陳腐垃圾土固化的工程特性試驗研究＊

張 平，林煥生，李 嘉，李 爽，丁前紳，劉 磊

（1.深圳市天健坪山建設工程有限公司，廣東 深圳 518118；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；3.污染泥土科學與工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430071）

0 引言

陳舊型垃圾填埋場的原位修復與再利用一直是我國生態文明建設的重大戰略需求。垃圾填埋場搬遷和原位修復一體化處置技術逐漸成為制約我國發達地區城市發展的一項難題［1-2］。

隨著垃圾填埋場服役時間的增加，垃圾土在微生物的降解作用下逐漸趨于穩定，但降解反應仍可持續數年甚至數十年之久。填埋場的存在仍對周邊的大氣、土壤和地下水構成嚴重的環境威脅。為解除環境安全隱患，國內外越來越多的垃圾填埋場被重新開挖，開挖產物多作為焚燒和回收的一種資源［3-4］。我國發達城市逐步對城市圈內的陳舊型填埋場重新開挖篩分，篩上物（塑料、磚瓦、玻璃和織物等）多通過回收和焚燒處置，篩下的細顆粒腐殖土最多可占陳腐垃圾總量的50% 以上，一些學者相繼提出將細顆粒腐殖土用作生物填料、園林綠化和填埋覆蓋土等方面［5-7］，應用的前提不僅需要滿足應用場景所對應的標準要求，也需要滿足污染物浸出毒性的限值要求。

腐殖土的原位固化作為一種新型處理方式被提出［2，5］。腐殖土固化體的力學特性對固化體回填后場地穩定性具有重要作用，若固化體因強度降低造成固化體被壓裂，滲透系數增大等力學性質的改變，極可能導致腐殖土內的污染物質發生遷移。目前國內外關于腐殖土的相關研究主要集中于垃圾土的土力學性質、生活垃圾堆體的沉降變形與穩定、腐殖土綠化用途等方面，對垃圾腐殖土固化后的工程特性研究較少［7-8］。Wanka 等［9］對開挖后的垃圾通過滾筒篩按照10 mm 以下、10～60 mm、60 mm 以上3 種粒徑尺寸進行了篩選，并對10～60 mm 部分進行了進一步的篩選及處理，提出了一套濕法機械處理技術將該部分區分成惰性組分、輕質組分、細粒組分，并指出細粒組分可再用于道路填料及土方工程等。Datta 等［10］研究了4座印度陳舊垃圾填埋場中4.5 mm 以下腐殖土的理化特性、環境特性以及土工特性，研究結果指出由于高有機質問題，直接用作工程填料可能會由于發生降解而導致工程的后期沉降，同時腐殖土中的可溶性重金屬與可溶性鹽的問題也限制了其作為工程填料的應用，建議應用在非承載性用土的工程填料中。垃圾填埋場腐殖土作為混合垃圾土的篩下物，常伴隨著有機質高、質地松散、重金屬含量高等特性［11］。因此，對腐殖土固化體的力學特性的探究亟待填補。

針對垃圾腐殖土物理特性，眾多學者認為腐殖土中＜15 mm 粒徑的中小顆粒組分占垃圾比例很大。其中，Jani 等［12］通過篩分發現超過50 a 填埋齡的垃圾腐殖土中＜2 mm 粒徑的小顆粒占腐殖土總量的80% 左右；Quaghebeur 等［13］發現30～40 a填埋齡的垃圾腐殖土＜10 mm 的細顆粒占腐殖土總量的40%～60%；而粒徑在10～20 mm 的腐殖土一般占廢棄物總量的40%～70%［14-15］。由此可見，垃圾組分中＜15 mm 的顆粒組分是腐殖土的主要部分，分析細顆粒組分的力學特性對于研究其工程特性起重要作用。

本研究選取普通硅酸鹽水泥及其他兩類自制固化劑，分別對腐殖土進行固化/穩定化處理，通過不同固化劑以及不同養護齡期下按工程實際比例混合而成的混合粒徑腐殖土開展固化試驗，分析養護時間對固化體的無側限抗壓強度、彈性模量、滲透系數和加州承載比的影響。以上研究成果對開展腐殖土原位回填固化劑及相關工藝的研發具有重要的現實意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗樣本取自湖北省某陳舊型垃圾填埋場，該庫區垃圾填埋齡12～15 a，填埋氣體中甲烷濃度12%～19%，填埋深度約20 m。為了更具有代表性，分別將填埋深度3～5、7～9、12～15 m 的生活垃圾進行人工篩分，每層垃圾土取樣不小于20 kg。垃圾土樣本烘干后剔除磚瓦、玻璃、織物和塑料等篩上物，取出其中的篩下物，即腐殖土進行基本技術參數測定，測試結果：初始含水率為36%，有機質含量為9.56%，重金屬含量如表1 所示。測試方法參考CJ/T 96—2013 生活垃圾化學特性通用檢測方法和HJ/T 299—2007 固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法。篩選出的腐殖土再次過20 mm 篩，篩上物集中儲存，篩下物進一步過15、5、2 mm 篩，得到不同粒徑區間的樣品即為試驗所需腐殖土基礎樣本。腐殖土樣品的物理指標如圖1所示，其中小于2 mm 腐殖土的最優含水率為26%，混合腐殖土最優含水率為19%。采用X 射線熒光光譜儀測定腐殖土的主要成分，腐殖土的主要成分及含量見表1。

圖1 腐殖土物理指標Figure 1 Physical indicators of humus soil

表1 腐殖土主要成分Table 1 Main ingredients of humus soil

固化劑材料主要采用目前常見的水泥基材料，包括普通硅酸鹽水泥（OPC 型）、自制硫鋁酸鹽固化劑（SAC 型）以及自制水泥-礦渣基固化劑（OG型）。根據前期凈漿試驗結果，本研究中SAC 型固化劑的組成為硫鋁酸鹽水泥與磷石膏質量比8∶2；OG 型固化劑的組成為水泥與礦渣質量比6∶4。原材料的主要組成成分如表2 所示，試驗用水為去離子水。

表2 固化劑原材料成分Table 2 Curing agent raw material composition

1.2 試件制備及養護

將風干預處理后保存的腐殖土在60 ℃下烘干12 h，根據圖1（a）中粒徑分布的試驗結果，＜2 mm 粒徑腐殖土比例約為50%，［2，5）mm 粒徑腐殖土比例約占22%，［5，15）mm 粒徑占比約21%?？紤]到［15，20）mm 組分占比不足5% 且多為塑料、織物、石粒等，為保證試驗樣品的均勻性，將＜2、［2，5）、［5，15）mm 的腐殖土按照干土質量比為2.50∶1.00∶1.00 進行混合作為待固化混合粒徑腐殖土，固化劑摻量選用干土質量的15%，混合粒徑腐殖土的試驗配比設計如表3 所示。根據擊實試驗所得最大干密度及最優含水率加入去離子水后攪拌3 min，待腐殖土與水混合均勻，再根據固化劑的設計摻量將固化劑混合均勻后加入攪拌好的腐殖土濕土中，隨即加入稱量好的去離子水，整體攪拌5 min，混合均勻后將固化土分3 次加入試樣筒中擊實制樣，將固化樣品放入密封袋后放入養護箱，溫度為（20±2）℃，養護濕度大于95%，養護至指定齡期后進行試驗。

表3 固化混合粒徑腐殖土試驗配比設計Table 3 Test mix ratio of solidified mixed particle size of humus soil

1.3 測試方法

無側限抗壓強度試驗參照文獻［16］的標準測試，采用微機數控電子式萬能試驗機（WDW-100E）施加荷載，加載速率為1 mm/min，每批測試3 個平行樣品取其強度平均值。測試過程中用數據采集電腦記錄其應力-應變關系，取應力應變曲線的直線段斜率作為固化腐殖土的彈性模量。

滲透試驗方法參照美國實驗標準ASTM D 5084，采用柔性壁滲透測試儀（PN3230M）進行試驗，圍壓設定為80 kPa、滲透壓力為60 kPa、室溫控制為（25±1）℃。

固化腐殖土的加州承載比依據GB/T 50123—1999 土工試驗方法標準、JTG 3430—2020 公路土工試驗規程測定，承載比試件制件采用靜壓成型制件，首先將固化腐殖土材料按最佳含水率及最大干密度計算試樣量，分3 次倒入試筒并分層擊實，一次性靜壓成型。試件制成后泡水4 晝夜，根據百分表記錄的數據計算膨脹率，如公式（1）所示。

式中：δe為試件泡水后膨脹率；H1為試件泡水終了的高度（mm）；H0為試件初始高度（mm）。

承載比貫入試驗則將浸水試驗后的固化腐殖土試件放到路面材料強度試驗儀的升降臺上，加荷使貫入桿以1 mm/min 的速度壓入試件，同時測記3 個百分表的讀數。根據承載比公式分別計算貫入量為2.5 mm 和5.0 mm 時的承載比（CBR），取兩者的較大值作為腐殖土的承載比（CBR）。承載比公式如下：

式中：CBR 為承載比，計算至0.1%；c為測力計系數（N/0.01 mm）；R為量力環百分表讀數（mm）；A為貫入桿面積（m2）；p為單位壓力（kPa）。

2 試驗結果與分析

2.1 無側限抗壓強度

固化混合粒徑腐殖土無側限抗壓強度如圖2 所示。SAC 型固化劑及OG 型固化劑均能針對混合粒徑腐殖土提供良好的固化效果，既滿足GB 50202—2018 建筑地基基礎工程施工質量驗收規范進行指標驗收需地基承載力≥300 kPa 的標準要求，也相比OPC 型固化劑有更高的抗壓強度以及良好的經濟性。其中SAC 型固化混合腐殖土的28 d 抗壓強度可達2.79 MPa，明顯優于OG 型固化劑和OPC 型固化劑的固化效果。根據規范T/CECS 737—2020 道路固化土應用技術規程中公路固化土無側限抗壓強度的限值要求，SAC 型固化混合腐殖土可滿足高速、一級公路及二級公路底基層的重交通級別荷載等級要求（2.5～4.5 MPa），以及二級公路基層中、輕交通級別荷載等級要求（2.0～4.0 MPa）。OPC 型固化劑、OG 型固化劑僅可滿足二級公路底基層中、輕交通級別荷載等級要求（1.0～3.0 MPa）。

圖2 固化混合粒徑腐殖土無側限抗壓強度Figure 2 Unconfined compressive strength of solidified mixed particle size of humic soil

2.2 彈性模量

不同固化劑固化混合粒徑腐殖土彈性模量如圖3 所示。從圖3 中可以看出3 種固化方案下的固化土的彈性模量相比原土壓實樣有顯著提高，說明固化劑的摻入能夠有效提升腐殖土的彈性模量。對比7 d 和28 d 養護齡期下的固化土彈性模量可以發現，3 種固化方案下固化土的彈性模量隨著養護齡期的增加而增大，其中SACM-15 固化劑的提升效果最為明顯，在7 d 和28 d 養護條件下使得彈性模量從原腐殖土壓實樣的2.84 MPa 分別提高至108.31 MPa 和161.57 MPa。另一方面，OG型固化劑的彈性模量提升效果優于同齡期的OPC型固化劑。

摻入固化劑的固化土在7 d 和28 d 養護條件下，其應力峰值和應力-應變曲線斜率相比原土壓實樣均顯著提高（圖4）。隨著養護天數的增加，其應力-應變曲線的斜率也越來越大，達到的峰值也有所提高，且破壞后應力下降階段不斷變陡，試件更趨向于脆性破壞的現象。

圖4 混合粒徑固化體的應力-應變曲線Figure 4 Stress-strain curves of solidified body with mixed particle size

2.3 滲透特性

混合粒徑固化體的滲透系數如圖5 所示。腐殖土混合固化的滲透系數在15% 摻量固化劑處理后，固化土的滲透系數都有不同程度的減小。在7 d 齡期時，SAC 型固化腐殖土的滲透系數（6.32×10-7cm/s）明顯小于原狀土（3.47×10-6cm/s）、OPC型（2.05×10-6cm/s）及OG 型（4.58×10-6cm/s）固化腐殖土。這是由于SAC 型固化劑具有早強特性，在固化體中能快速進行水化反應，與土體共同形成致密的骨架結構，使得滲透系數顯著降低。在養護28 d 后，固化腐殖土的滲透系數均降低至1.09×10-6cm/s 以下，相對于原狀土優化明顯，與其他關于水泥固化土滲透特性的研究具有近似的滲透系數，說明本研究中固化腐殖土同樣能夠較好地滿足應用需求［16-18］。另一方面，OG 型固化腐殖土相比7 d 齡期時滲透系數降低明顯，說明隨著齡期的增長，OG 型固化腐殖土的孔隙結構發展也逐步密實。而由于SAC 型固化劑早強高強的性質，其7 d 和28 d 的滲透系數相差不大，甚至有小幅增長趨勢，這可能是由于隨著齡期增長，水化產物鈣礬石晶體的生長使固化體內部結構具有一定程度的膨脹效應。根據28 d 的試驗結果，3 種固化劑處理后均能有效降低腐殖土的滲透系數，同時SAC 型固化土與OG 型和OPC 型固化土相比有更低的滲透系數，說明該固化劑與腐殖土混合固化后能形成更為致密性的結構，而且也能保障固化體強度，在工程實施時建議優先使用。

圖5 混合粒徑固化體的滲透系數Figure 5 The hydraulic conductivity of solidified body with mixed particle size

2.4 加州承載比

依據GB/T 50123—1999、JTG 3430—2020 進行腐殖土固化7 d 齡期后的加州承載比（CBR）試驗，得到試件浸水膨脹試驗結果如表4 所示，加州承載比試驗結果如表5 和圖6 所示。

圖6 固化混合腐殖土單位壓力與貫入量關系曲線Figure 6 Relation curve between unit pressure and penetration volume of solidified body

表4 固化混合粒徑腐殖土浸水膨脹試驗結果Table 4 Results of immersion swelling test of solidified body

表5 固化混合粒徑腐殖土承載比Table 5 Load bearing ratio of solidified body

上述試驗結果表明，固化后腐殖土浸水膨脹量明顯小于原混合腐殖土膨脹量，其中SAC 型固化腐殖土膨脹量最小，OG 型固化腐殖土次之，OPC 型固化腐殖土膨脹量最大。所有固化混合粒徑腐殖土的浸水膨脹量均小于3%，說明固化后腐殖土作為路基材料時，路基浸水破壞程度較小。

混合腐殖土原土承載比僅為3.4%，無法滿足路基填料工程應用的CBR 控制標準，固化養護7 d后的固化腐殖土的承載比相比混合腐殖土原土均有明顯提升，其中OG 型固化腐殖土承載比最大（17.7%），SAC 型固化腐殖土次之（16.7%），OPC型固化腐殖土為13.8%。將以上固化后腐殖土的承載比結果與JTG D30—2015 公路路基設計規范中路基的設計規范要求對比可發現，腐殖土在固化劑的作用下，固化后腐殖土能滿足規范要求中的一級公路路基填料最小承載比限值8%的要求，說明固化處理后其可考慮作為路基填料進行進一步工程應用。

3 結論

利用水泥基材料對垃圾填埋場腐殖土進行了固化試驗，從無側限抗壓強度、彈性模量、滲透特性及加州承載比等多個方面進行力學特性探究，為垃圾腐殖土作為路用回填材料提供了試驗支撐，接下來將考慮進行固化腐殖土的環境毒性浸出試驗、耐久性試驗等方面的研究，進一步完善垃圾腐殖土工程應用的研究，根據試驗研究分析可以發現：

1）水泥基材料的固化處理對腐殖土力學特性有顯著的提升效果，固化混合粒徑腐殖土試件受壓后趨向于脆性破壞，無側限抗壓強度及彈性模量均有明顯提升，其中自制硫鋁酸鹽固化劑（SAC型）表現相對最優，對應固化垃圾腐殖土在強度、彈性模量等力學指標上領先于其他固化劑。

2）與普通硅酸鹽水泥（OG 型）和自制水泥-礦渣基固化劑（OPC 型）固化土相比，SAC 型固化土具有更低的滲透系數，說明該固化劑與腐殖土混合固化后能形成更為致密性的結構，保障了固化體強度及工程應用性能，后續將繼續開展重金屬浸出濃度、含鹽量、耐久性試驗等方面的測試，在滿足環境標準的條件下建議優先使用。

3）通過水泥基材料固化處理后，固化混合粒徑腐殖土可滿足高速、一級公路和二級公路底基層重交通級別荷載等級要求，承載比值可滿足一級公路路基填料最小承載比的限值要求，具有較好的工程應用前景。