先把水泥磨成骨料，其次按照一定的粒徑過篩，最后摻入水泥中，改善其固化性能。該方案既能避免淤泥、水泥等堆積物對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染，又能節(jié)約大量的砂礫等材料，達到資源回收利用的目的。

本課題依托2000噸級沅水常德-鯰魚口航道建設(shè)，按照2000噸級航道規(guī)格，采用3m×75m×550m（水深×航寬×550m）的沅水常德-鲇魚口213 km航道，建設(shè)包括航道疏浚、填槽、切咀、護岸、航道處及錨地管理區(qū)的建設(shè)、防撞加固橋梁6座，全線配備內(nèi)河一類航標，同步建設(shè)和購置相應(yīng)的配套設(shè)施。其中，疏浚工程（含切咀）515.87萬m3、填槽修復工程422.96萬m3、護岸初設(shè)總長 17.305km。

2 混凝土顆粒料-水泥固化淤泥無側(cè)限抗壓強度特性研究

2.1 試驗材料及研究

本文采用的粉土取自湖南常德一條河道吹填沖淤場地（常德港段），各項物理、機械特性參數(shù)見表1。利用激光粒度儀對樣品進行了粒度分析，得出了樣品的尺寸分布及粒徑分布規(guī)律，見表2。常德地區(qū)的土樣按《土的工程分類標準》（GB/T 50145—2017）劃分，屬于高液限黏性土。利用09 Empyreanx射線衍射分析技術(shù)對常德泥質(zhì)進行了分析，結(jié)果表明，常德泥質(zhì)中的礦物組成以石英為主，此外還有大量的伊利石，并伴有蒙脫石、云母等。采用加水的方法，將未處理過的污泥含水量控制在要求的125%內(nèi)。

本次試驗中所用的水泥為P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥化學成分見表3。

本研究采用的是取自某中學公路改建項目的砼，采用顎式破碎機對其進行粉碎，獲得具有各種尺寸的混凝土粒料，通過篩分獲得大小為0～2.36 mm及2.36～4.75 mm的再生砼粒料，并對其進行干燥處理，如圖1所示，混凝土顆粒料性能指標見表4（水：試驗過程中所用到的水為普通自來水）。

2.2 試驗方法

本項目以普通粉煤灰為研究對象，以粉煤灰為主要研究對象，采用不同摻量（水泥用量分別為10%、12%、14%和16%），兩種不同尺寸的粉煤灰分別為9%、12%、15%、18%，在室內(nèi)設(shè)置水分125%，在恒溫水體中進行養(yǎng)護。例如7d，14d，28d，49d等。本項目以2種顆粒級配混凝土為研究對象，制備32組，各4個齡段，加控制組432個，利用TSZ-1A自動三軸機進行無側(cè)限抗壓強度測試。試樣的制備過程如下。1）在進行樣品配制之前，要按照污泥的自然含水量和設(shè)置的含水量來確定用水量，按照配比來確定摻入的水泥和混凝土粒料的用量。將其放置于30℃的恒溫水體中，分別設(shè)置7d、14d、28d、49d。2）向污泥中添加計量稱好的水、水泥和混凝土顆粒料，在攪拌器內(nèi)攪動2min～3min后，用刮板將攪拌盆的底面及周圍的泥土挖出，人工再次攪拌2 min，之后用攪拌機攪拌2min～3 min，讓水泥、水、混凝土顆粒料完全地結(jié)合在一起，攪拌好后的淤渣，攪拌之后的淤泥固化土如圖2所示。3）試驗的模具用PVC管（內(nèi)徑36mm，高80mm）代替（如圖3所示），裝樣前在PVC管內(nèi)壁涂抹一層凡士林，以方便后期試樣脫膜。4）將攪拌好的混合土分層裝入試模中，每層經(jīng)振動排除空氣后再裝入下一層，直到裝滿試模為止，并用切土刀將表面刮平，裝模完畢的試樣如圖4所示。5）將已裝入的樣品放進密閉袋中，進行封口，并做好標識，將密閉袋中的氣體排放干凈，再將其置于恒溫槽中進行恒溫溫水浴孵育，直至達到預定齡期再脫膜。試件卸除后，對試件的兩頭進行修邊和切邊，并進行無側(cè)限抗壓強度測試。在測試的運行期間，參考 《水運工程土工試驗規(guī)程》（JTS/T 247—2023）執(zhí)行。

在測試中，存在以下問題。1）當測試時，雖然使用了攪拌機進行攪拌，但水泥和混凝土顆粒材料無法完全地與泥沙混合，從而導致樣品中的各種成分分配不均。2）當樣品在常溫養(yǎng)護盒中養(yǎng)護時，由于密封不良，因此導致保溫箱中的水分流入密封袋，從而影響測試的數(shù)據(jù)。測試時，為縮小測量的誤差，在每次測試中都設(shè)置了一個平行測試，并將3個測試樣本的平均值作為測試的數(shù)據(jù)。

2.3 配合比參數(shù)對強度的影響

采用多組試驗方法，分別測定了4種不同的水泥劑量、4種不同粒度的粒料、2種不同的齡期，共計128根試樣。

對4種水泥摻量（10%、12%、14%、16%）進行了試驗。圖5分別是兩個粒徑大小的無側(cè)極限抗壓強度隨水泥摻入量的變化。

根據(jù)試驗結(jié)果，采用恒溫浴法對4個不同齡期的試件進行試驗，得出了以下結(jié)論。1）當水泥用量從10%增至16%時，其無側(cè)限抗壓強度增加，且與水泥用量成正比。結(jié)果表明，不同的水泥用量對混凝土的抗壓強度有很大的影響。2） 已有研究表明，水泥可通過與污泥、水進行水化作用，以此改善混凝土中的膠凝材料的強度[3-4]。然而，在低水泥用量下，膠凝材料生成的膠凝產(chǎn)品數(shù)量少，且與水化產(chǎn)物結(jié)合在一起，不能在團聚體與骨料間建立起有效連接，導致其力學性能不能快速提高。隨著水泥用量增加，在水化過程中生成更多的膠凝物質(zhì)，從而提高土體中團聚體的強度。

2.4 顆粒料粒徑對強度的影響

當進行無側(cè)限抗壓強度測試時，選擇兩種尺寸的混凝土粒料作為試驗材料，以此研究其對試件的強度的影響。已知混凝土顆粒料摻量為12%～15%時，試件的增強作用是最顯著的。在4種不同的水泥用量下，試件的強度隨著時間的推移而發(fā)生改變，具體如圖6所示。

對粒料尺寸對試樣的強度影響進行了研究，兩種尺寸的混凝土粒料對其強度的作用是交互的且差異并不明顯?？偟膩碚f，在試驗中，添加尺寸為0～2.36 mm的粒料比2.36～

4.75 mm的粒料對試樣的增強作用更好。在4個齡期中，兩種尺寸的混合料的最大強度差異幅度為3.41%，3.53%，5.97%，1.75%，這兩種尺寸的混合料都可以通過改善樣品的骨架來達到增強的效果，但是影響因素仍然是水泥的用量。

3 混凝土顆粒料-水泥固化淤泥應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特征分析

研究水泥土的無側(cè)限抗壓強度對提高土體品質(zhì)具有很大的實用價值。其應(yīng)力-應(yīng)變曲線能較好地反應(yīng)固化加固土在各發(fā)展時期的變形特點及損傷演化規(guī)律[5-10]。由于試驗對象與試驗資料相對較多，且各組試驗數(shù)據(jù)具有相同的規(guī)律，因此只對水泥用量為16%時，骨料-水泥土粒徑0～2.36 mm級配碎石進行了研究，并根據(jù)上述試驗結(jié)果，對各齡期骨料-水泥土的應(yīng)力-變形特性進行了研究。

圖7是水泥漿-水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因其自身的不均勻性，導致其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)類似的非線性發(fā)展規(guī)律，根據(jù)圖7各應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點，可將混凝土顆粒料-水泥固化淤泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為以下5個階段：壓密階段、彈性變形階段、塑性上升階段、應(yīng)力下降階段和殘余強度階段。

第一個時期為壓縮期，在壓縮過程中，其應(yīng)力-變形曲線不成直線，且隨變形量增加，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“上凹”的趨勢，原因是在摻入水泥土后，其粒徑大、表面粗糙、不均勻且孔隙度高，導致其在摻入后無法在養(yǎng)護土樣品中分散，使其內(nèi)部空隙度提高。另外，盡管采用了分層成型工藝，但其制備過程中難免會出現(xiàn)孔洞，孔隙經(jīng)過單向壓縮后會逐步封閉，從而降低了材料的孔隙率，提高了材料的剛性。

第二個時期是一個彈性變形期，在單向荷載作用下，顆粒-水泥漿混合料試件的應(yīng)力逐漸變大，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近于一條線性關(guān)系，并產(chǎn)生了較大的彈性形變。

第三個時期是塑性提升期，在應(yīng)力趨于高峰后，試件的應(yīng)力-變形曲線不再是直線相關(guān)性，而是顯著彎曲，隨著應(yīng)變增加也逐漸增加，最終到達一個最大值，隨后材料的彈性降低而塑性加強。

第四個時期是一個應(yīng)力衰減期，在該過程中，這個時期的應(yīng)力增長速度會到達最大值，然后繼續(xù)變大后再變小。該過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系再次接近于一條線性的曲線，在該過程中，混凝土散粒體-水泥漿混合體試件產(chǎn)生了顯著的裂紋，且其破壞是無法恢復的。

第五期剩余強度期內(nèi)，當變形量持續(xù)增加時，其應(yīng)力基本保持不變，且接近于橫向，說明在損傷后，其承載能力并未全部失去，但該極限值很快就會消失。

3.2 剪應(yīng)力-剪切位移曲線特征分析

為深入研究廢棄混凝土散體-水泥土混合料的抗剪性能，選擇16%的水泥滲量、15%的廢棄混凝土散體作為試驗材料，并對不同尺寸廢棄混凝土散體-水泥混合料的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線變形特性進行研究，試樣在不同養(yǎng)護齡期下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖8所示。

圖8是某水泥用量、某粒徑廢棄混凝土粒料水泥固化泥在正應(yīng)力作用下（50kPa，100kPa，150kPa，200 kPa）與各齡期剪切變形的關(guān)系曲線。在不同的法向應(yīng)力條件下，剪應(yīng)力與剪切位移之間存在某種相似之處，即剪切應(yīng)力隨剪切位移增加而快速變大，并在2.5mm后出現(xiàn)最大值，此后雖然變小，但整體上仍保持穩(wěn)定。根據(jù)剪切力-剪位移的特性，得到了以下結(jié)論。1） 當正應(yīng)力變大時，廢棄混凝土散體-水泥土試件的抗剪強度隨正應(yīng)力的變大而增加，當正應(yīng)力變大時，試件的抗剪強度也隨之增加，當正應(yīng)力從50kPa增至200kPa時，試件的抗剪強度增長幅度最高可達到161.67%。2） 在試件中加入廢棄混凝土，可增加試件的抗剪強度，本文對不同的正應(yīng)力條件下試件的抗剪強度進行了研究，發(fā)現(xiàn)與3天時，試件的抗剪強度相比，14天時，試件的抗剪強度提高了50%以上。3）研究4種不同水泥含量的廢棄混凝土顆粒料，研究其在15%的廢棄混凝土中的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、內(nèi)摩擦角等隨齡期的變化規(guī)律。4）對不同水泥用量及廢棄混凝土顆粒含量下的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行研究，發(fā)現(xiàn)不同等級的廢棄混凝土顆粒料的剪切應(yīng)力-變形規(guī)律存在某種相似之處，即剪切應(yīng)力隨剪切變形增加而快速變大，隨后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本項目擬通過室內(nèi)試驗，測定不同配比（水泥用量、顆粒摻量）、不同顆粒級配、不同養(yǎng)護齡期混凝土顆粒-水泥漿固結(jié)泥的無側(cè)限抗壓強度，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析。對試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、變形模量、粒料含量和粒度等因素進行了研究。

試驗結(jié)果表明，在不同粒徑、不同粒徑、粒徑等條件下，其抗壓強度均有不同程度的提高。試件的無側(cè)限抗壓強度隨齡期的增長而提高，但增長速度較慢。在試件中添加0～2.36 mm的粒料，可以提高試件的無側(cè)限抗壓強度。

廢棄混凝土散體-水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通水泥固化體的相似，且總體表現(xiàn)出類似的特點，隨齡期增加，其峰值狀態(tài)由平緩轉(zhuǎn)為陡峭，從塑性到脆性破壞。本項目在前期工作的基礎(chǔ)上，進行了粉煤灰-水泥土復合地基的無側(cè)限抗壓強度和直剪試驗，研究結(jié)果表明，與常規(guī)水泥基固結(jié)淤泥相比，水泥基材料的力學性能有所改善，對實現(xiàn)資源化利用和節(jié)約砂石等可再生資源均具有十分重要的意義。

參考文獻

[1]孟佳陽，劉海明，王鳳娥.新時期張家港市河道疏浚工作探索與實踐[J].中國水運，2021（8）： 114-116.

[2]翁佳興.吹填淤泥自重沉積規(guī)律試驗研究[J].土木工程與管理學報，2012，29（3）：81-85.

[3]程福周，雷學文，孟慶山，等．高含水率疏浚淤泥固化的力學性質(zhì)試驗研究[J].科學技術(shù)與工程，2018，15（1）：295-299.

[4]程鈺詩.水泥固化（超）高含水率淤泥強度特性[D].武漢：華中科技大學，2017.

[5]姬鳳玲．淤泥泡沫塑料顆粒輕質(zhì)混合土力學特性研究[D].南京：河海大學，2019.

[6]王東星，陳政光.氯氧鎂水泥固化淤泥力學特性應(yīng)變速率效應(yīng)研究[J].巖土力學，2021，42（10）：2634-2646.

[7]曾智，沈水龍，王志豐，等．上海水泥固化黏土的強度與硬度相關(guān)性研究[J].地下空間與工程學報，2014，10（2）：311-314.

[8]張啟，孫秀麗，劉文化，等．不同水泥摻量下非飽和固化淤泥力學特性試驗研究[J.大連理工大學學報，2020，60（2）： 184-191.

[9]李建軍，梁仁旺.水泥土抗壓強度和變形模量試驗研究[J].巖土力學，2019，30（2）： 473-477.

[10]陳曉靜，王保田，左晉宇，等.水泥土抗壓抗剪強度及相關(guān)性研究[J].水運工程，2021（8）：169-175.