2

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074； 2.中国地质大学(武汉) 教育部长江三峡库区地质灾害研究中心， 武汉 430074)

1 研究背景

淤泥具有黏粒含量高、有机质含量高、含水率高、强度低等特性，难以在工程中直接利用，常采用征用场地贮存或者热处理等方式进行处理，带来了增加工程造价、占用土地和污染环境等问题[1-2]。因此，借鉴软土地基处理的经验，通过掺入水泥、石灰等固化材料以改善淤泥的物理力学性质，将其转化为具有利用价值的土工材料，实现淤泥的资源化处理。根据前人的研究，影响水泥固化淤泥强度的因素包括水泥掺量、养护龄期、初始含水率等。汤怡新等[3]将水泥掺入多种淤泥，研究了水泥掺量与水泥固化淤泥强度的关系，发现水泥固化淤泥强度随水泥掺量呈挖线型增长(先缓慢增长后快速增长)的规律，存在一个水泥掺量的界限值，高于该掺量水泥固化淤泥强度增长显著。Chiu等[4]研究了疏浚淤泥固化土的屈服剪切特征，探讨了不同水泥掺量、养护龄期和初始含水率等对固化土应力-应变的影响。周海龙等[5]以7，14，21，28 d为养护龄期，研究了在小龄期情况下，水泥掺入比对水泥固化淤泥力学性质的影响。

表1 淤泥的基本物理性质指标Table 1 Physical properties of sludge

淤泥中往往有机质含量较高，其具有酸性和强大的容水能力[6]，不利于水泥水化反应和火山灰反应的进行，从而影响到水泥固化淤泥的强度。针对这一问题，已有大量学者开展了相关研究。Tremblay等[7]研究了多种有机物对水泥固化淤泥的固化影响，结果表明一些有机物会阻碍水泥固化淤泥强度的形成，另一些有机物只会延迟水泥的水化反应，但并不会影响水泥固化淤泥强度，而有机物与水泥作用改变孔隙溶液pH值会影响水化产物的生成及固化土的最终强度。曾卫东等[8]研究表明，有机质微观结构决定了其具有远强于黏土矿物的持水性和吸附性，通过与水泥颗粒的吸附作用，阻碍和延缓了水泥水化产物的形成；同时有机质多呈酸性，具有比黏土矿物更发育的双电层，不利于土颗粒与水泥作用而凝聚。陈慧娥等[9]研究发现富里酸的分解作用会使得已经生成的少部分水化产物，如水化铝酸钙(C-A-H)、水化硅酸钙(C-S-H)晶体解体。

然而，目前鲜有采用有效方法解决有机质对水泥固化淤泥固化效果不佳的研究。本文参考了高铁酸钾作为一种稳定、高效、无毒的氧化剂在污水、污泥处理[10-12]中的应用情况，在满足经济性和安全性的前提下，尝试采用高铁酸钾对淤泥进行预处理，以进一步提高含有机质水泥固化淤泥的强度，实现淤泥资源化利用的目的。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本试验土样取自武汉市东湖某近岸处，取样深度为0.5～1.0 m。土样呈灰黑色，有滑腻感；水泥为华新水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；高铁酸钾由上海麦克林生化科技有限公司生产，为暗紫色有光泽粉末，纯度为分析纯。依据《土工试验规程》(SL 237—1999)[13]测得土样的基本物理性质指标见表1，其中有机质含量采用灼烧法测定换算得到。

2.2 制样方法

为保证试验精度，在试验前尽可能剔除淤泥中可见的贝壳、根系等杂质。按干土质量的0.25%掺入高铁酸钾，充分搅拌，静置预处理24 h，确保淤泥中的有机质与高铁酸钾充分反应；然后按干土质量9%的水泥与预处理后的淤泥混合，搅拌均匀，得到改性水泥固化淤泥。根据《土工试验规程》(SL 237—1999)中的相关要求，控制湿密度为1.7 g/cm3，采用静压法将天然状态的淤泥素土、掺9%水泥的水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥，制成Φ61.8 mm×20 mm和Φ39.1 mm×80 mm的圆柱体试件，常温养护24 h脱模。脱模后，用聚乙烯塑料薄膜包裹，放入混凝土标准养护箱，保持湿度95%以上，温度(20±2) ℃，养护至7 d的设计龄期。

对于无侧限抗压强度试验，每个水泥掺量和固化配比，制作4个试样，其中1个试样用来测定养护后含水率、密度等的变化情况，另外3个试样采用DW-1型电动应变式无侧限压力仪进行平行试验，取平均值作为试验结果，以研究无侧限抗压强度和应力-应变曲线的变化规律。

对于直剪试验，每个组别制作4个试样，设置50，100，150，200 kPa四级不同的竖向压力，采用快剪法进行剪切试验。剪切过程中控制手轮转动速率为6 r/min，剪切3～4 min，每隔10 s记录读数，以获得不同试样的剪切强度和应力-应变关系曲线。

3 试样结果和分析

3.1 无侧限抗压强度试验

固化土在力学性质上存在小变形条件下发生剪切破坏的特征，因此工程中常用无侧限抗压强度作为评价水泥固化淤泥固化效果的重要力学指标。本试验在探究了水泥掺量对水泥固化淤泥强度变化规律的基础上，选择合适水泥掺量作为基准水泥掺量[14]，研究了基准水泥掺量条件下，高铁酸钾预处理对水泥固化淤泥强度和变形规律的影响。

图1反映了7 d养护龄期条件下，水泥固化淤泥无侧限抗压强度qu随水泥掺量ac的变化规律。

图1 水泥固化淤泥抗压强度与水泥掺量的关系Fig.1 Relation between compressive strength ofcement-stabilized sludge and cement content

由图1可以看出：在低水泥掺量下，水泥固化淤泥抗压强度随着水泥掺量的增加缓慢增长；在高水泥掺量下，水泥固化淤泥抗压强度随着水泥掺量的增加显著提高，且满足线性关系，大致可用如下关系式表示为

qu=k(ac-ac0)+qu0。

(1)

式中：k为水泥固化系数；ac0为工程最低水泥掺量；qu0为工程最低水泥掺量条件下对应的水泥固化淤泥强度。

根据前人的研究[3,15]可知，水泥掺入量过低时，水泥强度增长缓慢，此时水泥水化产物量过少，不足以影响到与土颗粒间的相互作用，对水泥固化淤泥的强度影响较小，该阶段称为水泥固化淤泥的非反应区；随着水泥掺量的持续增加，水泥水化产物增多，与土颗粒形成较强的粘结作用，引起水泥固化淤泥强度的线性增长，进入水泥固化淤泥的反应区。因此，反应区的水泥掺量范围常作为实际工程的参考。本文将非反应区与反应区的界限水泥掺量称为工程最低水泥掺量ac0，并将ac0=9%作为基准水泥掺量，配制水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥。

图2为素土、水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥无侧限抗压强度试验的应力-应变曲线。由图2可以看出，随着轴向应变的增大，素土压应力逐渐增大，没有明显的峰值强度，其应力-应变曲线呈现为应变硬化型；而水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥变形阶段大致可分为线弹性阶段、塑性变形阶段和软化阶段，应力-应变曲线存在明显的峰值，峰值后强度逐渐降低，呈应变软化型。相较于水泥固化淤泥，改性水泥固化淤泥在线弹性阶段，曲线斜率明显增大；同时，峰值强度提高了9.4%。这说明高铁酸钾预处理，有利于水泥固化淤泥刚度和强度的提高。

图2 不同类型土的应力-应变关系曲线Fig.2 Stress-strain curves of different types of soils

3.2 直剪试验

由库伦抗剪强度公式可知，土的抗剪强度指标中的黏聚力c和内摩擦角φ对工程应用具有重要意义。固化材料能与土体发生一系列物理化学作用，通过生成新物质填充孔隙、改变土颗粒表面电化学性质等方式，从而影响水泥固化淤泥的抗剪强度指标。本文研究了在工程最低水泥掺量(ac0=9%)条件下,水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥的剪应力-剪位移间的变化规律及高铁酸钾预处理对黏聚力c和内摩擦角φ的影响。

由于在50 kPa竖向压力下，素土就从剪切盒中挤出发生破坏，因而本文仅对水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥进行了直剪试验。图3为水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥分别在50，100，50，200 kPa四级不同的竖向压力下的剪应力-剪位移关系曲线。水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥的变形破坏特征大致可以分为4个阶段，分别为线弹性阶段、塑性变形阶段、软化阶段和残余阶段，存在明显的峰值强度和残余强度。相比于水泥固化淤泥，改性水泥固化淤泥峰值强度有所提高，且出现峰值强度时，所对应的的剪位移减小了1.5 mm左右。这说明经高铁酸钾预处理后，水泥固化淤泥的强度和刚度均得到提高。

图3 不同类型土的剪应力-剪位移关系曲线Fig.3 Curves of shear stress versus sheardisplacement of different types of soils

图4为水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥分别在50，100，150，200 kPa四级不同的竖向压力下的抗剪强度曲线。表2为水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥相应的c，φ值。

图4 不同类型土的抗剪强度曲线Fig.4 Shear strength curves of different types of soils

土样类型黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)水泥固化淤泥32.8519.84改性水泥固化淤泥38.8119.78

由图4和表2可以看出，经高铁酸钾预处理后，水泥固化淤泥的黏聚力可由32.85 kPa增长到38.81 kPa，提高了18.1%，而内摩擦角基本保持不变。这说明，高铁酸钾预处理主要提高了土颗粒间的静电力、胶结作用等，而对土颗粒间的摩擦作用影响较小。

4 讨 论

为进一步解释高铁酸钾预处理对水泥固化淤泥强度的影响，利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)对水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥的微观形貌进行观察，以直观了解高铁酸钾预处理对水泥固化淤泥孔隙结构、物质组成等的变化。

图5为水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥在放大2 000倍条件下的SEM图像。水泥固化淤泥中颗粒多以角-边和边-面形式接触，孔隙发育，可见颗粒间存在纤维状的硅酸钙水化物(CSH)，其中面-面叠聚体中片层的间距较大；改性水泥固化淤泥颗粒多以边-面和面面形式接触，结构致密，孔隙相对较少，可见颗粒间存在短棒状钙矾石(Et)，其中面-面叠聚体中片层的间距较小。

图5 不同类型土的SEM图像(放大2 000倍)Fig.5 SEM images of different types of soils(magnified by 2 000 times)

图6 改性水泥固化淤泥的固化过程概念模型Fig.6 Conceptual model of curing process ofmodified cement-stabilized sludge

黏聚力和土颗粒间的摩擦力是构成土体强度的2种主要的力的存在形式。黏聚力取决于土颗粒间静电力、范德华力及胶结物质的胶结作用，而摩擦力取决于土颗粒表面的粗糙程度和交错排列的咬合情况[16]。将水泥、高铁酸钾作为固化材料掺入淤泥，并与之发生一系列的物理化学反应，从而改变淤泥的物质成分和孔隙结构等。高铁酸钾预处理可明显改变水泥固化淤泥中的颗粒结构，颗粒间静电引力增强，在宏观上表现为黏聚力的增大；由于水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥均有水泥水化产物生成，填充了孔隙，增大了颗粒之间的接触咬合作用，因而内摩擦角变化并不明显。

图6为改性水泥固化淤泥的固化过程概念模型。分析图6可知，掺入高铁酸钾预处理后，淤泥中的结合态和游离态的有机物被氧化分解，羧基和酚羟基等官能团被破坏，酸性降低，消除了有机质在水泥水化反应过程中与Ca2+，Al3+离子的络合作用[17]。同时，高铁酸钾被有机质还原，Fe(VI)转化为Fe(III)，高价阳离子Fe3+与黏土颗粒表面结合的低价阳离子Na+和K+进行交换吸附，置换出Na+和K+，一定程度上减小了扩散层厚度，引起土颗粒的自身絮凝。

当掺入水泥后，水化反应和火山灰反应生成的水化胶凝产物，增强了土颗粒间的胶结作用，颗粒间的距离缩小，团粒化程度提高，从而表现为黏聚力的增大。同时，纤维状、短棒状水化产物填充在孔隙中或附着于土颗粒表面，约束了土颗粒间的相对移动，咬合作用增强，从而表现为内摩擦角的增大。

5 结 论

本文在小龄期(7 d)条件下，开展了水泥固化淤泥和改性水泥固化淤泥无侧限抗压试验和直剪试验，研究高铁酸钾预处理对水泥固化淤泥强度的影响，并从微观结构方面分析讨论了高铁酸钾对水泥固化淤泥强度的影响，得出如下结论。

(1) 在低水泥掺量范围内(非反应区)，随着水泥掺量的增加，水泥固化淤泥无侧限抗压强度增长缓慢；在高水泥掺量范围内(反应区)，随着水泥掺量的增加，水泥固化淤泥抗压强度呈线性增长。本文建议将非反应区与反应区的界限水泥掺量定为9%。

(2) 将界限水泥掺量称为工程最低水泥掺量ac0=9%，并以此为基准水泥掺量掺入淤泥进行固化处理。按干土质量的0.25%掺入高铁酸钾预处理后，得到改性水泥固化淤泥，其无侧限抗压强度相对于水泥固化淤泥的无侧限抗压强度增长了9.4%，且刚度也有所提高；对于抗剪强度，高铁酸钾预处理主要改变的是水泥固化淤泥的黏聚力，相比水泥固化淤泥的抗剪强度，改性水泥固化淤泥的黏聚力增长了5.96 kPa，而内摩擦角基本保持不变。

(3) 利用扫描电子显微镜图像，结合概念模型分析，高铁酸钾预处理对水泥固化淤泥的影响可概括为：高铁酸钾将淤泥中有机质氧化分解，消除了有机质对水泥水化反应的不利影响，促进了水泥水化产物的生成；同时，高铁酸钾被有机质还原，Fe(VI)转化为Fe(III)，Fe(III)与黏土颗粒表面低价离子的交换吸附作用减小了扩散层厚度，促进了黏土颗粒的絮凝。上述两方面的共同作用提高了水泥固化淤泥的强度。