淺談淤泥固化技術在中新天津生態城中的應用

劉 俊，蔣宏偉，程海波

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300457）

0 前言

城市的飛速發展隨之帶來的是環境污染、資源枯竭、交通擁擠、土地緊張。嚴峻的城市環境現狀迫使人們反思以往的城市建設模式和理念。2007年11月18日中新兩國總理簽署了兩國政府在中國天津建設生態城的框架協議。中新天津生態城是第一個國家間合作開發建設的生態城市。中新天津生態城項目的合作，展示了兩國應對全球氣候變化、加強環境保護、資源與能源節約以及構建和諧社會的決心。2008年9月28日，國務院總理溫家寶和新加坡國務資政吳作棟共同出席中新天津生態城開工儀式，并為生態城奠基。中新天津生態城的地質特征為：軟土分布厚，地表承載力低；地下水位高，地表排水不暢；土質鹽漬化，對混凝土結構存在嚴重腐蝕性；塑性指數高，土源干縮嚴重。在實際工程中面臨諸多問題，如：地基處理問題（沉降、承載力）；地下水侵蝕，場地排水問題；混凝土防腐問題；綠化排鹽問題；現場土源就地利用問題，等等。隨著國家乃至世界形勢的發展，提倡“發展綠色建材”的理念，堅持“可持續發展”的戰略方針，因而“淤泥固化技術”作為一種能夠實現固化淤泥用于道路建設的新型筑路技術，也越發顯得有價值。本文著眼于地基處理與現場土源就地利用問題，對淤泥固化技術的應用進行相關的闡述、分析與總結。

1 淤泥及固化劑情況

1.1 淤泥

天津濱海新區瀕臨渤海，其淺層地質屬第四紀海相為主的成因相類型。該地區土質呈現典型的“三高三低”特性，即高含水量、高孔隙比、高壓縮性、低強度、低滲透性、低固結系數。同時，該地區軟土含鹽成分大，且沿地表以下深度及與海岸距離的不同，土體含鹽量分布也極不均勻，土體特性差異顯著，是典型的軟弱土，對道路沉降及穩定影響較大。

中新天津生態城，位于天津濱海新區，實際還存在著大面積沼澤地。經工程分類，現場土壤屬于粉質粘土，其有機質含量豐富，在半干燥狀態時土壤分子間吸引力大，導致粘滯性高而不易分散，全干燥時硬度大則分散更不易，沼澤區過渡飽和水，干密度約為2.0 g/cm3，飽和密度約為3.2 g/cm3，含水率達55%以上，污泥粒徑約0.001 5～0.05 mm，為鹽堿土壤。現場情況詳見圖1、圖2。

圖1 現場一

圖2 現場二

1.2 固化劑

鋼鐵產生過程中，平均生產1 t生鐵可產生約300 kg的高爐石，高爐石經由水淬方式冷卻，再加以磨成細粉，稱“爐石粉”。爐石粉經加工后生產而成的固化劑HSC301，對于固化軟基中的淤泥有著顯著的效果。故選用固化劑HSC301符合中新天津生態城環保節能節源的建設理念。

1.2.1 固化機理分析

固化劑HSC301為白色粉末狀無機材料，屬于礦渣硅酸鹽類固化劑,其主要成分為爐石粉、水泥及其它副添加料。其基本機理可以歸結為兩大部分：水的處理和土壤顆粒的膠結。

（1）水的處理：將游離水轉化為結晶水,利用生成高結晶水的物質消耗土壤中的游離水分（見圖3）。研究表明，除“化合水”以外，毛細水、吸附水以及表面張力水都將影響土壤固化。

圖3 土壤中存在四類靜水

（2）土壤顆粒的膠結：利用自身形成粘結土粒的結構,即類似水化產物的“C-S-H膠體”,將土粒包裹鑲嵌在已經形成的結構中（見圖4）。相關主要化學反應為：碳酸化反應 Ca（OH）2+CO2→CaCO3+nH2O；火山灰反應xCa（OH）2+SiO2+nH2O→xCaOSiO2（n+x）H2O，yCa（OH）2+Al2O3+nH2O →yCaOAl2O3(m+y)H2O。可簡寫為：爐石粉 +Ca（OH）2→類似水化產物的“C-S-H膠體”。

圖4 固化劑HSC301的固化進程

1.2.2 固化劑HSC301特性

對照組患者護理前心理健康指標漢密爾頓焦慮、抑郁指數評分24.11±8.36分、24.33±8.44分，護理后心理健康指標漢密爾頓焦慮、抑郁指數評分16.12±5.36分、16.33±5.41分；試驗組患者護理前心理健康指標漢密爾頓焦慮、抑郁指數評分24.11±8.32分、24.33±8.44分，護理后心理健康指標漢密爾頓焦慮、抑郁指數評分6.11±1.21分、5.33±1.41分。

固化劑HSC301添加到土壤中，首先大量形成富含結晶水的針狀結晶體，穿插在土壤顆粒空隙間形成強度骨架；其次，硅酸鹽類水化物填充在強度骨架之中，使固化體系進一步密實；最后，在激發劑的劇烈作用下，HSC301和部分土壤顆粒參加化學反應，使固化土具有不可逆的、良好的強度和耐久性。固化劑HSC301的特性可概括為：（1）易于拌合、均勻性、流動性等工作性較好；（2）具有較好的土壤兼容性，固化效果好；（3）具有抗硫酸鹽（海水）、抗堿侵蝕作用，耐久性好；（4）高致密性、低滲透性、防水效果好；（5）防止土壤液化效果好；（6）土壤固化后不會出現二次泥化現象；（7）可克服有機酸干擾因子，加強固化效果。

2 施工流程及要點介紹

2.1 現場評估

根據現場土樣的幾種情況分析可知：

（1）在半干狀態時，土壤分子間吸引力大，導致黏度高而不易分散，直接加固化劑HSC301混拌，必須充分混合以達到良好均勻性，否則不易發揮固化劑HSC301的性能優勢。

（2）全干時硬度大，使用現有機具，如能將其完全粉碎，再采取干拌模式，直接加固化劑HSC301混拌，充分混合也可達到良好的均勻性，將HSC301固化土混合料加適當的水量調和壓密，也能發揮固化劑HSC301的性能優勢。

（3）在干濕混合狀態下，加入固化劑HSC301混拌，利用干土的硬度大，水化速度慢的特點，以混拌中土壤顆粒來切割濕土，以期達到混拌均勻的目的，將HSC301固化土混合料加適當的水量調和壓密，也能發揮固化劑HSC301的性能優勢。

（4）沼澤區因過渡飽和水，土顆粒充分水化最易分散，直接加固化劑HSC301混拌，雖容易均勻，但因過飽和水量巨大，固化劑HSC301會因含水量過大而有流失的問題，且為達到適當含水量，所以固化劑HSC301使用量將會倍數增加。

2.2 施工步驟

根據現有機械設備，拌合固化劑HSC301時，首先往淤泥中加入適當的水分，利用水分子破壞土顆粒之間的的吸引力而使之液化，降低其黏度，再直接加固化劑HSC301混拌，直至達到良好的均勻度，當中應盡量節省原料使用量，采用最佳配比方案，充分發揮固化劑HSC301的性能特點。混拌模式采取容積式混拌（可用大型鐵槽、貨柜等容器，當作混拌設備，以挖土機直接攪拌均勻即可），見圖5。再將經固化劑HSC301處理過后的淤泥平均攤鋪在正確的施工位置，直接攤平并配合灑水設備調整至最佳含水率，壓密后靜置7 d，前3 d視狀況進行灑水養護。具體施工步驟如下：

圖5 容積式混拌（攪拌槽攪拌法）

（1）預備施工現場整地；

（2）鋪設土工布（平接搭接處須大于30 cm）；

（3）將淤泥以及固化劑HSC301按照配比方案放入混拌槽，予以混拌均勻；

（4）將混拌均勻的HSC301淤泥固化土混合料回填到土工布上，再予以攤平，壓密時配合灑水設備調整至最佳含水率，再充分壓密；

（5）反復直至達所需高度（每層25～30 cm壓密一次），路床養護靜置7 d即可使用，前3 d視狀況進行灑水養護，7 d可達1/3抗壓強度，28 d后可達最大強度。

3 應用成效

“淤泥固化技術”應用于中新天津生態城工程中，有效解決了地基處理與現場土源就地利用問題，達到了提高地基承載力、減少地基不均勻沉降的目的。HSC301固化淤泥后能夠滿足需求強度12～15 kN/m2，其相關指標如：7 d飽水無側限抗壓強度、回彈模量值、CBR值以及滲透系數等，不僅能很好地滿足規范要求，而且明顯優于傳統材料，可以直接作為路床使用，見圖6、圖7。其優點如下：

圖6 竣工后的基層路面

圖7 完工一年的基層路面

（1）HSC301淤泥固化土7 d飽水無側限抗壓強度可達到1.5 MPa以上,不僅很好地滿足了規范要求，而且明顯高于傳統石灰（水泥）土；

（2）回彈模量值平均在100～150 MPa之間，遠高于路基頂面回彈模量的要求（即不小于40 MPa）；

（3）CBR值一般在22%～25%之間，同樣遠高于《公路路基設計規范》（JTG D30-2004）中的要求 ；

（4）HSC301淤泥固化土水穩性較好,水穩系數為0.75～0.78，較傳統石灰（水泥）土有了很大提高，因此可以有效延長道路使用壽命，降低道路的全壽命周期費用。

4 應用前景與展望

在天津濱海新區快速發展的背景下，其市政道路建設面臨的濱海新區廣泛分布的軟土地基問題，經過多年來的摸索和工程實踐，雖已形成較為可行的軟基淺層處理方式，然而，結合天津濱海新區目前軟基淺層處理常用方法（見圖8），即主要采用石灰、水泥、戧灰、碎石、混渣、山皮土等傳統筑路材料，不難發現存在以下幾點問題：

圖8 濱海新區軟基淺層處理常用方法示意

（1）自然資源的匱乏：開山石料的大量使用致使目前國內不少地區出現了砂石料緊缺的現象。

（2）環境的壓力：石料的大量開采對山體植被造成極大破壞，從而引發山體滑坡、泥石流等自然災害；石灰、水泥的生產過程釋放大量的二氧化碳，嚴重加劇了溫室效應，同時也對大氣造成粉塵污染。

（3）傳統材料的不足：例如石灰土，強度形成緩慢，影響施工進度，其石灰摻量對石灰土強度影響大，且石灰土干縮大、易開裂、易軟化、水穩性差。

固化劑HSC301作為一種新型筑路材料，“淤泥固化技術”作為一種新型筑路技術，不僅實現了就地取材，節省資源和能源，保護生態環境，提高路用性能，降低工程全壽命周期費用，而且使得道路建設不受資源、生態、環保的影響，有著明顯的經濟效益和環境效益。對淤泥固化技術在道路結構中的具體應用總結如下：（1）淤泥固化土可代替傳統石灰（水泥）土應用于路基加固，當然淤泥處理時可適當加入石灰（水泥）進行復合固化，并且可混入碎石、砂等優化土壤級配；（2）可固化淤泥形成硬殼層作為承托層供后續施工；（3）可固化淤泥提高天然地基承載力、壓實度以及CBR等，具體可參見圖9。

鑒于目前，道路工程中亟需采用一些新技術、新材料來代替或部分取代水泥、石灰、砂石料等傳統的筑路材料，以緩解自然資源短缺、環境污染等問題。“淤泥固化技術”的應用，尤其在例如天津濱海新區這樣廣泛分布軟土地基的區域，勢必有著更為廣闊的前景。

圖9 淤泥固化技術在道路結構中的應用示意

[1]劉俊，蔣宏偉.固化劑HSC301應用于天津濱海軟土地基淺層處理的探討[J].城市道橋與防洪，2011（04）：47-51.

[2]劉俊，抗疏力土壤固化劑的應用研究[D].重慶:重慶交通大學,2010.

[3]王春波.天津濱海新區吹填土固化技術及固化機理研究[D].天津:天津城市建設學院,2007.

[4]季冰，肖許沐，黎忠.疏浚淤泥的固化處理技術與資源化利用[J].安全與環境工程,2010,17(2):54-56.

[5]謝國華，閆曉滿，張程.廣州市疏浚淤泥固化技術與工藝探討[J].水利水電技術,2011,42(04):9-11.

[6]劉松玉.公路地基處理[M].南京:東南大學出版社,2009.

[7]JTG D30-2004,公路路基設計規范[S].