CHANGE OF MECHANICAL BEHAVIOR BETWEEN SOLIDIFIED AND REMOLDED

SOLIDIFIED DREDGED MATERIALS

挖泥材料在固化與重模固化之間的力學行為變化

Yinghao Huang, Wei Zhu, Xuede Qian, Nan Zhang, Xuanzhao Zhou

指導教授 : 張光宗 老師學 生 : 江志文 7099042027

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Introduction (1/5)

為了讓海港和航道可安全航行和生態系統水體的復原，定期要執行疏浚挖泥作業，於是產生大量的沉積土。近年來，中國沿海每年要處理的挖泥材料超過 1 億 m3 。通常，這些挖泥材料 dredged materials (DM)是非常軟弱的土壤，岩土工程特性貧脊，常包含有汙染物、重金屬和營養鹽。傳統的清除技術，逐漸因為保護環境而受到限制。在中國，新的處理 DM技術是迫切需要的。近年來，中國大量研究將水泥摻入 DM進行固化處理，創造出新改良的材料。固化的 DM可用來當回填土，做為堤壩和公路的路基土。在中國的深圳、無錫和廣州皆有成功的案例。這項新技術也帶來了經濟和環境的效益。

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Introduction (2/5)

以水泥作為固化基礎來處理 DM被認為是一項有前途的技術水泥被當作結合劑混合 DM製造出一種力學穩定的土壤基質固化的目的在於增加強度，減少變形和固定化可能的汙染物DM的固化處理在全球有很多的工程應用如日本，當使用固化技術時要增加材料的流動性，要增加 DM的含水量 (>150%)，也需要大量的水泥，這種固化 DM的混合方式讓材料有足夠的流動性，通常可像填土般直接灌入而不需要夯實。在中國，要節省水泥含量，最初含水量通常相當低 (<120%)，這種混合方式的流動性不適合未經夯實就直接倒入。在處理 DM固化的工程通常使用滾輪夯實技術。

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Introduction (3/5)

DM固化時間沒有和工程回填時間相符的問題當沒有立即回填需求時，不能使用 DM，否則 DM會暫時沉澱堆積並固化一段時間， DM就要被壓碎和夯實後稍後再使用在中國 DM固化工程通常需要壓碎和夯實

DM固化一段時間形成固體結構，壓碎和夯實等同於破壞最初組成的結構和創造一個新的重模的土壤基質

在這份研究裡Solidified DM SDM 固化作用的 DMRemolded solidified DM RSDM 重模的 SDM

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Introduction (4/5)

在 RSDM出現之後也多了一些問題

(1)假如 SDM的結構完整性在它被重模之後遺失了， SDM和 RSDM之間的強度是如何變化 ?(2)RSDM的力學性質能夠滿足工程要求嗎 ?

作者認為這些問題的答案可能進一步加速 DM固化技術的工程應用

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Introduction (5/5)

研究目標

(1)調查 RSDM的應力 - 應變關係、壓縮性和強度特性(2)比較 SDM和 RSDM之間的力學性質(3)從土壤結構的觀點分析差異的理由

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Experimental studies (1/5)

在這份研究，採用波特蘭水泥 ( 普通水泥 ) 作為固化材料， DM材料挖取自中國 Baimahu湖依照規範進行基本物理指數試驗顆粒粒徑分佈曲線由雷射法得到，黏土 21%、粉土 78.7%、砂0.3%根據 USCS，此 DM被分類為高塑性黏土 CH

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Experimental studies (2/5)

將 DM和乾水泥粉末混合，用機器使其混合均勻，再將混合物放入兩種類型的不鏽鋼圓柱形模具當作 SDM試體。新混合的 SDM的流動性不佳，模具需施以震動避免空氣截留，在室溫試體製備至此約需 20分鐘，再將試體包裹在塑膠片裡並放置在溫度 20±2℃ 、相對濕度超過 90%的環境進行固化。

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39.1mm

80mm

無圍壓縮試驗 (UCS)等向壓密不排水三軸壓縮試驗

(CIUC)

61.8mm

20mm

固結試驗

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Experimental studies (3/5)

RSDM試體製備也是如同 SDM。在 SDM固化到一目標時間後，將其壓碎並粉碎至粒徑小於 2mm的小塊狀，再施以 Proctor夯實試驗模擬實際的滾輪夯實。夯實後將試體進行裁切至前述 SDM尺寸。最後，也進行 UCS、 CIUC和固結試驗，比較其結果。

102mm

116mm

51mm

205mm

2.5kg

夯實模具

夯鎚

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Experimental studies (4/5)

根據實際的應用情況，有三種不同的水泥含量ac(100,150,200kg/m3) 可供選擇。固化時間 t ，從 1 天到最大的 56天可供選擇。

C100T7 SDM試體 水泥含量 ac=100kg/m3 固化時間 t=7天C100T7-R RSDM試體 水泥含量 ac=100kg/m3 固化時間 t=7天

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Experimental studies (5/5)

CIUC試驗是在應變率 0.073mm/min進行壓縮試驗試體在安裝到三軸室前要先放置在真空容器裡並充滿蒸餾水至少 24小時進行飽和。在試體安裝後，施加不排水等向荷重確認孔隙水壓參數 B 是否到達 0.97以上。有效圍壓 ( 剪力前壓密 )σc 從25~1000kPa之間取決於水泥含量和實際圍壓。

UCS試驗是在應變率 1.18mm/min進行壓縮試驗直到尖峰強度出現或軸向應變達到 10%中止試驗

在每一組試驗中要做 3 個相似的試體，強度為 3 個試體之值取平均計算而得。

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Stress-strain behavior (1/2)

無圍壓縮試驗 UCS

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Stress-strain behavior (2/2)

三軸等向壓密不排水壓縮試驗 CIUC

RSDMSDM

C100T7 降伏應力 σy’=260kPa

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Change of compressibility behavior (1/4)

未固化處理 DM的壓縮性

本身的壓縮性指數。在此試驗的 DM為 0.516

由方程式 (2)、 (3)可得到在 0.6~4.5之間

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Change of compressibility behavior (2/4)

ICL:本身壓縮線 ( 未固化處理 DM)

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Change of compressibility behavior (3/4)

水泥含量改變 固化時間改變

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Change of compressibility behavior (4/4)

水泥含量改變 固化時間改變Cs SDM在降伏前的壓縮線Cc SDM在降伏後的壓縮線Cs-R RSDM在降伏前的壓縮線Cc-R RSDM在降伏後的壓縮線

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Changes of strength behavior (1/5)

折減因子

RSDM

SDM

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Changes of strength behavior (2/5)

不排水剪力強度

如果在應力 - 應變關係中沒有最大的軸差應力，在軸向應變達 15%的軸差應力的一半可以假設為不排水剪力強度。

無圍壓縮強度

在其他試驗條件，如壓縮速率都相同的情況下，兩式等號成立

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Changes of strength behavior (3/5)

水泥含量改變固化時間 t=7天

固化時間改變水泥含量ac=100kg/m3

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Changes of strength behavior (4/5)

折減因子

RSDM

SDM

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Changes of strength behavior (5/5)

水泥含量、固化時間增加 SDM 的 c’大大的增加；但RSDM 的 c’只輕微的增加SDM 的 c’大約是 RSDM 的 5~12倍SDM 和 RSDM 的 ψ’則沒有太大的差異， ψ’介於32~42∘之間，大於未固化處理的 DM 的 ψ’=25.5 ∘可以說 SDM 和 RSDM的強度差亦主要來自於 c’的改變

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Discussion (1/3)

Mitchell提出土壤的結構是由類似紡織物的構造和顆粒間的鍵結組合而成。除此之外，還有很多因子會影響土壤結構，如化學膠結。Leroueil和 Vaughan指出即使形成結構的原因是不同的，結構性土壤具有相似的力學特性。這份研究介紹的 SDM的應力 - 應變關係、壓縮性和強度行為全都受到降伏的影響，可看到降伏前和降伏後有不同的特性。

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Discussion (2/3)

Chew利用水銀侵入和掃描電子顯微鏡試驗發現挖泥材料的固化影響來自水合作用產生。因此，水泥的水合產物可以視為連接土壤顆粒和形成 SDM的骨架，能支撐外部的應力。但強的膠結鍵結被壓碎破壞，骨架結構隨後就破掉了。

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Discussion (3/3)

壓碎的 SDM團塊能在夯實的作用下再聚集在一起，值得注意的是，壓碎的 SDM團塊的內部的某些範圍仍維持完整 SDM的強鍵結特性，只是團塊之間的連接相對較弱，因此， RSDM試體的破壞大部分發生在壓碎的 SDM之間，這現象已經由單壓試驗證實，而且在高的水泥含量 ( 如150kg/m3) 特別顯著。

Conclusions (1/5)

中國實際的挖泥材料固化工程，通常是在 SDM上使用滾輪夯實技術。這份研究，是將 RSDM 的應力 - 應變關係、壓縮性和強度特性與完整 SDM 作比較。

(1)在無圍壓縮試驗， SDM顯現出脆性破壞且破壞應變小於 2%； RSDM顯現出延展性破壞且破壞應變大約為 SDM的 4 倍。在 CIUC試驗， SDM的軸差應力 - 應變關係可以被分類成降伏前( 類過壓密 ) 和降伏後 ( 正常壓密 ) 的剪力反應。SDM降伏前延展性SDM降伏後脆性所有 RSDM試體在不同壓密壓力下皆顯現出延展性。

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Conclusions (2/5)

(2)SDM在降伏前的壓縮性非常低，但在降伏後增加約 30倍，大於未處理的 DM。 RSDM的壓縮曲線是圓滑的，沒有結構上的降伏應力。雙對數法的使用可決定 RSDM的近似降伏應力，與 SDM比較。RSDM的近似降伏應力大約是 SDM的一半。RSDM在降伏前的壓縮性約是 SDM的 3 倍，但降伏後則低於 SDM，但仍大於未處理的 DM。

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Conclusions (3/5)

(3)SDM的壓密不排水剪力強度包絡線以降伏應力為轉折點分成兩段直線。SDM降伏前壓密壓力增加，強度輕微改變SDM降伏後壓密壓力增加，強度呈線性增加

RSDM 壓密壓力增加，強度跟著增加夯實作用後， RSDM的強度減少， RSDM的無圍壓縮強度只有 SDM的 20~40%壓密壓力增加， RSDM的強度損失愈小在壓密壓力 400kPa， RSDM的強度可以達到 SDM的 40~90%

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Conclusions (4/5)

(4)SDM和 RSDM在力學特性上的差異理由SDM是強的膠結水合作用產生鍵結結構的結構性土壤RSDM不是結構性土壤，再壓碎和夯實的作用下，它的結構就消失了

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Conclusions (5/5)

(5)凝聚力是影響 SDM強度的主要參數在壓碎和夯實的過程中，會損失大部分的凝聚力SDM和 RSDM之間的摩擦角只有輕微的改變在壓碎的 SDM的團塊內部可能在特定範圍留有完整 SDM的強鍵結特性但團塊之間只有軟弱的鍵結存在RSDM的破壞面大部分發生在壓碎的 SDM的團塊之中，摩擦作用可能控制著 RSDM的強度。

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