近年来，我国水环境问题日益突出，江河湖泊水质恶化，污染较为严重．随着时间推移，水系中污染物不断在淤泥中富集[1-2]．对淤泥进行环保疏浚是控制内源污染、根本性治理水体的重要举措，已在水环境综合治理工程中广泛应用[3]．我国现阶段主要采用堆场处理大宗废弃疏浚淤泥[4]，但经常规水力或绞吸疏浚后，淤泥处于流浆或浮泥态，初始含水率超高，达300%~800%，具有渗透固结性极差和强度极低等不良工程特性[5]．工程上常采用化学固化法在淤泥堆场表面形成硬壳层，满足人员和设备进场，从而方便堆场进行进一步处理．相关研究者已经证实了化学固化法的有效性[6-8]，但对于高含水率淤泥浆而言，在相同固化剂掺量下，固化效果随淤泥含水率的升高急剧下降[7-8]．为解决上述难题，本研究基于传统水泥固化技术[6-10]和污泥常规絮凝调理技术[11-13]，提出一种有效处理高含水率淤泥浆的新方法——理化复合法[14-15]．该法通过在淤泥浆中先后加入固化剂和絮凝剂，经由絮凝调理来促进固化剂的化学胶结作用，进而大幅提高淤泥的晚期强度．前期试验结果已经证实了理化复合法处理超高含水率淤泥浆的可行性和高效性[14-15]．本研究提出的理化复合法中固化剂主要是水泥，为了将理化复合法更好地应用于处理不同环境条件下(如海水浸泡[16-17]、酸雨入侵[18]等)的淤泥，须对固化剂配方进行优化，同时探寻合适种类和掺量的固化剂替代单一水泥固化剂．已有研究结果表明偏高岭土(MK)相对于普通硅酸盐水泥等固化材料具有强度高[19-21]、抗渗性好[22]、耐酸碱[23]、耐久性好[20，24]和无污染等优点，因此本研究主要探究MK对理化复合处理淤泥浆强度特性的影响，旨在明确采用MK掺入或替代部分水泥后，理化复合法处理后的淤泥强度是否等同或者优于纯水泥的固化强度．并通过十字板剪切试验探究MK掺量和MK替代比对理化复合处理疏浚淤泥强度贡献率的影响规律，以期进一步完善和优化涉及理化复合处理高含水率淤泥浆工艺的固化剂配方．1 试验内容1.1　试验材料试验所用材料包含淤泥浆、水泥、偏高岭土(MK)、絮凝剂及水．试验所用淤泥来自钟祥市南湖湖泊疏浚工程的淤泥(便于运输，泥样属于块状)，该淤泥基本物性参数的测定数值如下：初始含水率w0=188.45%，土粒相对密度Gs=2.71，液限wL=46.7%，塑限wP=23.2%，塑性指数IP=23.5%，有机质质量分数mO=6.23%．室内所测淤泥初始含水率受淤泥贮藏条件等因素影响，并非疏浚湖泊淤泥时的真实初始含水状态．淤泥颗粒级配分析采用激光粒度分析仪进行测定，其粒径分布曲线图见图1，图中：d为土的粒径；β为小于某粒径的土粒体积分数．从图1可知：淤泥黏粒(0.002 mm)体积分数为6.17%，粉粒(0.002~0.075 mm)体积分数为76.42%，砂粒(0.075~2.000 mm)体积分数为17.41%．根据文献[25]塑性图分类，淤泥wL50%，IP0.73(wL-20)，5%mO10%，此疏浚淤泥属于有机质低液限黏土(CLO)．10.13245/j.hust.211001.F001图1疏浚淤泥粒径分布曲线图试验所用疏浚淤泥、水泥和MK的化学组成及含量如表1所示，其中水泥属于P.O.42.5普通硅酸盐水泥，组成成分主要以SiO2和CaO为主，两者占比达80.08%，其细度为361 m2/kg，颗粒密度为3.15；MK呈粉红色粉末状，主要含活性SiO2和Al2O3，其细度为1 250目．根据本研究前期对十余种无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂开展针筒滴定法试验的综合比选结果[14]，此次试验絮凝剂选用分子量为1.6×107~1.8×107的AN926SHUC法国爱森阴离子聚丙烯酰胺(APAM)溶液(浓度1:1 000)．10.13245/j.hust.211001.T001表1疏浚淤泥、水泥和MK化学组成成分氧化物疏浚淤泥水泥MKSiO262.9823.1355.81Al2O317.275.2934.61Fe2O34.272.612.26TiO20.680.351.82CaO0.7356.950.95MgO4.173.212.06SO30.184.610.12K2O1.630.970.28Na2O0.330.650.06烧失量7.722.212.02%1.2　试验方案本研究共涉及两组试验，试验A组目的在于探究MK掺量对理化复合处理淤泥强度贡献率PSCR(单位掺量固化剂的强度贡献，其含义为理化复合处理淤泥浆不排水抗剪强度与固化剂总掺量之间的比值)的影响；试验B组用于探究MK替代比对PSCR的影响．两组试验具体方案如表2所示，表中：wei为等效初始含水率[14]；Cmud为每立方混合物体积中干土的质量；Cf为絮凝剂掺量，指每立方混合物体积中絮凝剂的质量；Cc为水泥掺量，指每立方混合物体积中水泥的质量；Cm为MK掺量，指每立方混合物体积中MK的质量．两组试验均采用相同wei，Cmud，Cf，即：wei=420%；Cmud=208 kg/m3；Cf=0.26 kg/m3．试验A组水泥基准掺量为41.6 kg/m3，在基准水泥掺量基础上，设置五种MK掺量，分别为0，5.2，10.4，15.6，20.8 kg/m3．试验B组保持固化剂总掺量为62.4 kg/m3，设置水泥和MK掺量分别为：62.4，0 kg/m3；49.92，12.48 kg/m3；41.6，20.8 kg/m3；31.2，31.2 kg/m3．养护龄期为3，7，14，28，56 d．10.13245/j.hust.211001.T002表2室内试验工况试样编号wei/%Cmud/(kg•m-3)Cf/(kg•m-3)Cc/(kg•m-3)Cm/(kg•m-3)养护龄期/dA14202080.2641.600.003，7，14，28，56A24202080.2641.605.203，7，14，28，56A34202080.2641.6010.403，7，14，28，56A44202080.2641.6015.603，7，14，28，56A54202080.2641.6020.803，7，14，28，56B14202080.2662.400.003，7，14，28，56B24202080.2649.9212.483，7，14，28，56B34202080.2641.6020.803，7，14，28，56B44202080.2631.2031.203，7，14，28，561.3　试样制备与强度测定试验采用长×宽×高为33 cm×24 cm×18 cm的矩形PVC试验盒制备试样，体积为8 L．淤泥试样的制备及养护过程如下．a. 淤泥试样制备前，将APAM颗粒加水充分溶解配成溶液待用，该溶液由APAM颗粒与水按质量比1:1 000配制而成．b. 按照淤泥初始含水率和设计配合比计算出所须添加的水、水泥、MK和APAM溶液质量．c. 向B10三功能型号的搅拌机内加入设定掺量的水泥和MK，机械匀速搅拌5 min，制成固化剂(水泥和MK)-淤泥混合浆液备用．d. 向固化剂-淤泥混合浆液中加入设定剂量APAM溶液．为避免破坏絮团结构，此次搅拌工作须由人工持玻璃搅拌棒搅拌，开始搅拌速度控制为90 r/min，当出现絮团时会明显感觉受阻，此时应减慢搅拌速度，待絮团足够大且上层清液黏性较小时(表明絮凝剂大部分已与土颗粒发生反应)停止搅拌，制备成絮凝-固化剂-淤泥混合浆液．e. 将步骤d制备的混合浆液缓慢倒入矩形PVC试验盒中，倾倒完成后须再次用刮板在试样表面轻微抹平，目的是减小后期自重固结引起的强度数据离散性误差，随后用保鲜膜封住，盖住盒盖．本试验中A和B组工况试样基本保证在同一时间内制备完成，随后将制备的所有试样放置于温度为(25±2) ℃的水箱中养护；f. 在第一个设计养护龄期后，将上清液抽出并装盒保存(在此龄期测试工作结束后，重新缓慢倒入试样盒中，继续封盖放入水槽中养护)，测定试样的不排水抗剪强度．此外，为保证每组工况龄期的强度数值可靠，每一试样编号工况制作两组平行试样，并保证每个龄期下强度至少有三个测点，测点分布见图2．10.13245/j.hust.211001.F002图2两组平行试样的测点分布图2 试验结果分析2.1　MK掺量对PSCR的影响2.1.1　PSCR与MK掺量的关系试验A组探究MK掺量Cm对理化复合处理淤泥PSCR的影响，PSCR与Cm随养护龄期变化规律如表3所示．从表中可以看出：在3和7 d养护龄期下，试样PSCR随Cm的增加呈先增后减趋势，且存在最优MK掺量5.2 kg/m3，说明在养护龄期7 d内试样PSCR变化规律与传统纯水泥固化理论有所不同．主要原因为：养护早期(7 d内)淤泥试样含水率过高，水泥水化产物Ca(OH)2浓度较低，试样整体所处环境为弱碱性，且主要用于水泥的水化和火山灰反应，MK中只有少量活性SiO2和Al2O3与Ca(OH)2发生二次火山灰反应生成胶凝性物质，其余部分MK以填充孔隙形式存在于试样中，因此过量MK会导致试样早期PSCR降低．10.13245/j.hust.211001.T003表3A组试样在不同MK掺量下的PSCR试样编号Cm/(kg•m-3)养护龄/d37142856A10.0203.00287.26415.87538.46596.15A25.2217.95294.87405.98502.14555.56A310.4187.12277.88410.58495.19558.65A415.6150.52254.37396.85486.01580.42A520.8126.28232.37352.56489.58595.35 Pa•kg-1•m3当养护龄期为14~56 d时，试样PSCR随MK掺量增加变化不明显，如当56 d龄期时，MK掺量为20.8 kg/m3的试样PSCR为595.35 Pa/(kg·m-3)，而对照组试样PSCR为596.15 Pa/(kg·m-3)，说明试验A组工况中单位掺量固化剂的强度贡献基本保持一致．主要原因为：随着化学反应的进行，养护中后期试样孔隙水pH值升高，MK中活性SiO2和Al2O3逐渐被激活参与化学反应，生成定型和非定型的钙矾石及一系列水化硅酸钙胶凝性水化产物，进而提高试样的整体强度[19-21]，也即PSCR的分子项(试样的不排水抗剪强度)在养护中后期(14~56 d)因MK的掺入逐渐增大(例如56 d龄期时工况A1~A5试样的不排水抗剪强度分别为24.81，26.12，29.05，33.22，37.15 kPa)．PSCR的分母项(固化剂总掺量)也逐渐增大(分别为41.6，46.8，52，57.2，62.4 kg/m3)．虽然看似当水泥掺量较大时，在理化复合法处理淤泥浆中增加MK掺量的情况下，PSCR增长不明显，但是考虑到MK相对于普通硅酸盐水泥等固化材料具有强度高[19-21]、抗渗性好[22]、耐酸碱[23]、耐久性好[20,24]和无污染等优点，MK是可以作为一种固化剂替代单一水泥固化剂，也即可以优化理化复合法中的固化剂配方．为了更好地分析试验A组中MK掺量对PSCR的影响，将分析养护龄期对PSCR的影响规律．2.1.2　PSCR与养护龄期的关系图3为不同MK掺量下PSCR随养护龄期的增长曲线，图中：t为养护龄期；工况A1为对照组工况．由图可见：不同MK掺量下试样的PSCR随养护龄期变化趋势基本一致，整体增长速率先增后减，工况A2和工况A3与对照组工况A1的增长速率基本一致，而工况A4和A5试样PSCR在养护后期增长速率放缓不明显(增长速率超过对照组)，甚至在56 d养护龄期下工况A5的试样PSCR基本与对照组工况A1一致，可以预估随着养护龄期超过56 d，工况A4和A5试样的PSCR可能会超过对照组，因此进一步表明：当水泥掺量比较大时，在理化复合法处理淤泥浆中加入少量的MK，处理后的淤泥PSCR不会随之降低，甚至可能会有进一步地增长．10.13245/j.hust.211001.F003图3A组试样PSCR随养护龄期的变化曲线2.1.3　养护后含水率与养护龄期的关系试验A组中在理化复合处理淤泥试样的不排水抗剪强度测完后，同时对其养护后含水率wac进行测定，以分析wac对PSCR的影响．初始龄期的wac为理论计算值，即wac=420%/(1+wc+wm)，其中：wc=(Cc/Cmud)×100%，wm=(Cm/Cmud)×100%．图4显示了试样养护后含水率随养护龄期的变化规律．制备试样初期由于絮凝剂的脱水调理作用，试样溢出大量上清液，当测定不排水抗剪强度和养护后含水率时，提前抽出上清液，故理化复合处理后试样3 d龄期的养护后含水率相比于初始龄期含水率大幅度下降，这与实际情况相符．10.13245/j.hust.211001.F004图4A组试样wac随养护龄期的变化曲线结合表3和图4，发现一个很有趣的变化规律：图4中添加MK的试样养护后含水率均比对照组高，直至56 d养护龄期时，五组试样含水率接近对照组，但是图3显示添加MK的所有试样在养护中后期PSCR与对照组工况A1试样基本一致，这与常规纯水泥固化土机理有所不同．可能的原因为：理化复合法处理淤泥浆是一个物理絮凝沉积/固结和化学固化等复杂过程，添加的MK可能对絮凝剂的脱水调理起部分抑制作用，但由于MK在养护后期碱性环境充足条件下发生火山灰反应，淤泥试样不排水抗剪强度逐渐提升．总体而言，掺入MK对淤泥试样的不排水抗剪强度提升具有积极效应，说明添加合适掺量MK是可以达到单一水泥固化剂相同的PSCR；因此，MK可以作为一种固化剂替代单一水泥固化剂，从而优化理化复合法中的固化剂配方．2.2　MK替代比对PSCR的影响2.2.1　PSCR与MK-水泥掺量比的关系试验B组探究保持固化剂总掺量为62.4 kg/m3的情况下，不同MK-水泥掺量比对理化复合处理试样PSCR的影响．PSCR与MK-水泥掺量比(wm:wc)随养护龄期变化规律如表4所示，从表中可以看出：在每一养护龄期中不同wm与wc之比对理化复合处理试样的PSCR影响显著，尤其在14 d养护龄期内，理化复合处理淤泥试样PSCR随MK替代比的增加明显降低．但在28 d养护龄期以后，MK-水泥掺量比为6%:24%的试样(工况B2)的PSCR反超未掺MK的试样(工况B1)的PSCR，两组试样(工况B1和工况B2)在养护龄期为56 d的PSCR分别为742.79 Pa/(kg·m-3)和854.17 Pa/(kg·m-3)，也即MK-水泥掺量比为6%:24%的试样PSCR超过了未掺MK的试样PSCR，而MK-水泥掺量比为15%:15%的试样在56 d龄期的PSCR约为同龄期未掺MK试样的一半．10.13245/j.hust.211001.T004表4B组试样在不同MK-水泥掺量比下的PSCR试样编号wm:wc养护龄/d37142856B10%:30%302.88387.02587.34665.06742.79B26%:24%233.97309.29520.03674.68854.17B310%:20%134.86248.40342.95473.56636.22B415%:15%99.68190.71246.79306.89378.21 Pa•kg-1•m3主要原因为：养护早期(14 d内)淤泥试样含水率过高，水泥水化产物Ca(OH)2浓度较低，试样整体所处环境为弱碱性，MK中绝大部分活性SiO2和Al2O3无法快速与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次火山灰反应，生成钙矾石和水化硅酸钙等胶凝性物质．随着养护龄期增长，试样含水率降低且水泥发生水化反应，土体间碱性增强，MK中大部分活性SiO2和Al2O3逐渐与Ca(OH)2发生二次水化反应，从而使PSCR增强．当水泥掺量相对过少时(如工况B3和B4)，生成的胶凝物质减少，水泥水化产物减少，导致碱性进一步降低，MK中大部分活性SiO2和Al2O3无法参与二次火山灰反应，从而使理化复合处理淤泥PSCR迅速下降．2.2.2　PSCR增长与养护龄期的关系图5显示了B组试样的PSCR随养护龄期的增长情况，其中工况B1试样为对照组试样．所有试样PSCR随养护龄期的增长速率先快后慢，这与常规固化淤泥强度增长趋势一致．分析试样养护早期(14 d内)的PSCR变化曲线，对照组试样在14 d养护龄期下PSCR达587.3 Pa/(kg·m-3)，而其余试样在同龄期时PSCR最大值为520.0 Pa/(kg·m-3)，说明保持固化剂总掺量为62.4 kg/m3的情况下，用部分MK替代部分水泥，并不会提高理化复合处理淤泥试样的早期PSCR．但当养护龄期超过28 d后，MK-水泥掺量比为6%:24%的试样PSCR反超对照组，说明用MK替代部分水泥可以提高淤泥试样的后期PSCR，原因在于MK在28 d以后，在碱性条件下发生二次火山灰反应，生成钙矾石和水化硅酸钙等胶凝性物质，进而继续提高试样的PSCR[19-21]．10.13245/j.hust.211001.F005图5B组试样PSCR随养护龄期的变化曲线考虑到实际工程中，工程人员更为关注固化土在90 d养护龄期下的PSCR，在图5中进行曲线拟合，每组工况的PSCR随养护龄期的增长规律均符合拟合公式PSCR=aln(bt+1)+c，其中：a，b和c均为拟合参数．工况B1对应：a=168.3；b=1.69；c=-1.07．工况B2对应：a=283.4；b=0.34；c=5.17．工况B3对应：a=230.1；b=0.25；c=2.68．工况B4对应：a=105.0；b=0.66；c=-2.12．根据曲线拟合结果可以预测出90 d养护龄期下，工况B1、工况B2、工况B3和工况B4涉及的试样PSCR分别为：845.7，983.8，729.1，428.5 Pa/(kg·m-3)．由此可见：在合适情况下用MK替代部分水泥可以显著提高理化复合处理淤泥的PSCR，在本试验结果中MK和水泥的最优掺量比(wm:wc)大致为6%:24%．3 结论a. 添加合适掺量MK是可以达到单一水泥固化剂相同的PSCR，也即可以优化理化复合法中的固化剂配方．b. 不同MK-水泥掺量比对淤泥理化复合处理后PSCR影响显著．在养护早期(14 d内)，理化复合处理淤泥PSCR随MK替代比的增加而明显降低，但随着养护龄期增大，MK替代比为20%的试样与对照组试样PSCR差值逐渐减小，当养护龄期达28 d时，强度反超对照组．在本研究中，MK和水泥的最优掺量比为6%:24%．