淤泥固化处理中有机物成分的影响

2008年1月 Rock and Soil Mechanics Jan. 2008
收稿日期：2007-04-04
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No. 50379011）。

作者简介：朱伟，男，1962年生，教授，主要从事岩土工程与环境工程方面的教学与研究工作。

E-mail: weizhu@
文章编号：1000－7598－(2008) 01－0033－04
淤泥固化处理中有机物成分的影响
朱 伟1, 2，曾科林3，张春雷2
（1.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；2.河海大学 环境科学与工程学院，南京 210098；
3.河海大学 岩土工程研究所，南京 210098）
摘 要：针对有机质对疏浚淤泥固化处理效果产生的影响，研究有机质的主要成分腐殖酸对水泥固化的影响。

研究表明，腐殖酸对水泥的水化具有抑制作用，腐殖酸含量对淤泥固化土的无侧限抗压强度和破坏应变的影响存在一个极限含量（3.62 %），超过这一极限含量，随腐殖酸含量的增加固化土的强度和破坏应变几乎不再变化。

同时，研究结果表明，随着腐殖酸含量的增加，固化土塑性增强。

关 键 词：腐殖酸；有机质；固化；极限含量 中图分类号：TU 411 文献标识码：A
Influence of organic matter component on solidification of dredged sediment
ZHU Wei 1, 2, ZENG Ke-lin 3, ZHANG Chun-lei 2
(1. State Key Laboratory of Hydrology, Water resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. College of Environment Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)
Abstract: Organic matter often influences the effect of cement solidified soil, humic acid as the main composition of organic was chosen to study the effect on solidification. Test results show that humic acid hamper the hydration of cement, there exists a critical humic acid content of 3.62 %, when the humic acid content is higher than the critical value, continue increasing of organic matter content has little effect on unconfined compressive strength and failure strain, while the plasticity of solidified soil enhances with the humic acid content increases.
Key words: humic acid; organic matter; solidification; critical content
1 引 言
当今疏浚底泥的处理是个世界性的难题。

海洋、湖泊、河道的疏浚底泥中都存在一定的有机质，据统计，太湖中不同区域、不同年份底泥有机质含量均值变化范围为0.68 %～1.9 %，最高值能达到10 %以上，杭州西湖底泥中有机质含量异常高，不同区域的平均含量达到20 %，北京昆明湖和云南滇池底泥中有机质含量范围分别为0.3 %～6 %和2 %～ 9 %等等[1, 3]。

利用固化方法处理疏浚底泥是一种有效的资源化再生利用方法[4]。

前人对固化处理技术的研究中发现，有机质的存在会大大地降低淤泥的固化处理的效果[5, 6]。

但是，有机质中什么物质对淤泥固化过程产生抑制，尚是一个未能明确的问题。

本文以有机物中的主要成分腐殖酸为研究对象，分
析了疏浚底泥中腐殖酸对淤泥固化土力学性质产生的各种影响。

2 试验材料与方法
2.1 试验材料
固化材料水泥为南京江南水泥厂生产的“钟山牌”32.5#普通硅酸盐水泥。

试验所用疏浚淤泥取自无锡西五里湖，其基本物理性质指标如表1所示。

表1 试验淤泥物理性质指标
Table 1 Physical properties of testing dredging samples
含水率w / %
液限w l / %
塑限w p / %
比重G s
重度 / kN ·m -3
孔隙比 e
有机质含量/ %
116 75 32 2.65 15.0 3.47 0.45 注：有机质含量是通过重铬酸钾容量法测得。

2.2 试验方法
海洋、湖泊、河道底泥中的有机质是动植物的残骸经微生物分解而成的，它的主要成分是腐殖质，占有机质总量的85 %～95 %[7]。

腐殖质包括腐殖酸和胡敏素，其中胡敏素是腐殖酸中的胡敏酸与黏土矿物质结合的惰性部分。

因此，本文中选择腐殖酸作为研究对象。

腐殖酸（humic acid）的性状为棕黑色粉末，各项指标均符合Q/CYDZ-319-98技术条件，其中干燥失重小于等于2 %。

在初始有机质含量为0.45 %的五里湖淤泥中掺加不同量的腐殖酸，腐殖酸与原泥充分搅拌后，密封放置一个星期，然后取样，采用重铬酸钾容量法测定其有机质含量，调成总有机质含量分别为0.86 %，1.15 %，2.41 %，3.62 %，4.95 %，5.40 %的6种淤泥。

由于腐殖酸干燥失量较小，对淤泥的含水率影响不大，6种淤泥的含水率都在原泥含水率的116 %左右，偏差在5 %以内。

对这6种淤泥和原泥（有机质含量为0.45 %）进行固化处理，固化材料为水泥，掺加量为100 kg/m3。

固化试样直径为3.91 cm、高为8.00 cm，放置在标准恒温恒湿养护箱中养护（温度20±2℃，湿度大于90 %），至设计龄期7 d和28 d后进行无侧限抗压强度试验。

3 试验结果与分析
3.1 腐殖酸对淤泥固化土强度的影响规律
3.1.1 有机质含量与强度的关系
对无侧限抗压强度试验结果进行汇总分析，得出有机质含量与无侧限抗压强度的关系，如图1所示。

由图可以看出，有机质含量的不同对固化淤泥的无侧限抗压强度影响很大，但存在一个有机质含量影响的极限值
c
Q（3.62 %），在有机质含量小于c Q
时，随有机质含量的增加，强度减小；超过
c
Q，有机质含量的变化对强度几乎没有影响。

这种现象的产生是由于固化土的强度来源于水泥水化产物以及水化产物与黏土矿物之间反应的生成物[8]，腐殖酸的存在降低了孔隙水溶液的pH值，也吸附了生成水化产物所需的钙离子，阻碍了水泥的水化反应，同时还会分解水化产物，导致水化产物的最终生成量减少，从而降低固化土强度。

随着泥中腐殖酸添加量的增加，这种阻碍和分解作用越明显，强度就越低，但是当腐殖酸达到一定量时，水化产物生成量很少，固化土的强度不再源于水化产物的生成，而主要是由于水泥掺加，引起淤泥本身物理性质的改良，水泥掺加量一定时，这种物理改良作用也一定，因此，固化土强度也不再变化。

图1 有机质含量与强度的关系
Fig.1 Relationship between unconfined compressive
strength and organic matter content
范昭平[9]对两种有机质含量不同的淤泥进行研究，一种是海相淤泥，有机质含量为1.39 %；另一种为湖相淤泥，有机质含量为5.78 %。

根据不同的重量比配成有机质含量为2.85 %，3.59 %，4.32 %，4.9 %的4种淤泥，对这4种淤泥和原有两种淤泥进行固化，研究固化试样的无侧限抗压强度特性，同样发现有机质含量对固化淤泥强度的影响存在一个极限值，规律与图1相似，只是这个极限值为4.32 %。

对比范昭平[9]的研究，他突出的是有机质总量对固化土强度的影响，而本文主要调节了有机质中腐殖酸的含量，但两者得出基本相同的结论。

因此，可以认为，淤泥中有机质对淤泥固化效果的影响，主要是由于腐殖酸对水泥水化作用的抑制而产生的。

3.1.2 龄期与强度的关系
对有机质含量为0.45 %和2.41 %的两种固化淤泥5个龄期的无侧限抗压强度试验结果进行汇总，可以得出无侧限抗压强度与龄期的关系，如图2所示。

图中表明固化土强度随龄期的增长而增加，但增长趋势逐渐减弱。

比较两种有机质含量的固化土，可以发现有机质含量低的试样强度随龄期的增长率要高于有机质含量高的试样，这说明有机质的存在延缓了固化土强度的形成。

3.2 有机质对淤泥固化土变形特性的影响
固化土的变形特性是固化土在工程运用中需要考虑的方面。

固化土的破坏型式、破坏应变
f
ε大小都是反映固化土变形特性的重要指标。

固化土破坏时破坏形式的不同和破坏变形的大小直接影响到固化土的工程使用。

01 3
有机质含量/ %
q
u
/
k
P
a
5 6
2 4
第1期 朱 伟等：淤泥固化处理中有机物成分的影响
图2 强度与养护龄期的关系
Fig.2 Relationship between unconfined compressive
strength and curing time
3.2.1 有机质对应力-应变关系的影响
根据无侧限抗压强度试验结果，可以得到固化土应力-应变关系随有机质含量的变化如图3、图4所示，应力-应变关系随龄期的变化如图5、图6所示。

分析图3和图4可以看出：随着有机质含量的增加，固化土的破坏模式由脆性破坏转为塑性破坏，有机质增加了固化土的塑性；从图5和图6可以分析得出：固化土的破坏模式随龄期的增加，由塑性转为脆性。

这些现象的出现可以从固化土的结构性进行解释，淤泥中添加了水泥后，水泥在水化过程中，产生的生成物将土颗粒胶结起来形成骨架，当骨架强度高、土的整体结构性好，在外力作用下土体作为一个整体受力，破坏时在宏观上表现出变形小的脆性特点；反之，骨架强度低，土体的结构性差时，在外力作用下骨架从受力点处开始破坏并传递下去，宏观上表现出变形大的塑性特点。

当淤泥中存在有机质时，有机质可对水泥的水化反应起到阻碍和延迟作用，有机质含量越大，对水化反应的阻碍和延迟作用越大，骨架的强度就越低，土体的整体结构性越差。

图3 不同有机质含量应力-应变关系（龄期为7 d ） Fig.3 Relationship between stress and strain of different organic matter contents of solidified dredgings (7 d)
图4 不同有机质含量应力-应变关系（龄期为28 d ） Fig.4 Stress-strain curves of different organic matter
contents of solidified dredgings(28 d)
图5 不同龄期应力-应变关系（有机含量为0.45 %） Fig.5 Relationship between stress and strain of different
curving times of solidified dredgings(0.45 %)
图6 不同龄期应力-应变关系（有机含量为2.41 %） Fig.6 Relationship between stress and strain of different
curving times of solidified dredgings(2.41 %)
3.2.2 有机质对淤泥固化土破坏应变的影响规律
固化淤泥的破坏变形介于原泥和纯水泥试块的变形之间。

对于原泥，由于含水率较高，黏粒含量较大，往往处于流态，其破坏变形很大；而水泥试块强度往往很高，破坏变形很小。

含有有机质的疏浚淤泥，固化后的应变随有机质含量的变化是不同的，其变化规律如图7所示。

从图中可以看出，有
σ / k P a
ε
/ %
0ε / %
σ / k P a
0ε / %
σ / k P a
020
40
60
ε / %
σ / k P a
5
15 龄期/ d
q u / k P a
25 30
10
20
35
岩 土 力 学 2008年
机质含量对破坏应变的影响也存在同一个有机质含量影响的极限值Q c （3.62 %）。

固化土的破坏应变也随着抗压强度的不同而发生变化，破坏应变与抗压强度的关系如图8所示，图中关系曲线表明，破坏应变随强度的增加呈乘幂函数递减。

在有机质存在的情况下，固化土的破坏应变普遍偏大，从图8中可以看出，破坏应变集中在2 %～4 %之间，有些点高达9 %。

产生这些现象的原因是因为有机质的存在影响了固化土骨架强度的形成，固化土在受力的情况下，变形压缩的空间较大，并随着有机质含量的增加，固化土压缩空间就越大。

图7 破坏应变与有机质含量的关系
Fig.7 Relationship between failure strain and
organic matter content
图8 破坏应变与强度的关系
Fig.8 Relationship between failure strain and
unconfined compressive strength
4 结 论
（1）有机质对淤泥固化效果的影响主要是由于淤泥中腐殖酸对水泥水化反应的抑制作用产生的。

（2）有机质对淤泥固化土强度和破坏应变的影响存在一个极限含量c Q ，在c Q 以内，随有机质含量的增加，强度下降，破坏应变增大；超过c Q 后，有机质含量的变化不再影响固化土的强度和破坏应变。

（3）有机质含量的增加减小了固化土强度随龄期的增长率。

（4）淤泥固化土的应力-应变关系随有机质含量的增加由脆性转为塑性，随龄期的增加由塑性向脆性转化。

参 考 文 献
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有机质含量/ %
εf / %
10 0
20
40
100 1200 2 4 6 60 80 8 εf / %
q u / kPa
36。