地球科学进展

地球科学进展, 2019, 34(4): 433-438 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.04.0433

地球化学

干燥脱水过程中纤维加筋固化淤泥的强度特性

王玥,, 唐朝生,, 吕超, 王鹏, 荣德政, 王宏胜

南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023

Strength Characteristics of Fiber Reinforced Solidified Sludge During Drying

Wang Yue,, Tang Chaosheng,, Lü Chao, Wang Peng, Rong Dezheng, Wang Hongsheng

School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China

通讯作者: 唐朝生(1980-)，男，湖南衡阳人，教授，主要从事环境岩土工程和工程地质方面的教学和研究. E-mail:tangchaosheng@nju.edu.cn

收稿日期: 2018-11-16   修回日期: 2019-01-27   网络出版日期: 2019-05-22

基金资助: 国家自然科学基金面上项目“蒸发作用下黏性土水分迁移规律及工程性质响应研究”.  编号：41572246
江苏省自然科学基金面上项目“水—力耦合条件下纤维加筋填土边坡变形破坏特征及稳定性评价研究”.  编号：BK20171228

Corresponding authors: Tang Chaosheng（1980-）， male， Hengyang County， Hunan Province， Professor. Research areas include teaching and research work in environmental geotechnical engineering and engineering geology. E-mail:tangchaosheng@nju.edu.cn.

Received: 2018-11-16   Revised: 2019-01-27   Online: 2019-05-22

作者简介 About authors

王玥(1995-),女,江苏盐城人，硕士研究生,主要从事城市环境岩土与土质改良新技术研究.E-mail:wangyuenju@smail.nju.edu.cn

WangYue（1995-），female，YanchengCounty，JiangsuProvince，Masterstudent.Researchareasincludeurbanenvironmentalgeotechnicalandsoilimprovementnewtechnologyresearch.E-mail：wangyuenju@smail.nju.edu.cn

摘要

淤泥是一种天然含水率高且力学性质极差的固体废弃物，采取有效的技术方法进行快速脱水和增强可以实现淤泥资源化和高效利用。选取离散短丝聚丙烯纤维作为加筋材料，水泥和粉煤灰作为固化材料，通过开展无侧限抗压试验，研究了纤维加筋固化淤泥在干燥路径中强度的变化，并分析了干燥过程中不同目标含水率状态(分别为45 % ，40 % ，35 % ，30 % ，25 % ，20 % ，15 % ，10 % 和5 % )和纤维掺量(0~0.8 % )对加筋固化淤泥强度的影响机理。结果表明： ① 纤维的加入能有效提高固化淤泥的峰值强度和残余强度，且强度值随纤维掺量的增加呈现先上升后下降的趋势，最优纤维掺量为0.1 % ； ② 干燥脱水过程中，试样的无侧限抗压强度随含水率的减小近似于线性增加，破坏形式由塑性破坏逐渐向脆性破坏过渡，而纤维的加入可以有效抑制试样的脆性破坏，提升试样的韧性； ③ 纤维加筋对固化淤泥强度的贡献随含水率的减小而逐渐增加，根本原因是纤维—淤泥界面作用力在低含水率条件下能得到更佳的激发。

关键词： 纤维加筋 ; 干燥脱水 ; 含水率 ; 强度 ; 淤泥

Abstract

Sludge is a kind of solid waste with high natural moisture content and extremely poor mechanical properties. Adopting effective technical methods for rapid dewatering and increasing strength is an important prerequisite for realizing the utilization and efficient utilization of sludge resources. In this paper, discrete short-staple polypropylene fiber was selected as the reinforced material, cement and fly ash were used as the solidified materials. The unconfined compression test was carried out to study the strength change of the fiber reinforced solidified sludge in the drying path, and the drying was analyzed. The influence mechanism of different target moisture content states(5 % ~45 % ) and fiber content(0~0.8 % ) on the strength of reinforced solidified sludge during the process. The results show that: ① The addition of fiber can effectively improve the peak strength and residual strength of solidified sludge, and the strength value increases first and then decreases with the increase of fiber content, and the optimal fiber content is 0.1 % . ② During the drying process, the sample of the unconfined compressive strength increases with the decrease of the moisture content of approximate to linear, and the damage form by the plastic damage to brittle fracture transition gradually, and the addition of fibers can effectively restrain the brittle failure sample, enhance the toughness of specimen. ③ The contribution of fiber reinforcement to the strength of solidified sludge increases gradually with the decrease of moisture content, and the root cause is that the fiber-sludge interface force can be better excited under the condition of low moisture content.

Keywords： Fiber reinforcement ; Drying dehydration ; Water content ; Strength ; Sludge.

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本文引用格式

王玥, 唐朝生, 吕超, 王鹏, 荣德政, 王宏胜. 干燥脱水过程中纤维加筋固化淤泥的强度特性. 地球科学进展[J], 2019, 34(4): 433-438 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.04.0433

Wang Yue, Tang Chaosheng, Lü Chao, Wang Peng, Rong Dezheng, Wang Hongsheng. Strength Characteristics of Fiber Reinforced Solidified Sludge During Drying. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(4): 433-438 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.04.0433

1 引 言

淤泥是一种典型的固体废弃物，具有严峻的环境风险。随着我国水利和水环境治理工程的大规模开展，每年都会产生大量的疏浚淤泥。据不完全统计，2017年我国总疏浚淤泥量约70×108 m3，且每年以30%的速率快速增长。寻找安全高效的淤泥处理处置新途径是当前建设资源节约型、环境友好型社会的迫切任务，同时是许多国家和地区都面临的难题[1,2,3]。

淤泥处理处置中面临的两大主要问题是含水率高和强度低。目前，对淤泥的处理多采用化学加固的方法，即在土中加入水泥[4,5]和石膏[6]等无机材料以及化学浆液[7]，再加入粉煤灰[8,9]和矿渣等辅助材料。水泥等无机固化剂加入到污泥当中起到骨架构建体的作用，在污泥中形成坚硬网格骨架，中和污泥的电荷及吸附架桥，改善絮体的形成面。而其余辅助固化材料如粉煤灰等主要是为了填充固化/稳定化后产物的孔隙形成完整的胶结体，使之能够获得更高的强度，以及对于重金属的封存起到增强的作用[10]。然而对淤泥进行单一的化学固化，固化成本高，固化效果不理想。同水泥和石灰等化学固化剂相比，纤维具有强度高、分散性好、易搅拌及不影响土体生态环境等优点[11]。研究表明，在土体中加入纤维，土体的抗压、抗剪、抗拉强度及承载力能得到显著提升，除此之外还能显著提高土体在干燥环境中的蒸发速率[12,13,14,15,16]，这对于提高土体的脱水效率有重要意义，也为淤泥脱水增强提供了新的思路。

固化淤泥的力学强度不仅与其固化方式有关，而且还受到淤泥成分、初始含水率、固化剂掺量及龄期[17]等因素的影响。其中，含水率对淤泥力学性质的影响是广大学者研究的重点之一。如张春雷等[18]综合分析直接剪切试验和无侧限抗压试验结果发现，固化后淤泥的无侧限抗压强度随着初始含水率的升高呈乘幂关系降低。淤泥的初始含水率越高，固化后塑性越强，黏聚力越低。固化淤泥的强度主要来源于水化物的作用。Consoli等[19]研究了含水率对固化淤泥土强度特性的影响，发现含水率对固化淤泥强度的作用主要是改变了固化淤泥体系的结构。徐日庆等[20]对温州半岛浅滩工程海堤淤泥质地基进行加固试验，发现含水率减少5.8%，固化淤泥的强度提高8%左右。并提出在四周封闭的情况下，先对淤泥进行吹填处理，尽可能降低其含水率，再进行加固处理。尽管关于含水率对淤泥工程特性的影响已有较多研究，但以往主要侧重于初始含水率对其工程性质的影响，而较少考虑淤泥固化后在干燥脱水条件下其强度的变化规律。

为此，本文提出采用纤维物理加筋技术结合传统的化学固化作用对淤泥进行处理，并对处理好的试样进行持续的干燥脱水到不同的含水率，通过开展无侧限抗压试验，研究了试样在干燥过程中强度的变化规律，重点分析了含水率和纤维掺量对淤泥处理效果的影响。相关研究成果对指导实际工程中的淤泥处置和资源化利用具有参考意义。

2 试验材料与方法

2.1　试验材料

本次试验所采用的淤泥取自南京市某河道，基本物理性质指标如表1所示，试验配置的初始含水率为92%。试验采用的加筋材料为短丝聚丙烯纤维，其物理力学参数如表2所示。试验所用的水泥为市场上销售的32.5级普通硅酸盐水泥。粉煤灰为南京下关电厂的LIFAC灰，主要成分是飞灰。

表1   淤泥的物理性质指标

Table 1  Physical and mechanical behaviors of sludge

比重天然含水率/%液限/%塑限/%有机质/%
2.4846.9261.236.84.6

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表2   聚丙烯纤维的物理力学参数

Table 2  Physical and mechanical behaviors of

类型

密度

/(g/cm3)

直径

/mm

平均长度

/mm

耐酸碱性分散性
束状单丝0.910.020~0.04812极强极好

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2.2　试样制备与试验方法

首先将初始含水率为92%的淤泥与不同掺量的纤维充分搅拌，本次试验共设计了6组纤维掺量（质量分数），分别为0，0.05%，0.1%，0.2%，0.4%和0.8%。然后分别添加质量分数为10%的水泥和质量分数为30%的粉煤灰，并搅拌均匀。此后将其分3层装入直径5 cm、高10 cm的PMMA有机玻璃管，每层振动10 min，样品制作完成后静置24 h。24 h后将成型的试样脱模，并置于塑料袋中密封，在标准养护条件下（温度为22 ℃，相对湿度大于90%）养护28天。试验中每组试样设置了3个平行样。

28天后，称量固化完成后试样的质量，并测试对应的含水率，将其作为固化后淤泥的初始含水率（约为46%），然后将试样放入20 ℃的恒温实验室内自然蒸发脱水，以达到不同的目标含水率，本试验共设计9组不同的目标含水率，从大到小分别为45%，40%，35%，30%，25%，20%，15%，10%和5%。在干燥过程中，试样的重量变化通过电子天平实时读取(精度0.01 g)，读得的数值用于计算试样的平均含水率。为消除养护龄期对试样强度的影响，将先达到目标含水率的试样密封后重新置入标准养护条件下进行养护，待所有试样蒸发完成后，统一进行无侧限抗压强度试验。需要指出的是，由于干燥过程会导致试样中含水率分布不均匀，在达到目标含水率时不能直接进行无侧限抗压试验，否则会导致较大的误差。为此，本次试验中试样干燥到目标含水率后立即置于塑料袋密封养护至少7天，以便试样中的含水率分布均匀，然后再开展无侧限抗压试验。

3 试验结果与分析

3.1　含水率对纤维加筋固化淤泥强度的影响

试验中，不同纤维掺量、不同含水率条件下试样的应力—应变曲线呈现相似的规律，选取素土（未掺入纤维）和纤维掺量为0.1%的试样进行分析。干燥脱水过程中，含水率的降低显著提高了试样的峰值应力（图1）。除此之外，随着含水率降低，淤泥破坏形式逐渐由塑性破坏转变为脆性破坏，且破坏应变逐渐减小。但是不同含水率下固化淤泥后的残余强度十分接近，都在50 kPa左右，说明含水率对于固化淤泥破坏后的残余强度影响不大。当纤维掺量为0.1%时（图2），由于纤维的作用，固化淤泥基本上没有出现脆性破坏的现象，随着含水率降低纤维加筋固化淤泥的破坏应变也呈整体减小趋势。但纤维加筋试样的残余强度明显高于未加筋试样，且随含水率的减小呈递增趋势。

图 1

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图 1   素土样在不同含水率条件下的应力—应变曲线

Fig. 1   Stress-strain curves of samples without fiber reinforcement


图 2

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图 2   纤维掺量为0.1%时试样在不同含水率条件下的应力—应变曲线

Fig.2   Stress-strain curves of samples with 0.1% fiber reinforcement


图3给出了不同纤维掺量下固化淤泥在干燥过程中无侧限抗压强度随含水率的变化特征。从图3中可以看出，在相同纤维掺量下，随着含水率的降低，固化淤泥的强度不断增加。当素土的含水率从45%降低到5%时，其强度从116 kPa增加到 403 kPa，提升了约3.5倍。对于纤维掺量为0.05%，0.1%，0.2%，0.4%和0.8%的试样，当含水率从45%降到5%时，强度分别提升了2.8，3.1，2.7，2.7和2.9倍。总体上，试样含水率每减小1%，无侧限抗压强度平均增大约8%。这主要是因为较高的含水率对固化淤泥的凝胶体有着一定的润滑作用，降低了凝胶体之间的黏结力，导致抗压强度偏低；其次，含水率降低会导致吸力增加，对强度的提升有着积极作用。Grubb等[21]通过改变固化剂的掺量以及养护时间等，只能将其强度提高50%左右，但是通过降低固化后淤泥的含水率却可以使其强度成倍增加。鉴于填埋处置对淤泥强度的要求[22,23]，采用一定的手段降低淤泥固化后的含水率对其强度提高具有重要意义。

图 3

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图 3   不同纤维掺量下含水率与无侧限抗压强度的关系

Fig. 3   Relationship between moisture content and unconfined compressive strength under different fiber dosages


3.2　纤维掺量对纤维加筋固化淤泥强度的影响

图4给出了不同含水率条件下纤维掺量对固化淤泥强度的影响。淤泥试样经过固化后的含水率在45%左右，且在该组含水率下，当纤维掺量从0增加到0.8%时，固化淤泥对应的强度分别为116，171，203，177，164和42 kPa。可以看出，当纤维掺量从0增加到0.1%时，强度从116 kPa增加到203 kPa，增加了87 kPa，随着纤维掺量的持续增加，固化淤泥的强度逐渐减小，到纤维掺量为0.8%时，强度已经减小到142 kPa，相对峰值而言减小了61 kPa。虽然强度有所下降，但是掺入0.8%纤维的固化淤泥的强度比素土的强度仍然高26 kPa，说明纤维加筋作用效果明显。在本文研究的纤维掺量范围内，可以发现，在任一含水率条件下，纤维掺量对淤泥固化强度的影响始终呈现出相同的规律，即随纤维掺量增加，强度先增加后减小，在0.1%纤维掺量附近强度达到峰值，且掺入纤维后，固化淤泥的强度均比素土高。由此可见，最优纤维掺量为0.1%。这是因为纤维对土样的改良效果主要取决于纤维表面与土颗粒之间的黏结力和摩擦力。随机离散的纤维在试样中呈网状分布，在土颗粒、水泥水化物以及粉煤灰的摩擦作用和黏结作用下，纤维能够承担试样内部因荷载作用而产生的拉应力，从而减少了试样中的应力集中。纤维掺量越多，能承担的拉应力越大，传递和分散荷载能力越强。但是当纤维掺量过高时，一方面由于过多的纤维会成团，从而在土样结构中形成软弱结构面；另一方面过多纤维占据了淤泥土的空间，破坏了土体的整体性，从而使得强度降低。由此可见，采用纤维加筋技术对淤泥进行增强处理并不是纤维掺量越高越好，需要根据实际情况确定最优掺量。

图 4

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图 4   不同含水率条件下纤维掺量对固化淤泥强度的影响

Fig. 4   Effect of fiber content on the strength of solidified sludge under different moisture content


3.3　干燥脱水过程中纤维加筋对固化淤泥强度的影响

为了分析含水率变化对纤维加筋固化淤泥强度的影响，假设同一含水率条件下0.1%纤维加筋试样和素土的无侧限抗压强度差值为△，然后将差值△随含水率的变化规律绘制成图5。从图5可以看出，当含水率从45%降低到5%时，△从87 kPa增加到219 kPa，且接近于线性增加。显然随着含水率的降低，纤维加筋的效果越来越显著。这主要是因为当含水率逐渐降低时，纤维—淤泥界面作用力从以下3个方面得到了增强：①含水率的降低直接导致界面自由水分减小，润滑作用减弱，界面摩擦作用增强；②含水率的降低使得淤泥颗粒的水化膜变薄，淤泥颗粒吸力及粒间作用力增大，当纤维在淤泥固化体中发生滑动时，界面上固化体颗粒发生重排所需克服的阻力也会增大；③纤维发挥其“桥梁”作用，改善了淤泥的结构整体性。因此，随着含水率的减小，试样中纤维的加筋效果逐渐增强，其对强度的贡献值也越来越高。Tang等[24]通过单根纤维拉拔试验，测试了不同含水率条件下纤维—土界面的剪切强度大小，发现含水率越低，筋—土界面作用力越大，从另一方面也证实上述观点。

图 5

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图 5   含水率对纤维加筋固化淤泥效果的影响

Fig. 5   Effect of moisture content on the effect of fiber reinforced solidified sludge


4 结 论

本文以疏浚淤泥为研究对象，提出采用纤维加筋技术结合水泥以及粉煤灰的化学固化作用对初始高含水率的淤泥进行处理，并研究了干燥脱水过程中纤维加筋固化淤泥力学强度的演化特性，分析了含水率和纤维掺量对淤泥处理效果的影响，得到以下几点结论：

（1）干燥脱水过程中淤泥的含水率对其强度有显著的影响。随着含水率的降低，试样的强度能够成倍增加。在实际工程中，从经济高效角度考虑，可优先考虑降低固化后淤泥的含水率以改善淤泥的力学性质。

（2）在传统的化学固化处理淤泥中加入纤维可以进一步提高淤泥的峰值强度和残余强度，且强度值随纤维掺量的增加呈现先上升后下降的趋势，最优纤维掺量为0.1%。纤维对固化淤泥的改良效果取决于纤维的掺量、纤维与淤泥颗粒之间的黏结力和摩擦力。

（3）随着含水率的降低，固化淤泥的破坏形式由塑性破坏向脆性破坏发展，且破坏应变逐渐减小，而纤维的掺入可使固化淤泥的整体结构性增强，减小峰值强度损失，提升固化淤泥的破坏韧性，这对改善工程结构的安全性有重要积极意义。

（4）纤维加筋对固化淤泥强度的贡献随含水率的减小而逐渐增加，主要是因为纤维—淤泥界面作用力在低含水率条件下能得到更佳的激发。

（5）采用纤维物理加筋与化学固化相结合的淤泥处理方法，并进一步进行干燥脱水处理，能起到显著的增强效果，该方法简单易行，具有一定的推广应用价值。

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