CN110187060A - 一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法，属于地基处理和淤泥固化领域。该方法基于考虑温度影响下水泥固化淤泥的强度增长模型，通过在勘察阶段开展相关预实验，确定一系列与温度、配比无关的模型拟合参数，之后在施工阶段对水泥固化淤泥进行取样，在预定高温条件下进行早期强度加速测试，基于早期高温条件下强度测试值预测水泥固化淤泥施工环境下中晚期的强度值。本发明提供的水泥固化淤泥强度超早期预测的方法操作简单、准确性高，在施工早期便可进行中晚期强度预测，实现水泥固化淤泥填筑工程的早期质量控制，指导施工现场尽早调整优化配合比，有效避免施工结束后强度抽样检验不达标的问题发生，显著降低固化剂成本及后期加固费用。
Description
技术领域
本发明属于土木工程、港口航道工程、围海造地工程等方面的地基处理和淤泥加固领域，更具体地，涉及一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法。
背景技术
现有港口航道的建设维护、内陆河湖的清理扩容等工程都会产生巨量的疏浚淤泥，如此巨量疏浚淤泥的末端处理一直是困扰学术界和工程界的一个难题，其中利用水泥固化淤泥将疏浚淤泥进行资源化再利用是一种行之有效的处理方式，典型的如将水泥固化后的淤泥作为机场/路堤修筑、洼地平整和围垦造地等填方工程的填料，不仅可以解决砂石等良好填料严重匮乏的困局，同时还可以有效缓解每年疏浚淤泥弃置处理带来的坏境问题，是一种优良的集经济效应与环境效应为一身的淤泥处理方法。
但是，在实际施工过程中，对于不同批次水泥固化疏浚淤泥的试样，淤泥的含水率、颗粒级配及水泥掺量存在显著差异，导致处理得到的水泥固化淤泥强度差异比较大。而且由于其填筑速率高、工程量大，较小的强度差异都会引起很大的影响，强度过高时会造成极大的浪费，强度不足时进行挖除或者加固又会造成更大的浪费，且工程上难以实现，所以迫切需要一种在施工阶段早期就可以预测中晚期水泥固化淤泥强度的质量控制方法。
现有的质量控制方法主要有两种：一是通过UCT(unconfined compressionstrength，无侧限抗压强度试验)测定水泥固化淤泥28d和91d的无侧限抗压强度qu，这种方法本质上属于工后质量检验方法；二是在工程早期通过Flow Value Test实验(以下简称FVT)在流塑态情况下对水泥与淤泥混合料进行测试，但是相关研究已经证明其性质与晚期强度值并无明显的相关关系，即现有的质量控制方法并不能真正实现早期质量预测及控制的目的，因此急需找到一种有效的早期质量控制新方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水泥固化淤泥强度超早期预测的方法，其目的在于，根据设定的强度增长模型，通过勘察阶段的预实验和施工阶段早期进行的强度加速测试试验确定模型参数，进而预测施工环境下水泥固化淤泥的中晚期强度值，从而实现在施工阶段初期即可预测水泥固化淤泥中晚期的强度值，有利于在早期进行质量控制。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法，基于如下强度增长模型进行超早期预测：
其中，qu(t,T)为养护温度T下养护龄期为t时试样的无侧限抗压强度，T0为基准养护温度；t、te表示试样在养护温度为T0和T时达到相同强度分别需要的时间；Su、k为仅与水泥、淤泥种类以及水泥与淤泥的配合比相关的拟合系数，基于公式(1)由实验参数拟合得到；t0为与温度相关的拟合系数，基于公式(1)于工程勘察阶段在给定养护温度T0和T下由实验参数拟合得到；
η'T、a'T为考虑养护温度影响的拟合系数，R＝8.3144J·mol-1·K-1，R′a、E′a为只与材料属性相关的拟合系数，R′a、E′a是于工程勘察阶段在给定养护温度T0和T下由实验参数拟合得到；qu,ult(T)、qu,ult(T0)分别表示养护温度为T和T0时水泥固化淤泥的晚期无侧限抗压强度值；
η'T、a'T是于施工阶段通过将R′a、E′a的实验拟合结果及施工现场实际温度代入式(2)、(3)计算得到，由加速测试条件下进行养护实验得到的试样强度曲线确定，其中，t目标是养护龄期t的目标值，T加速是加速测试条件下养护温度T的值。
进一步地，包括预实验阶段和强度加速测试阶段，其中：
预实验阶段：
1)在工程勘察阶段开展前期预实验，包括：对施工现场待处理区域的淤泥进行取样，选取施工用水泥按照施工现场所需的配合比固化淤泥，得到多个预实验试样，对预实验试样分组在至少三个不同温度条件下进行恒温养护，分别通过VST和UCT试验得到不同养护温度下全龄期无侧限抗压强度值qu；
2)基于强度增长模型、步骤1)获得的qu(t,T)及其对应的T、t、T0、te，基于公式(2)、(3)拟合确定R′a、E′a；再将式(2)、(3)代入式(1)，求解不同配合比、不同养护温度条件下的t0；其中，T0从步骤1)选择的温度条件中选定；
3)将不同配合比、同一养护温度条件下所得到的t0取均值，作为该养护温度条件下的t0常数；
强度加速测试阶段：
4)在施工阶段开始时，对当前处理批次的水泥搅拌淤泥混合物取样得到多个加速测试试样，通过提高实验养护温度的方式在数天内分别通过VST和UCT试验对加速测试试样分组进行强度加速测试实验，将步骤2)确定的R′a、E′a、T0，以及强度加速测试实验时的养护温度T代入公式(2)、(3)计算强度加速测试实验时的η'T、a'T，然后代入公式(1)求解加速测试试样的Su、k；
5)强度预测：
将施工现场实际温度作为养护温度T，与步骤2)确定的R′a、E′a、T0代入公式(2)、(3)计算强度加速测试实验时的η'T、a'T，然后结合步骤4)确定的Su、k，根据公式(1)和公式(4)预测施工现场实际温度下的全龄期强度增长曲线。
进一步地，所述步骤1)中试样养护的全龄期为28d或56d，在7d内通过VST试验测试不排水抗剪强度，在各个龄期内通过UCT试验测试无侧限抗压强度，然后根据UCT试验结果，对VST试验曲线进行比例修正，以使VST试验曲线和UCT试验曲线在0.5d～7d养护区段范围内最大程度地重合，进而得到统一的全龄期无侧限抗压强度值qu。
进一步地，所述步骤2)中，首先选取某一温度作为基准温度T0，设定基准温度T0下η'T＝1，a′T＝0，通过该温度下某一选定的配合比试样的强度的全龄期增长曲线按照公式(1)进行拟合，得出拟合常数Su、k、t0的值；
再将基准温度T0下的拟合常数Su、k代入公式(1)，对该配合比不同养护温度T条件下的全龄期强度增长数据分别进行拟合，得到该配合比在不同养护温度下的多组η'T、a'T、t0
对其他不同配合比、不同温度条件下试样的强度全龄期增长曲线重复上述拟合过程，得到不同配合比、不同养护温度条件下的多组η'T、a'T、t0，将不同组别的ln(η'T)1/T0-1/T数据点绘制在同一坐标系下，进行线性拟合得到斜率值，从而求得Ra′，将不同组别的a′T1/T0-1/T数据点绘制在同一坐标系下，进行线性拟合得到斜率值，从而求得E′a。
进一步地，所述步骤3)中确定t0的配合比满足以下条件：将淤泥含水率和水泥掺量作为配合比的控制变量，基准温度T0条件下至少配制5组不同配合比，其他温度T条件下至少配制3组不同配合比。
进一步地，所述步骤4)中分组进行强度加速测试实验的方法为：
在预定加速测试的养护温度条件下对多个加速测试试样按照待测龄期分组，同时进行养护；达到某一个待测龄期时，取出相应加速测试试样，并进行VST试验或UCT试验，其中：
VST试验最大养护周期定为1d～1.5d，从制样完成开始每隔预定时间执行一次VST试验；UCT试验最大养护周期定为2d～3d，从制样完成开始每隔预定时间执行一次UCT试验；然后根据UCT试验结果，对VST试验曲线进行比例修正，使VST试验曲线和UCT试验曲线在指定的养护区段范围内最大程度地重合，进而得到加速测试条件下水泥固化淤泥强度增长曲线。
进一步地，所述步骤4)中VST试验最大养护周期定为1.5d，VST试验间隔为2h，UCT试验间隔为0.5d，根据UCT试验结果，对VST试验曲线进行比例修正，使VST试验曲线和UCT试验曲线在0.5d～1.5d养护区段范围内最大程度地重合。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)该方法基于考虑温度影响下水泥固化淤泥的强度增长模型，通过在勘察阶段开展相关预实验，将温度、配比作为已知试验参数，通过参数拟合方式确定一系列与温度、配比无关的强度增长模型拟合参数，之后在施工阶段对施工现场的水泥固化淤泥进行取样，在预定高温条件下进行养护及早期强度加速测试，实现基于早期高温条件下强度测试值预测实际施工温度条件下水泥固化淤泥施工环境下中晚期的强度值。本发明提供的水泥固化淤泥强度超早期预测的方法主要适用于大规模水泥固化淤泥填筑工程，具有操作简单，准确性高的优点，在施工早期便可进行中晚期强度预测，实现水泥固化淤泥填筑工程的早期质量控制，指导施工现场尽早调整优化配合比，有效避免施工结束后强度抽样检验不达标的问题发生，进而显著降低固化剂成本或后期加固费用。
(2)VST(vane shear test，十字板剪切试验)是一种早期试验手段，可以通过密集测试较好地反映早期固化趋势，但是不适用于预测中晚期强度；UCT适用于全龄期测试，但是本质上属于工后质量检验方法，不能事先预测测试结果，不具备预测能力；本发明并不直接通过VST和UCT的试验结果进行预测，而是利用UCT测试结果修正VST测试结果得到全龄期强度曲线，进而拟合出本发明特定的强度增长模型中所需的参数，最终利用强度增长模型实现在施工早期预测施工中晚期的强度，弥补了现有技术的缺陷。
(3)由于本发明在施工早期便可进行中晚期强度预测，可以提前进行质量控制，有效避免因含水率、颗粒级配、水泥掺量不同所造成的强度差异带来的一些影响，达到质量控制的目的。同时，利用本发明对水泥固化淤泥强度进行预测，在早期便可根据预测结果及时调整水泥用量，在保证质量的基础上尽可能地节约水泥用量。因此，该方法具有操作方便，简单可控，结果准确，成本低廉等优点
(4)利用水泥固化对淤泥进行了资源化再利用，既可有效缓解砂石填料的供应短缺，又可解决淤泥弃置引发的环保问题；
(5)操作便捷，成本低廉：仅需在勘察施工阶段，选取少量淤泥试样进行水泥固化养护，得到全过程龄期强度增长曲线，再配合现场施工阶段的强度加速测试试验，即可预测中晚期水泥固化淤泥强度，具有其他质量控制方法不可比拟的优势；
(6)理论性强，准确性高：现有的FVT及UCT等质量控制方法或是没有完善的理论支撑，或是没有良好的控制精度，相较之下，本发明有较强的理论支撑和试验数据基础，得到的强度预测结果误差在可控范围内，可较为良好的解决控制精度问题。
附图说明
图1是A1组不同养护温度条件下水泥固化淤泥强度随龄期的增长拟合曲线；
图2是1/T0-1/T与ln(η'T)关系曲线；
图3是1/T0-1/T与a'T关系曲线；
图4是A1组加速测试条件下的短期(3d)强度试验数据以及拟合曲线；
图5是A1组不同温度条件下的全过程强度增长预测曲线与实测数据之间的对比；
图6是本发明的基本原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的主要原理是基于如下强度增长模型进行超早期预测：
其中，qu(t,T)为养护温度T下养护龄期为t时试样的无侧限抗压强度，T0为基准养护温度；t、te表示试样在养护温度为T0和T时达到相同强度分别需要的时间；Su、k为仅与水泥、淤泥种类以及水泥与淤泥的配合比相关的拟合系数，基于公式(1)由实验参数拟合得到；t0为与温度相关的拟合系数，基于公式(1)于工程勘察阶段在给定养护温度T0和T下由实验参数拟合得到；
η'T、a'T为考虑养护温度影响的拟合系数，R＝8.3144J·mol-1·K-1，R′a、E′a为只与材料属性相关的拟合常数，R′a、E′a是于工程勘察阶段在给定养护温度T0和T下由实验参数拟合得到；qu,ult(T)、qu,ult(T0)分别表示养护温度为T和T0时水泥固化淤泥的晚期无侧限抗压强度值；
η'T、a'T是于施工阶段通过将Ra′、Ea′的实验拟合结果及施工现场实际温度代入式(2)、(3)计算得到，由加速测试条件下进行养护实验得到的试样强度曲线确定，其中，t目标是养护龄期t的目标值，T加速是加速测试条件下养护温度T的值。
下面，以一个实际案例对本发明的水泥固化淤泥强度超早期预测方法进行更详细的介绍。本案例是对中掺量矿渣水泥固化南沙淤泥28d强度进行超早期预测，按以下步骤进行：
1、勘察阶段开展预实验
在勘察阶段对待处理地区淤泥进行取样，选取施工用水泥进行淤泥固化，按照常规流程制备试样，并装入VST(vane shear test，十字板剪切试验)试验模具和UCT试验模具(具体数量依待测龄期的数量而定，每个待测龄期需要至少三个试样)，具体工况见表1，在20℃、30℃、40℃和60℃温度条件下进行恒温养护，达到某一待测龄期时及时进行强度测试试验，统计并整理VST和UCT试验结果，对VST试验曲线进行比例修正，使VST试验曲线和UCT试验曲线在0.5d～7d养护区段范围内最大程度地重合，进而得到多组不同配合比、不同养护温度条件下各个龄期试样的无侧限抗压强度值。
表1勘察阶段预实验VST试验和UCT试验工况表
2、确定相关拟合常数
基于本文所使用的强度增长模型公式(1)，确定相关拟合常数。选取20℃养护温度作为基准养护温度T0，此时温度拟合常数η'T＝1、a'T＝0，使用Origin软件对数据进行已知函数形式条件下的参数拟合(以下以A1组数据为例)，可以拟合得到一组拟合常数Su＝278.343、k＝0.00305、t0＝16.082；将Su＝278.343、k＝0.00305代入强度增长模型公式(1)，使用Origin软件对A1组数据进行其他养护温度条件下的参数拟合，得到对应的η'T、a'T、t0；对A2～A5组试验数据重复上述过程，得到多组η'T、a'T、t0，见表2。
基于式(2)与式(3)，绘制不同组别的ln(η'T)1/T0-1/T数据点以及a′T1/T0-1/T数据点，进行线性拟合，得到拟合常数R′a＝9807.7J/mol，E′a＝31259.6J/mol，再求出不同配合比、同一温度条件下的常数t0平均值。
表2不同养护温度条件下的温度影响系数η'T、a'T、t0
3、强度加速测试阶段
在施工阶段对当前处理批次的水泥搅拌淤泥混合物进行取样，按照常规流程制备试样，装入VST试验模具和UCT试验模具，并置于60℃的恒温水槽中进行养护。通常VST试验最大养护周期T加速可定为1.5d。从制样完成开始，每2～4小时进行一次VST试验(每次三个VST试样，取平均值)；UCT试验最大养护周期可定为2～3d，本次养护周期设定为3d，从制样完成开始，第0.5d、1d、1.5d、2d、2.5d、3d执行一次UCT试验(每次三个UCT试样，取平均值)；统计并整理VST和UCT试验结果，对VST试验曲线进行比例修正，使VST试验曲线和UCT试验曲线在0.5d～1.5d养护区段范围内最大程度地重合。
4、绘制强度加速测试条件下的强度增长曲线
基于强度加速测试阶段的试验数据按公式(1)进行拟合，其中η'T、a'T由公式(2)和(3)计算所得，t0由表2确定，η'T＝1.635、a'T＝1.461、t0＝13.236，得到60℃温度条件下的A1组试样强度增长公式，图4为3d内试验数据点所确定的强度增长曲线，此时Su＝273.410，k＝0.00296。
5、强度预测阶段
测试施工现场温度值，将R′a＝9807.7J/mol、E′a＝31259.6J/mol代入式(2)、式(3)确定温度影响系数η'T、a'T，根据式(4)预测得到施工现场目标温度条件下的强度增长曲线。图5表示施工现场目标温度为20℃、30℃和40℃时A1组试样的预测曲线和实测值，由图5可知本发明的预测曲线与实测值之间吻合效果较好。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法，其特征在于，基于如下强度增长模型进行超早期预测：
其中，qu(t,T)为养护温度T下养护龄期为t时试样的无侧限抗压强度，T0为基准养护温度；t、te表示试样在养护温度为T0和T时达到相同强度分别需要的时间；Su、k为仅与水泥、淤泥种类以及水泥与淤泥的配合比相关的拟合系数，基于公式(1)由实验参数拟合得到；t0为与温度相关的拟合系数，基于公式(1)于工程勘察阶段在给定养护温度T0和T下由实验参数拟合得到；
η'T、a'T为考虑养护温度影响的拟合系数，R＝8.3144J·mol-1·K-1，R′a、E′a为只与材料属性相关的拟合常数，R′a、E′a是于工程勘察阶段在给定养护温度T0和T下由实验参数拟合得到；qu,ult(T)、qu,ult(T0)分别表示养护温度为T和T0时水泥固化淤泥的晚期无侧限抗压强度值；
η'T、a'T是于施工阶段通过将R′a、E′a的实验拟合结果及施工现场实际温度代入式(2)、(3)计算得到，由加速测试条件下进行养护实验得到的试样强度曲线确定，其中，t目标是养护龄期t的目标值，T加速是加速测试条件下养护温度T的值。
2.如权利要求1所述的一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法，其特征在于，包括预实验阶段和强度加速测试阶段，其中：
预实验阶段：
1)在工程勘察阶段开展前期预实验，包括：对施工现场待处理区域的淤泥进行取样，选取施工用水泥按照施工现场所需的配合比固化淤泥，得到多个预实验试样，对预实验试样分组在至少三个不同温度条件下进行恒温养护，分别通过VST和UCT试验得到不同养护温度下全龄期无侧限抗压强度值qu；
2)基于强度增长模型、步骤1)获得的qu(t,T)及其对应的T、t、T0、te，基于公式(2)、(3)拟合确定R′a、E′a；再将式(2)、(3)代入式(1)，求解不同配合比、不同养护温度条件下的t0；其中，T0从步骤1)选择的温度条件中选定；
3)将不同配合比、同一养护温度条件下所得到的t0取均值，作为该养护温度条件下的t0常数；
强度加速测试阶段：
4)在施工阶段开始时，对当前处理批次的水泥搅拌淤泥混合物取样得到多个加速测试试样，通过提高实验养护温度的方式在数天内分别通过VST和UCT试验对加速测试试样分组进行强度加速测试实验，将步骤2)确定的R′a、E′a、T0，以及强度加速测试实验时的养护温度T代入公式(2)、(3)计算强度加速测试实验时的η'T、a'T，然后代入公式(1)求解加速测试试样的Su、k；
5)强度预测：
将施工现场实际温度作为养护温度T，与步骤2)确定的R′a、E′a、T0代入公式(2)、(3)计算强度加速测试实验时的η'T、a'T，然后结合步骤4)确定的Su、k，根据公式(1)和公式(4)预测施工现场实际温度下的全龄期强度增长曲线。
3.根据权利要求2所述的一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法，其特征在于：
所述步骤1)中试样养护的全龄期为28d或56d，在7d内通过VST试验测试不排水抗剪强度，在各个龄期内通过UCT试验测试无侧限抗压强度，然后根据UCT试验结果，对VST试验曲线进行比例修正，以使VST试验曲线和UCT试验曲线在0.5d～7d养护区段范围内最大程度地重合，进而得到统一的全龄期无侧限抗压强度值qu。
4.根据权利要求2或3所述的一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法，其特征在于：
所述步骤2)中，首先选取某一温度作为基准温度T0，设定基准温度T0下η'T＝1，a′T＝0，通过该温度下某一选定的配合比试样的强度的全龄期增长曲线按照公式(1)进行拟合，得出拟合常数Su、k、t0的值；
再将基准温度T0下的拟合常数Su、k代入公式(1)，对该配合比不同养护温度T条件下的全龄期强度增长数据分别进行拟合，得到该配合比在不同养护温度下的多组η'T、a'T、t0
对其他不同配合比、不同温度条件下试样的强度全龄期增长曲线重复上述拟合过程，得到不同配合比、不同养护温度条件下的多组η'T、a'T、t0，将不同组别的ln(η'T)～1/T0-1/T数据点绘制在同一坐标系下，进行线性拟合得到斜率值，从而求得R′a，将不同组别的a′T～1/T0-1/T数据点绘制在同一坐标系下，进行线性拟合得到斜率值，从而求得E′a。
5.根据权利要求4所述的一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法，其特征在于：
所述步骤3)中确定t0的配合比满足以下条件：将淤泥含水率和水泥掺量作为配合比的控制变量，基准温度T0条件下至少配制5组不同配合比，其他温度T条件下至少配制3组不同配合比。
6.根据权利要求5所述的一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法，其特征在于：
所述步骤4)中分组进行强度加速测试实验的方法为：
在预定加速测试的养护温度条件下对多个加速测试试样按照待测龄期分组，同时进行养护；达到某一个待测龄期时，取出相应加速测试试样，并进行VST试验或UCT试验，其中：
VST试验最大养护周期定为1d～1.5d，从制样完成开始每隔预定时间执行一次VST试验；UCT试验最大养护周期定为2d～3d，从制样完成开始每隔预定时间执行一次UCT试验；然后根据UCT试验结果，对VST试验曲线进行比例修正，使VST试验曲线和UCT试验曲线在指定的养护区段范围内最大程度地重合，进而得到加速测试条件下水泥固化淤泥强度增长曲线。
7.根据权利要求5所述的一种水泥固化淤泥强度超早期预测方法，其特征在于：
所述步骤4)中VST试验最大养护周期定为1.5d，VST试验间隔为2h，UCT试验间隔为0.5d，根据UCT试验结果，对VST试验曲线进行比例修正，使VST试验曲线和UCT试验曲线在0.5d～1.5d养护区段范围内最大程度地重合。
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