基于離心機法研究固化淤泥的土水特征曲線

時間：2015年12月22日信息來源：湘智離心機字體：大中小【打印此頁】

基于離心機法研究固化淤泥的土水特征曲線
胡孝彭1,趙仲輝2
(1.重慶水利電力職業技術學院,重慶402160;2.河海大學巖土工程研究所,江蘇南京210098)

    摘　要:為了研究疏浚淤泥固化處理后作為土工材料時保持水分的能力,利用離心機法快速量測了不同水泥摻量及齡期下固化淤泥的土水特征曲線,提出了修正后的吸力計算公式,試驗結果表明:水泥的摻入使得淤泥中低勢能的自由水轉化到水泥水化產物中,隨水泥摻量的增大,固化淤泥的持水能力不斷增強;養護齡期越長,水泥水化反應越充分,固化淤泥進氣值增大,土水特征曲線排水階段的斜率減小,28 d與56 d的進氣值差別不大,說明齡期對固化淤泥土水特征曲線的影響逐漸趨于穩定。
   關鍵詞:疏浚淤泥;離心機法;土水特征曲線;水泥摻量;齡期

   1··引言
   我國是一個疏浚大國,每年都會定期開展大規模的疏浚清淤工程[1-3]。由于這些河湖受到不同程度的污染,疏浚淤泥也往往具有一定的污染性,例如含有Pb、Cd、Hg、Zn等重金屬、dioxins、PCB’S等有機污染物[4-6]。固化技術是目前國際上公認的處理危險污染物的方法之一,在修復被污染的土壤方面具有良好的效果[7]。淤泥的固化處理技術,不僅很好地規避了疏浚淤泥對環境的二次污染,而且把原本軟弱無強度的疏浚淤泥變成了良好的土工材料[8-9]。對于固化處理后應用于筑路材料、填土材料和土壤基質材料的淤泥,需要考慮其吸持水分的能力。土水特征曲線(Soil Water Characteristic Curve,SWCC)用于描述非飽和土體中基質吸力與含水率之間的關系[10],反映了非飽和土的持水能力。量測土水特征曲線的常規方法(如張力計法、壓力板法等)一般試驗歷時相當長,而固化淤泥作為一種改性土,固化劑的摻量、養護齡期等與其工程特性密切相關。鑒于此,本文基于離心機法快速量測了固化淤泥的土水特征曲線,減小了試驗歷時給試驗結果帶來的誤差,研究了摻量與齡期對固化淤泥土水特征曲線的影響。

    2·離心機法原理
   1907年,Briggs和Mclane[11]首次采用離心技術對土體吸力和含水率的關系進行了研究。離心機法的實質是用離心力場模擬重力場,試樣置于離心機的離心管中在某一轉速ni下以角速度ω旋轉,重力加速度g的作用由離心加速度rω2代替(r為旋轉半徑),根據相似率,當N＊g為離心機加速度時,模型試驗時間縮短為實際的1/N2,從而大大縮短了試驗時間。
   離心試驗如圖1所示,把試樣的底面視為基準水面(其距離旋轉中心r0=9.8 cm),其勢能E0等于零,試樣中心距旋轉中心r1,研究表明,該處的吸力數值上可近似為平均吸力值[12],其勢能E1以單位質量的能表示它們的差值為:

    3·試驗材料與方法
   3.1試驗材料
   試驗淤泥取自南京市西南長江下游的江心洲洲頭,按水利部《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)進行基本物理性質指標試驗,得到淤泥的比重Gs為2.60,液限wL為51.5%,塑限wp為24%,砂粒含量為1.1%,粉粒含量為61.2%,粘粒含量為37.7%,根據土的分類標準(GBJ145-90),在塑性圖上該種淤泥屬于高液限粘土。采用的固化材料為南京市江南水泥有限公司生產的“鐘山牌”32.5普通硅酸鹽水泥。
   3.2　試驗方法
   考慮到滿足工程造價的經濟性,我國一般對1.5倍液限左右的淤泥進行固化處理。試驗首先調制淤泥的含水率為77%,然后分別向試驗淤泥中加入水泥50 kg/m3、100 kg/m3、200 kg/m3、300 kg/m3(以每m3淤泥加入的水泥質量kg計),然后用小型電動攪拌機攪拌均勻,分三層裝入水泥砂漿正方體試模(7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm)內,每層裝入后應振動密實,保證排出其中的空氣后再裝入下一層,裝滿后用塑料袋密封并置于20℃左右、濕度>90%的混凝土標準養護箱中養護。24 h后退模,將試塊用保鮮膜密封放入標準養護箱中養護7 d、28 d、56 d后用離心環刀(直徑4.99 cm,高度5.09 cm)切樣,抽氣飽和后放入日立CR21型離心機,設定溫度20℃ ,轉速ni=0、650 rpm、1 200 rpm、2 200 rpm、4 000 rpm、7 500 rpm,由小到大共6級進行試驗,每級轉速下離心3 h,使吸力與離心力達到平衡。
   通常情況下,不考慮離心過程中試樣的壓縮,但對于淤泥這種特殊土,離心過程中試樣的壓縮變形量不容忽視。為了能更準確地描述固化淤泥的土水特征曲線,必須考慮試樣高度變化量Δh(cm)帶來的影響[13]。某一轉速下運行3 h后,離心機停止工作,用游標卡尺測量試樣高度變化量Δh,然后取出試樣稱重。待全過程完成后,將試樣放入溫度設定在105℃的烘箱中10 h以上烘干稱重,計算各轉速下試樣的含水率w。試樣初始高度等于離心環刀高度5.09 cm,某一轉速下離心穩定后高度為(5.09-Δh)(cm),由圖1可知,此時試樣中心距旋轉中心r1=r0-(5.09-Δh)/2,將其代入式(2)得到修正后的基質吸力ψ1(kPa)為:

    4·試驗結果分析
   4.1水泥摻量對固化淤泥SWCC的影響
   圖2為齡期7 d和28 d時不同水泥摻量下固化淤泥的土水特征曲線,首先從圖2可以看出,水泥摻量越大,固化淤泥的初始飽和含水率越小,因為w=G′s/eSr,飽和度Sr為1,一般水泥顆粒的比重在3.1左右,固化淤泥的比重G′s測定結果如表1所示,可以認為固化淤泥的比重G′s隨水泥摻量的增加而增大,加之添加的水泥與淤泥孔隙中的水分發生水解水化反應,消耗孔隙中水分的同時生成各種水化產物增多了固相組成,水泥摻量越大,水化產物對孔隙的膠結、填充作用越強,孔隙比e越小。其次,隨著基質吸力的增大,含水率逐漸開始減小,不同土水特征曲線的性狀呈現出一定的相似性,即吸力較小時土樣仍然保持飽和或接近飽和狀態,土水特征曲線基本均呈水平狀態,吸力增大至某一臨界值時,土體中最大孔隙不能抵抗該吸力作用而開始排水,該臨界值被稱為土體的進氣值ψb,進氣之后試樣快速排水,含水率迅速減少,下降段的土水特征曲線斜率(亦即排水速率)恒定;所不同的是水泥摻量越大,土水特征曲線上對應的ψb也越大,這是因為水泥的摻入使得淤泥中低勢能的水轉化到水泥水化產物中,水泥摻量越大,水化產物生成量就越多,水泥水化產物凝膠為膠體尺寸的晶體結構顆粒,巨大的比表面積會吸附大量結合水,極大程度上提高了孔隙水的勢能,只有達到較大吸力后才能夠排出,從而呈現出了良好的持水能力。

   4.2　齡期對固化淤泥SWCC的影響
   圖3為不同齡期下固化淤泥的土水特征曲線,在半對數坐標系中,橫坐標表示修正后吸力ψ1,縱坐標表示質量含水率,從圖3可以看出,隨齡期的增加,同一水泥摻量的固化淤泥土水特征曲線呈現逐漸上移的趨勢,相同含水率條件下,齡期較長的固化淤泥對應的基質吸力較大,相同基質吸力下,齡期較長的試樣含水率較高。Fredlund等[14]指出可以通過作圖法來確定進氣值ψb:通過土水特征曲線下降段作斜直線與通過飽和含水率的水平直線的交點即為對應的吸力值。表2中進氣值為采用該方法對圖3(a)、圖3(b)作圖所得,可以看出,隨著齡期的增長,固化淤泥進氣值不斷增大,這主要是因為養護齡期越長,水泥水化反應越充分,生成的水化產物對固化淤泥孔隙的填充、膠結作用越顯著。值得注意的是,28 d時固化淤泥的進氣值明顯小于7 d時的進氣值,而28 d與56 d之間進氣值的差別不大,這說明齡期對固化淤泥土水特征曲線的影響逐漸趨于穩定。

   Fredlund和Xing[15]根據土體孔徑分布曲線,基于統計分析理論給出了適用于所有土體類型的土水特征曲線表達式:

   式中θs為飽和體積含水率,θ為體積含水率,也可以是質量含水率w或飽和度Sr來代替,a、n和m擬合參數,a的大小在一定程度上反映了進氣值的大小,n則反映了土水特征曲線下降段斜率的大小,m與殘余含水率大小關系密切。采用上述模型對水泥摻量為50 kg/m3、100 kg/m3下土水特征曲線的試驗數據運用最小二乘法進行擬合,得到結果如表2所示,可見,隨著齡期的增加,a越來越大,也說明進氣值隨之增加,n值也有所減小,說明試樣土水特征曲線下降段的斜率不斷減小,亦即排水速率隨之減緩。

    5·結論
   本文采用日立CR21型離心機量測了水泥固化淤泥的土水特征曲線,并研究了摻量和齡期對固化淤泥土水特征曲線的影響,試驗結果表明:
   (1)采用離心機法快速測定固化淤泥的SWCC時,應考慮離心過程中試樣壓縮變形量對吸力計算帶來的影響,提出了修正后的吸力計算公式以正確描述固化淤泥的土水特征曲線。
   (2)不同水泥摻量的固化淤泥的土水特征曲線的性狀呈現出一定程度上的相似,水泥的摻加使得淤泥中低勢能的水轉化到水泥水化產物中,提高了原淤泥中孔隙水的勢能,水泥摻量越大,固化淤泥的持水能力越強。
   (3)隨著齡期的增長,水泥水化反應越充分,固化淤泥進氣值不斷增大,排水速率減緩,28 d與56 d的進氣值差別不大,可見齡期對固化淤泥土水特征曲線的影響逐漸趨于穩定。

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