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摘要：淤泥固化土作为一种新型土工材料，适用性广，效益高。为保障固化材料质量，文章通过试验研究，研究了有机质和养护温度对水泥固化淤泥强度的影响，并对有机质对水泥固化淤泥强度影响的内在机理进行分析，得出一些有益结论，供参考。
关键词：水泥固化淤泥；有机质；养护温度；内在机理
随着环境整治工作的不断深入，淤泥的大量产生已经成为不可避免的事实。面对我国人口增长与耕地减少的矛盾，淤泥的开发是解决矛盾的有效途径。而淤泥固化土作为一种新型土工材料，适用性极广，在沿海开发建设的各个项目中都能得到运用，并且在性能效果、经济效益和环境效应等诸多方面相比传统材料都有着一定优势。因此，淤泥的开发利用是有价值的潜在资源，淤泥的固化技术有很大的发展前景。目前，采用水泥固化淤泥技术已经得到广泛的应用。而土中有机质的存在会对水泥固化淤泥强度造成很大的影响。本文通过大量的室内试验，测定水泥固化有机质淤泥在不同养护温度下的强度发展指标，引入既有文献的相关数据，进一步说明有机质对水泥固化淤泥强度发展的影响，初步分析了有机质对其强度影响的内在机理。
1 材料物理参数及室内试验
试验所用土样取自某湖泊沉积淤泥质黏土，其基本物理性质指标见表1。将有机质通过550℃烧失量法烧去后，得到不含有机质的淤泥土。对比两者可发现，有机质对黏土的基本物理性质有显著影响，当黏土中存在较高含量的有机质，土的液限、塑限均会大幅增加。
表1 黏土基本物理性质指标
将上述两种土样按一定配合比(水泥剂量Aw为25%，含水率W为200%)制作成水泥固化土试样，每组制作3个试样，共36组试样，制作过程如下，其中水泥采用标号为425的普通硅酸盐水泥:将淤泥—水—水泥按照一定的配合比混合，并放入搅拌机搅拌均匀后，分层装入圆柱形PVC试模(尺寸为内径50mm×高100mm)，震荡均匀；待试样成型后，将试样装入密封袋中，并分别放入温度为20℃，40℃和60℃的恒温水槽中养护；养护至规定龄期(2d，3d，7d，14d，28d和56d)后，进行无侧限抗压试验。试样破坏为剪切破坏。取1组3个试样的平均值作为该工况下的强度值。
2 试验结果分析
2.1 水泥固化非有机质土的强度发展
图1为水泥固化非有机质土强度在不同养护温度条件下(20℃，40℃和60℃)的发展过程图。由图1可知，水泥固化淤泥试样的强度随养护时间的增加而增大，并且强度增长速率在试样的养护初期比较明显，随着龄期的增加其增长速率逐渐变缓；养护温度越高，水泥固化淤泥试样的强度明显越高，其56d强度在60℃条件下的强度比20℃条件下提高了34.9%。
2.2 水泥固化有机质淤泥的强度发展
图2为水泥固化有机质淤泥强度在不同养护温度条件下(20℃，40℃和60℃)的发展过程图。由图2可知，水泥固化有机质淤泥的早期强度随着养护温度的增加而减小，以2d养护龄期为例，20℃，40℃和60℃养护温度下的水泥固化有机质淤泥强度分别为41kPa，39kPa和32kPa。与图1中的水泥固化非有机质淤泥对比，其2d养护龄期下的强度分别为93kPa，142kPa和188kPa，其前期强度随着养护温度的升高而明显增加。对比可以发现，提高养护温度会降低水泥固化有机质淤泥的早期强度。20℃养护温度条件下，养护初期水泥固化有机质淤泥强度随着养护龄期的增加而增加，然而到了养护后期其强度趋于平缓，甚至出现强度减小回降的现象；60℃养护温度条件下，虽然水泥固化有机质淤泥的初期强度会比低养护温度下的强度小，当其养护龄期到达某一值(t0)时，强度会大幅度增加，呈现一种陡增的现象，14d强度比7d强度提高了224%，该现象在40℃养护温度下也同样会出现，只是增加的幅度比较小，14d强度比28d强度提高了60%，且出现变化的龄期t0也比较长。
图2 水泥固化有机质淤泥强度发展过程
对比图1和图2可知，水泥固化有机质淤泥的强度明显比非有机质土的强度低，土中有机质的存在会极大程度上抑制水泥固化土强度的发展。
2.3 更高有机质含量对水泥固化淤泥的影响
为更好的分析土中有机质对水泥固化黏土强度的影响规律，引入文献中水泥固化有机质淤泥在不同养护温度条件下强度发展的试验数据，材料参数如表2所示。
表2 既有文献相关参数
图3 既有文献水泥固化土强度发展过程
综上所述，土中有机质的存在对水泥固化淤泥的强度有显著影响，其影响规律对不同类型的土样也是各不相同的，但总体上起到了抑制水泥固化土强度增加的作用，且随着养护温度的增加，其抑制效果更明显。
3 有机质对水泥固化淤泥影响机理
土中有机质的成分主要包括富里酸、胡敏酸和胡敏素。其中，富里酸拥有极其复杂的分子成分，可以溶解于酸性和碱性溶液中，具有多价酸根，是无定形胶体物质，其与矿物金属离子结合形成的一、二、三价盐类均能溶于水，且具有还原和络合能力，能与多价阳离子形成具有很强吸附性的络合物。胡敏酸是可以溶解于碱性溶液而不溶解于酸性溶液的高分子化合物，具有多价酸根，其与一价阳离子形成的盐类易溶于水，二价盐类难溶于水，三价盐类不溶于水。胡敏素既不溶于酸，又不溶于碱，化学性质稳定，对水泥固化淤泥强度的形成和发展几乎没有影响。
初步分析有机质对水泥固化淤泥强度影响主要表现在以下三个方面:
(1)富里酸的影响。翟莹雪假定富里酸可以为二元弱酸H2A，得出的滴定曲线可以很好地用该二元弱酸表征。同样，在富里酸溶液中加入Ca2+后，各离子或者基团发生以下反应:
qCa2++2HqAr→CaqA2r+2qH+
2rA－+qCa2+→CaqA2r
HqAr→qH++rA－
由以上化学反应式可看出，大量的H+被置换出来，且由于水泥水化产生大量的Ca(OH)2，电离形成的OH－与被置换出来的H+反应，H+浓度降低，上述的可逆反应向正反应进行，土中孔隙水的pH值降低。
另外，富里酸中含有大量的羧基、酚羟基、醇羟基和酮基，这些官能团的解离与溶液中的pH值有很大的关系。一般水泥固化淤泥中孔隙水的pH达到10～12。在高pH环境下，富里酸的酸性官能团(羧基、酚羟基和醇羟基)上的H+会逐渐解离，形成酸性基团(An－)，与溶液中的Ca2+络合形成络合物。富里酸在水泥固化淤泥中，pH和Ca2+浓度均较高，大量的Ca2+会被富吸附形成吸附层，严重阻碍了水化反应的进一步进行。水泥水化反应产物C-S-H和C-A-H同样受富里酸的影响，富里酸的分解作用导致水泥固化淤泥的结构受到破坏，强度降低。
(2)胡敏酸的影响。在水泥水化体系中，胡敏酸仅对钙离子具有敏感性。杨亚提等通过滴定试验，发现胡敏酸(HA)为一种多元酸或混合酸，当供试HA(黑垆土)由两种一元酸组成时，胡敏酸的解离程度随pH的增加而大幅度增加。水泥固化淤泥由于水泥的水化反应使得溶液呈碱性，在此环境下胡敏酸会大幅度解离，并与Ca2+反应产生难溶于水的二价盐分布在黏土颗粒孔隙中，对土体结构的形成起到一定的作用。同时，由于胡敏酸存在更多的官能团，所以具备更强的交换能力。研究表明，胡敏酸在pH＞5.0时羧基开始解离；当pH＞6.0时，羧基已全部解离，较弱解离性酸基开始解离；pH＞10时，酚羟基开始解离。胡敏酸与Ca2+的反应具备“两相反应”的特点，即反应不仅涉及表明结合位点与离子的反应，还包括金属离子扩散进入胡敏酸内部并与内部结合位点的反应。“两相反应”是胡敏酸—钙形成的重要反应机制，不仅需要更多的Ca2+参与反应，还能生成更稳定的络合物。因此，在水泥固化淤泥中，由于pH较高(一般大于10)，胡敏酸能与更多的Ca2+反应生成络合物，延缓水泥水化的进程。
(3)内部微观结构特征。有机质的颗粒一般较小(比大多数黏土矿物颗粒小)，分子结构呈絮状结构，颗粒间会互相吸引而联结形成簇团。有机质的上述结构特性决定了其持水性和吸附性都很强，当采用水泥固化高有机质黏土时，有机质颗粒会迅速吸水并吸附于黏土颗粒簇表面，延缓水泥的水化反应，并阻碍水化产物与粘土颗粒间的胶结作用，导致水泥加固土的效果较差，水泥土的强度严重降低。
4 结语
总的来说，固化技术是处理淤泥的可靠、经济的方法之一，而有机质对淤泥固化效果的影响是淤泥固化技术研究中的重要课题。上述试验得出结论：土中有机质的存在会抑制水泥固化淤泥强度的发展；养护温度对水泥固化无有机质淤泥强度有明显的影响，养护温度越高，水泥固化土的强度越高；土中有机质对水泥固化淤泥强度影响机理主要表现在富里酸的影响、胡敏酸的影响和内部微观结构特征的影响，具有一定的参考价值。
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论文作者:陈焯炜
论文发表刊物:《防护工程》2017年第21期
论文发表时间:2017/12/25
标签：有机质论文; 淤泥论文; 水泥论文; 强度论文; 温度论文; 试样论文; 水化论文; 《防护工程》2017年第21期论文;