水泥改性固化脫水淤泥路用性能試驗

張俊峰，戴小松，鄒維列，徐順平，李子優

（1.碧桂園集團，廣東 順德528311；2.中建三局投資發展有限公司，湖北 武漢430070；3.武漢大學 土木建筑工程學院，湖北 武漢430072；4.中南勘察設計院（湖北）有限責任公司，湖北 武漢430072）

隨著我國工程建設的發展，河流湖泊疏浚淤泥、市政污水處理淤泥等日益增多，以拋填處置不僅形成軟弱地基，難以利用，而且占用大量土地，容易形成二次污染［1］.然而，道路建設中的填方路基卻又常常面臨填料缺乏的問題.目前國內外最常采用的“固化處理方法”在有效處置淤泥的同時，還將固化淤泥作為工程建設材料.即通過向淤泥中添加固化材料，使淤泥中的水、黏土礦物與固化材料發生一系列物理化學反應，以改善淤泥的工程性質，從而達到資源化利用的目的.

已有研究采用的固化劑種類主要包括粉煤灰［1-2］、石 膏［3］、砂［4］、水 泥［5-10］以 及 化 學 合 成 固 化劑［11］；考慮的主要因素包括固化劑摻量、養護齡期以及壓實度等.研究結果表明不同改性材料對固化淤泥力學特性的影響不同，各有優劣.總體來看，現有研究大多集中于單一改性材料的固化效果，僅有少數研究探討了摻加2 種無機材料“粉煤灰＋水泥／砂／石灰”［2，12］的綜合改性效果，而采用多種方法相結合的“復合固化法”尚未見報道.

本文介紹以規范對路基填料的相關規定為依據，采用“化學固化＋機械擠壓脫水＋水泥改性”的“復合固化法”處理武漢東湖通道工程疏浚淤泥用作路堤填料的研究成果.即通過一系列室內試驗，測試淤泥經過固化處理以后的加州承載比（CBR）、無側限抗壓強度（qu）、壓縮系數（a1-2）和水穩定性，重點研究了壓實度、水泥摻量和養護齡期等主要因素對脫水固化土強度、變形以及水穩定性的影響規律，進而確定了改性固化土施工填筑控制指標，為實現疏浚淤泥在路基填筑中的資源化利用提供了有益參考.

1 淤泥處置方案

武漢東湖通道工程為城市一級主干道路，北起二環線紅廟立交與二環線水東段對接，南止于喻家湖路喻家山北路道口（見圖1），全長約10.63km，主線雙向6 車道，設計時速為60km／h.其中穿湖隧道長約7km，設計采用圍堰擋水、堰內明挖施工方案.圍堰總面積約為55 萬m2，圍堰內湖底淤泥平均深度約1.5m，淤泥總處理量達82.5 萬m3，體量巨大.原狀淤泥呈流塑狀態，但有機質含量不高（平均值為0.99%），基本物性指標如表1所示.表1中wo為天然含水率，wL為液限含水率，wp為塑限含水率，Ip為塑性指數，a1-2為100～200kPa下的壓縮系數.

武漢東湖為國家首批4A 級風景區，環評要求本工程對疏浚淤泥進行固化處理后，不能長期就地堆存，必須外運處置.但由于方量太大，既費時，代價也難以承受.考慮到本工程工期緊張，決定采用“復合固化法”對疏浚淤泥進行快速處理后用作本工程路堤填料的處置方案，實現資源化利用.

圖1 東湖通道工程平面示意圖Fig.1 Plan sketch for east lake tunnel engineering

表1 基本物性指標Tab.1 Basic physical property indexes

具體處置方案為

1）脫水固化

首先使用專利技術［13］“清淤泥漿脫水固結一體化處理方法”，即在疏浚泥漿中分別加入微量無機和FSA 有機2 種高分子調理劑使泥沙聚沉后，加入HEC 高強高耐水土體固結劑均混，再送入壓濾機擠壓脫水得到含水率不大于30%的泥餅（以下簡稱“固化土”，其物性指標見表1），可臨時堆存于工程場區.由于該技術采用大規模機械擠壓脫水，生產效率高，明挖圍堰內全部疏浚淤泥的固化處理時間只用了不到5個月時間.由重型擊實試驗得到該固化土的最優含水率和最大干密度分別為24.6%和1.56g／cm3.

2）路用性能判定

由表1可見，東湖固化土的液限wl＝54.85%＞50%，塑限指數Ip＝24.9%.按《公路土工試驗規程》［14］的塑性圖進行分類，該固化土為高液限粉土（MH）.能否直接用作路堤填筑材料，必須以我國相關規范為依據，從強度、壓縮性、水穩定性等方面判斷其適宜性.

1）CBR 強度隨壓實度變化曲線如圖2所示.由圖2可見，在最優含水率下制作的固化土壓實試樣，當壓實度D 達到93%時，CBR 接近5.5%，可以滿足《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》CJJ1-2008［15］對城鎮主干路“路基”不同層位填料強度要求下限的最大值（5%）.但即使壓實度達到99%（事實上施工難以做到），仍不能滿足城鎮主干路對“路床”填料的CBR 要求（8%）.

2）壓縮性.如表2所示為最優含水率下，不同壓實度的東湖固化土試樣的壓縮系數（a1-2）.根據《公路路基設計規范》［16］中對路基填料壓縮性方面的規定，東湖固化土不能直接用于大于6m 的路堤填筑.

圖2 固化土加州承載比隨壓實度變化曲線Fig.2 CBR VS degree of compaction relationship

表2 固化土的壓縮系數Tab.2 Compression coefficient of solidified sediment

3）水穩定性.如圖3 所示為直徑70 mm×高140mm、壓實度從上至下分別為92%、94%、96%和98%的4個固化土試樣泡水后的崩解過程.試樣遇水即開始崩解，并且泡水6.5h后完全崩解（而壓實度92%的試樣僅在0.5h內即完全崩解），水穩定性極差.

綜合以上根據規范對路堤填料強度、壓縮性以及水穩定性等幾個方面要求的試驗結果，必須進一步對東湖固化土開展改性處理的試驗研究，并提出“改性固化土”的路用填筑控制指標.

圖3 固化土泡水崩解過程Fig.3 Disintegration progress of soaked solidified sediment specimen

2 試驗內容與方案

選用華新PC 32.5復合硅酸鹽水泥作為改性材料，水泥礦物成分：硅酸三鈣48.7%、硅酸二鈣26.6%、鋁酸三鈣12.1%、鐵鋁酸四鈣8.7%.以CBR、無側限抗壓強度、壓縮性、水穩定性為主要指標，對于壓實度、摻量和養護齡期3個影響因素設定如下：

1）水泥摻量（ζ）.定義為水泥質量占“固化土”干重的百分比，分別控制為2%、4%、6%和8%；

2）養護齡期.分別控制為7、14、28d.養護環境條件為相對濕度98%±1%、溫度25°C±1°C；

3）壓實度（D）.分別控制為92%、94%、96%、98%.

此外，對改性固化土進行掃描電鏡試驗，輔以分析水泥二次改性固化土路用特性的微觀機理.

試樣制作過程如下：

1）將化學機械方法脫水后的“固化土”風干后，使用橡皮錘碾磨，過篩以滿足《公路土工試驗規程》中對各試驗土粒徑相關規定；

2）根據土體干重以及預設摻量摻入相應量的水泥，拌合均勻，然后加水至不同水泥摻量二次固化土所對應的最優含水率（由重型擊實試驗得到），在塑料袋中密封24h以保證含水量均勻；

3）對于水穩定性試驗、無側限抗壓試驗和壓縮試驗使用“擊樣法”分層進行制樣，層間刨毛，完成后將試樣至于養護箱中養護，CBR 試驗將擊實完畢的土連同擊實筒（未脫模）一起放置于養護箱內進行養護.制樣的同時復核備土的含水率，誤差不超過±0.5%為符合要求；

4）養護至預定的天數后取出進行相應的試驗.

3 試驗結果與分析

3.1 最優含水率和最大干密度

如圖4所示為固化土和不同水泥摻量ζ的二次改性固化土的重型擊實曲線.從圖中可以看出，改性固化土的最優含水率總體上比固化土（24.6%）稍低，大致在24.0%左右；水泥改性固化土的最大干密度ρd 均比固化土（1.56g／cm3）的要低，介于1.50～1.55g／cm3之間.

圖4 固化土和改性固化土的擊實曲線Fig.4 Compaction curves of both solidified and modified solidified sediments

3.2 CBR

如圖5 所示為不同水泥摻量和不同養護齡期下，改性固化土CBR 隨壓實度的變化曲線（說明：圖5中“2%-7d”的“2%”是指水泥摻量，“7d”指養護齡期）.可以看出：

（1）改性固化土的CBR 在養護初期（7d）較固化土已有十分顯著的增加.隨著養護齡期的延長，即使水泥摻量僅為2%，改性固化土的CBR 也得到了5～15 倍的提高；

圖5 加州承載比隨壓實度的變化曲線Fig.5 CBR vs degree of compaction relationship

（2）當壓實度達到90%以上時，CBR 不僅能達到城鎮道路“路基”填料的要求，也已完全達到“路床”填料的要求；隨著壓實度的增加，CBR 近似線性增大，沒有減緩趨勢.當壓實度從92%提高到98%時，CBR 增大了1～2倍，沒有反映出《公路路基施工技術規范》（JTG F10-2006）［17］中所提到的特殊土超壓現象.

（3）水泥摻量越高，壓實度對CBR 的影響越明顯.如圖6所示為不同擊實次數N 和不同養護齡期下CBR 隨水泥摻量的變化曲線，從圖中可以看出，隨著水泥摻量的增加，CBR 增大，但增幅逐漸減小，拐點出現在4%左右，當水泥摻量從6%增加到8%后，CBR 幾 乎 不 變.

圖6 加州承載比隨水泥摻量的變化曲線Fig.6 CBR vs cement content relationship

3.3 無側限抗壓強度qu

如圖7所示為不同壓實度、不同養護齡期改性固化土的無側限抗壓強度隨水泥摻量的變化曲線，“7d-92%”中“7d”表示養護時間，“92%”表示壓實度，3.4和3.5節中圖8～9與此相同.

可以看出：

（1）固化土（水泥摻量為0）本身已經具有很高的無側限抗壓強度，其值在500kPa以上.

圖7 無側限抗壓強度隨水泥摻量變化曲線Fig.7 Unconfined compression strength vs cement content relationship

（2）改性固化土的無側限抗壓強度較固化土有明顯的增加，總體上無側限抗壓強度隨養護齡期的增加而增大，但摻量大于2%后，當壓實度小于96%養護齡期小于28d時，養護齡期對無側限抗壓強度的影響并不明顯.

（3）在受壓剪切過程中，固化土試樣與改性固化土試樣的破壞應變有較大區別：固化土試樣的破壞應變在2%～3%之間，而改性固化土的破壞應變僅為0.5%～1%（個別試樣達到1.5%），表現出了明顯的脆性.Bahar等［10］也得到相似的結果：水泥改性試樣模量增大、破壞應變減小，脆性增強.

綜上可見，CBR 對應的水泥摻量拐點為4%，而無側限抗壓強度對應的水泥摻量拐點僅為2%.究其原因，主要在于CBR 試驗中經歷了“泡水”這一過程，水泥改性固化土仍有較強的“水敏性”.

圖8 壓縮系數隨水泥摻量的變化曲線Fig.8 Compression coefficient vs cement content relationship

3.4 壓縮性

圖9 泡水后開始崩解時間隨水泥摻量變化曲線Fig.9 Original collapse time vs cement content relationship

壓縮系數（a1-2）隨水泥摻量的變化曲線如圖8所示.從圖中可以看出，水泥對固化土壓縮性的改善是十分明顯的.當水泥摻量達到2%時，養護齡期達到7d，改性固化土的壓縮系數已小于0.1 MPa-1，為低壓縮性土，可以用于本工程15 m 以下路堤填筑.同時可以看到，水泥摻量從2%增加到8%，壓縮系數的變化并不明顯；同時養護齡期和壓實度對壓縮系數也未表現出明顯的影響.

3.5 水穩定性

不同壓實度、不同養護齡期改性固化土泡水后開始崩解時間（t）隨水泥摻量的變化曲線如圖9所示（由于大部分試樣的崩解時間在10h左右，而部分試樣達到1 000h左右，為了使數據能夠更加清晰的呈現，表示時間的縱坐標使用對數坐標）.由于所有養護28d后泡水的試樣在30d內均沒有開始崩解，所以圖9中并沒有列出28d養護齡期試樣開始崩解時間的數據.

3.6 不同因素的影響

從圖8中可見：

（1）在相同養護齡期和水泥摻量條件下，壓實度越高，水穩定性越好.但在城鎮主干路的路床和路基壓實度標準范圍內（90%～95%）［15］，這種改善作用是有限的，而且提高壓實度的方法并不經濟.

（2）在相同壓實度和養護齡期條件下，水泥摻量在6%以下時，水穩定性只是近似線性地緩慢改善.即以增加水泥摻量的方法效果不佳，而且也不經濟.盡管水泥摻量從6%增大到8%、養護齡期達到14d時，水穩定性有最為明顯的改善，其中壓實度達到94%以上的試樣，在泡水30d后也一直沒有出現崩解現象.

（3）相對于壓實度和水泥摻量2個因素，養護齡期對水穩定性的影響最為明顯.在養護齡期達到28 d后，所有水泥摻量和壓實度的試樣泡水30d內均沒有產生崩解.從圖8可見，以水泥摻量2%、養護齡期7d為參照點，養護齡期從7d增大到14d與水泥摻量從2%增大到8%對水穩定性的改善效果是相當的.但2%和8%這2種摻量，在經濟性上差別巨大.可見，適當延長養護齡期比增大水泥摻量對水穩定性的改善更為有效.

綜合以上從強度、壓縮性與水穩定性幾個方面的分析，東湖固化土用于路堤填筑時摻加4%的水泥，并控制填土施工含水率為（24±2）%，養護28d是可行的.

4 崩解現象與改性機理

在水泥改性前后，試樣泡水崩解現象有較大的區別：未經水泥改性的固化土試樣泡水后，表面立即出現氣泡，同時發生軟化，狀如蜂窩，繼而表面逐漸開始剝落，直到試樣完全崩解（未超過6.5h）；而改性固化土在泡水后，需經歷較長時間才在試樣表面出現肉眼可見的裂縫（多出現在因分層制樣而形成的分層處），之后試樣成塊剝落.隨著水泥摻量的增大和養護齡期延長，試樣的整體性不斷增強，裂縫減少、變寬，剝落的土塊體積更大.

水泥改性之所以能夠提高固化土的水穩定性，是因為水泥在土中水化產生了膠結物質，增強了固化土中顆粒之間的相互黏結.在一定時間內，這種膠結作用會隨著養護齡期的延長而不斷增長，所以改性固化土試樣泡水后并不出現蜂窩狀的崩解現象.但在水泥摻量較小、養護齡期較短時，由于水泥水化物尚不能在土中相互連通形成整體黏結，試樣泡水后就會形成裂縫，發生成塊崩解；隨著水泥摻量和養護齡期的增加，水泥水化物在土中相互貫通的區域不斷擴大，泡水后產生崩解的土塊也越來越大，直到水泥摻量達到一個臨界值后，足夠的養護齡期可以使水泥的硬化和硬凝反應充分進行［18］，便不再產生崩解.

為了證實上述水泥改性固化土水穩定性的微觀機理，對壓實度同為96%的固化土和不同養護齡期的改性固化土試樣（水泥摻量為8%，分別養護7、14和28d），進行了掃描電鏡試驗.如圖10所示為電鏡掃描形貌圖，放大比例為6 000 倍.從圖中可以看出，固化土顆粒間（尤其是體積小的土顆粒與大的土顆粒之間）聯結較弱，而改性固化土中小的土顆粒和大的土顆粒之間形成了明顯的膠結，并且隨著養護齡期的延長，膠結形成的聚集體更加趨于均勻，因而整體性更強.

5 結 論

圖10 固化土和不同養護齡期改性固化土SEM 形貌圖Fig.10 SEM pictures of both solidified sediment and modified sediment with different curing period

采用“清淤泥漿脫水固結一體化處理技術”與水泥改性相結合的“復合固化法”，對武漢東湖通道工程疏浚淤泥開展了用作路堤填料的探索性研究.在判定東湖淤泥固化土不能直接用于路堤填筑的基礎上，重點研究了改性固化土的路用性能，得到了以下結論：

（1）采用專利技術，可實現疏浚淤泥的快速脫水固結，為主體工程施工贏得時間.

（2）對淤泥固化后仍表現為高液限的土，摻入適量水泥，能夠有效改善其強度與變形特性及水穩定性，使之達到用作路堤填料的要求.

（3）隨著水泥摻量的增加，固化土的強度指標CBR、qu均表現出非線性增長特征.當水泥摻量超過某一值時，CBR、qu及壓縮性指標a1-2的增長不再明顯.本次試驗果表明，2%的水泥摻量并養護7d已滿足將東湖固化土用作路堤填料的強度與壓縮性要求.

（4）在壓實度、水泥摻量和養護齡期3個水穩定性的影響因素中，延長養護齡期對改性固化土水穩定性的改善最為有效和經濟.

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