工程廢棄泥漿固化處理試驗研究

□文/杜衍慶 王新岐

工程中會遇到含水量較土體液限大很多、處于流動狀態的廢棄泥漿，如吹填工程、地下連續墻、鉆孔灌注樁、非開挖水平定向鉆孔、泥水平衡式頂管、泥水加壓式盾構等工程施工過程中產生的泥漿。如果能將這些廢棄泥漿就地固化利用，對土地、環境、生態的保護起到至關重要的作用。目前，工程上常采用石灰、水泥、粉煤灰等無機結合料改良泥漿并對作用機制和改良效果開展了較多的試驗研究[1～3]。然而，鮮有采用高效土壤固化劑固化處理工程廢棄泥漿并對其力學性質開展研究的成果。

1 工程廢棄泥漿固化試驗驗證

高效土壤固化劑采用臺灣世盟國際股份有限公司提供的GURS-501固化劑，其主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO2[4]。

地下連續墻施工現場所取泥漿，含水量為150%～200%，對泥漿進行攪拌并摻加3%（固化劑摻量為固化劑與泥漿重量之比）的固化劑，24 h后即凝結硬化為固體，固化土強度可達0.2 MPa以上，見圖1。

圖1 地下連續墻廢棄泥漿快速固化

天津濱海臨港工業區的吹填泥漿摻加GURS固化劑后利用電子顯微鏡進行掃描，見圖2。

圖2 電子顯微鏡掃描原漿及摻加固化劑后泥漿

由圖2可看出，隨著固化劑摻量的增加，泥漿固化土顆粒逐漸增大并形成網狀結構。圖1和圖2表明，固化劑可以對泥漿起到固化作用。

選取臨港工業區吹填場地經過真空預壓處理的吹填軟土作為固化處理對象，其基本物理性質見表1。

表1 吹填土基本物理性質

根據GURS固化劑作用機理[5]，須對原材摻水重新配制為一定含水率的泥漿，加入固化劑攪拌均勻進行固化試驗，對固化土的物理力學性能開展深入研究。

2 泥漿固化土無側限抗壓強度分析

無側限抗壓強度試驗儀器采用南京土壤儀器有限公司生產的承載比試驗儀，泥漿固化土無側限抗壓強度試驗試件的成型條件：固化劑摻量2%、3%、4%、5%、6%、7%；養生齡期 7、14、28、60 d；含水率 120%、140%、160%。

2.1 固化劑摻量的影響

泥漿固化土的無側限抗壓強度與固化劑摻量關系曲線，在含水率為120%、140%、160%時特征相似，限于篇幅，僅以含水率為140%為例。各齡期下泥漿固化土無側限抗壓強度隨固化劑摻量變化曲線見圖3。

圖3 無側限抗壓強度與固化劑摻量關系曲線

由圖3可看出，隨固化劑摻量的增加，各齡期下泥漿固化土的無側限抗壓強度均呈線性增長。當固化劑摻量為2%時，試樣并未很好的成型，強度較弱，而在固化劑摻量達到3%～4%時，其強度明顯增加，試樣成型較好；當固化劑摻量達5%～7%時，泥漿固化土28 d無側限抗壓強度為0.25～0.45 MPa，已達到壓實后工程土的強度。

2.2 齡期的影響

泥漿固化土的無側限抗壓強度與養生齡期關系曲線，在含水率為120%、140%、160%時特征相似，限于篇幅，僅以含水率為140%為例。各固化劑摻量下泥漿固化土無側限抗壓強度隨齡期變化曲線見圖4。

圖4 無側限抗壓強度隨齡期變化曲線

由圖4可看出，各固化劑摻量下，泥漿固化土無側限強度均隨齡期的增長而增長，增幅與固化劑摻量有關。固化劑摻量為2%時，強度增長不明顯；固化劑摻量為3%～5%時，7～28 d強度增長明顯，近似于線性增長，之后逐漸趨緩；固化劑摻量為6%～7%時，7～14 d強度增幅最大，14～28 d次之，28～60 d最小，說明固化劑的作用在28 d時已經接近最大，所以養護周期可為28 d。

2.3 含水率的影響

泥漿固化土的無側限抗壓強度與含水率關系曲線，在各養護齡期下特征相似，限于篇幅，僅以14 d齡期為例。各固化劑摻量下泥漿固化土無側限抗壓強度隨含水率變化曲線見圖5。

圖5 無側限抗壓強度隨含水率變化曲線

由圖5可看出，泥漿固化土無側限抗壓強度隨泥漿含水率的增加而減小，減幅與固化劑摻量有關。當固化劑摻量為2%時，減幅較小，但強度很低；固化劑摻量為3%時，減幅較小，曲線平緩；固化劑摻量＞4%時，曲線斜率明顯增大，說明固化劑＞4%時對含水率變化敏感，強度減幅大。

綜上所述，當固化劑摻量為3%時，其強度在各個含水率下均比較穩定，強度值均能達到經過自然沉積的海積軟土抗壓強度值（25 kPa左右）且泥漿含水率為140%時，其強度衰減也并不明顯，所以后續力學特性試驗均以140%、160%含水率，3%摻比試樣來進行試驗。

3 泥漿固化土壓縮性能分析

土的壓縮是孔隙減小以及排水的過程，可以反映土中孔隙變化的規律，土的壓縮特性與土體本身結構組成以及受力狀態有關，可采用壓縮系數表征。

泥漿固化土屬于偏脆性材料，在無側限抗壓的情況下會產生裂紋破壞，而在有側限的壓縮試驗中，其結構性對壓縮曲線的影響不容忽視。為研究其壓縮特性，采用含水率140%、160%泥漿，固化劑摻量3%，進行壓縮試驗，研究泥漿固化土的壓縮特性。試驗采用25、50、75、100、200、400、600、800、1 200、1 600 kPa 偏應力分級加載，齡期 7、14、28 d。試驗結果見圖 6。

圖6 泥漿固化土e-log p曲線

由圖6可看出，泥漿固化土壓縮曲線呈明顯的結構性土特點且具有結構屈服應力，在小應力下孔隙比減幅不明顯，初始階段曲線較為平緩，土體尚處于彈性狀態，此時土的結構基本保持完好，結構強度能抵消一部分壓力，變形較小。當超過結構屈服應力后，曲線有明顯的拐點，拐點橫坐標值即為結構屈服應力，在齡期相同情況下隨著含水率的增加其結構屈服應力有所減小；在含水率相同時，隨著養護齡期的增大而增大，說明在養護過程中固化土結構強度逐漸增強。在屈服點之前，曲線斜率較小，反映出孔隙比變化不大，在屈服點之后，曲線斜率明顯降低，說明結構破損導致孔隙比加速減小。

根據泥漿固化土試驗結果，可得到壓縮系數，見表2。

表2 泥漿固化土壓縮系數

由表2可看出，泥漿固化土為高孔隙比土，孔隙比最高達2.26、最低為1.91，明顯高于一般軟土，說明了固化土在受力過程中主要由內部“骨架”承受。再者，壓縮系數隨著齡期的增長逐漸降低，140%含水率情況下，7 d為高壓縮性土，14、28 d為中壓縮性。說明隨著齡期的增長，固化土的壓縮性能逐漸減弱、抵抗變形的能力加強。而隨著含水率的增加壓縮系數也有所增加，在160%含水率情況下7、14 d為高壓縮性土，在28 d時為中壓縮土。壓縮試驗結果表明齡期對固化土影響較大，在28 d時抗壓縮能力基本達到最高值，但抗壓縮能力隨著齡期還在逐漸增長。

4 泥漿固化土應力-應變特性分析

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限強度，固化土與軟粘土相似，抗剪強度可分為兩個部分：一部分為土顆粒之間或者小型組織結構的相互摩擦產生的摩擦力，另一部分則是土體內顆粒或者小型組織結構產生的化學、物理膠結從而形成的粘聚力。對土抗剪強度的研究至關重要，其強度指標取值準確，關乎工程質量及安全。

基于固化土性質，固結能力較弱無法排水，所以選擇不固結不排水三軸試驗。分析泥漿固化土在三軸應力狀態下偏應力及圍壓對其力學性質的影響。試驗采用含水率140%的泥漿，固化劑摻量3%，圍壓25、50、75、100、200、300 kPa，齡期 7、28 d。

試驗結果見圖7。

圖7 泥漿固化土應力-應變關系曲線

由圖7可看出，泥漿固化土應力-應變關系屬于典型的彈塑性關系，在應力較小時表現為彈性材料的特性，其剛度和彈性模量不變；在彈性變形結束后，隨著應力的增加，結構開始破損，由彈性向塑性材料轉變，當應力達到土體結構的屈服極限以后，應力不變的情況下應變持續增加，進入塑性變形階段，說明固化土是一種強結構性土。

泥漿固化土的應力-應變曲線可以分為應變硬化型和應變軟化型。當圍壓小于固結屈服應力時，曲線呈軟化型，當圍壓大于固結結構屈服應力時，由于圍壓抑制變形的作用超出了結構提供的作用，曲線呈硬化型。曲線隨著圍壓的增大，由應變軟化型逐漸向應變硬化型曲線轉化。在7 d齡期時，固結屈服應力較弱，只有在圍壓為25、50 kPa時為軟化型曲線，而28 d齡期時，泥漿固化土養護充分，結構較強，在25～100 kPa4個圍壓下均為軟化型曲線，說明結構屈服應力值更大，需要更大的圍壓才能得到應變硬化型曲線。

5 結論

1）GURS-501固化劑對含水率120%～160%的泥漿具有很好的固化效果，當固化劑摻量為2%時，其強度隨著齡期的增長幅度相對較低，當摻量為3%～4%時，其強度增長明顯；當摻量達5%～7%時，固化土28 d無側限抗壓強度達0.25～0.45 MPa，達到壓實后工程土的強度。

2）泥漿固化土是一種強結構性土，在應力較小時表現為彈性特性，在彈性變形結束之后，隨著應力的增加，結構開始破損，土體由彈性材料向塑性材料轉變，當應力達到土體結構屈服極限以后，應力不增加的情況下應變不斷增加，進入塑性變形階段。

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