濱海淤泥固化土路用性能試驗(yàn)研究

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以淤泥、污泥為代表的各種泥狀物產(chǎn)量巨大，接近城市建筑垃圾的數(shù)量[1]，淤泥的處理及資源化利用已經(jīng)成為工程界迫切需要解決的問(wèn)題。目前學(xué)者對(duì)采用常規(guī)固化劑固化處置利用淤泥的物理力學(xué)性能進(jìn)行了較多研究。王東星等[2～3]對(duì)基于水泥、石灰、低鈣粉煤灰的固化淤泥進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，得到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)360 d淤泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、破壞強(qiáng)度和應(yīng)變。丁慧等[4]探討粉煤灰和工業(yè)礦粉固化疏浚淤泥作路基材料的可行性，研究了不同固化劑配比對(duì)固化淤泥擊實(shí)特性、水穩(wěn)定性、承載力和抗剪強(qiáng)度的影響。

采用傳統(tǒng)固化劑處置淤泥需要較高的摻量，通常達(dá)15%～30%（質(zhì)量比），增加了施工難度和成本，處置效果也欠佳。目前研究中，采用高效土壤固化劑處置淤泥的成果較少；基于此，本文利用高效減水型固化劑對(duì)取自天津?yàn)I海三個(gè)地區(qū)的海相淤泥進(jìn)行固化處理，尋求淤泥就地固化為道路路基、基層的方法，以解決其堆放占地和污染的難題，實(shí)現(xiàn)廢物淤泥資源化再利用。

1 濱海淤泥的物理特性

選取天津?yàn)I海地區(qū)最具代表性的三個(gè)地區(qū)的淤泥試樣S1、S2、S3，進(jìn)行物理化學(xué)指標(biāo)測(cè)試。

1.1 基本物理力學(xué)指標(biāo)

淤泥無(wú)法直接應(yīng)用于工程，最大阻礙是過(guò)高的初始含水率和較大的界限含水率，粘粒含量對(duì)淤泥顆粒級(jí)配有顯著影響，有機(jī)質(zhì)含量對(duì)淤泥固化效果明顯，土體的穩(wěn)定性與土的強(qiáng)度指標(biāo)密切相關(guān)。基于以上因素，分別測(cè)定淤泥的含水率、粘粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、抗剪強(qiáng)度，見(jiàn)表1。

表1 濱海淤泥基本物理性質(zhì)指標(biāo)

由表1可知：濱海淤泥粘粒含量均在40%以上，以細(xì)粒土為主，即使經(jīng)過(guò)降水處置后仍屬于不良級(jí)配土，工程性質(zhì)較差，濱海淤泥的有機(jī)質(zhì)含量較高，對(duì)工程性質(zhì)影響較大，因此在選擇固化劑時(shí)，應(yīng)考慮其中成分對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解作用；pH值為6.5～6.6，在我國(guó)土壤酸堿度等級(jí)劃分中屬于中性偏弱酸性；粘聚力為4.6～5.4 kPa，遠(yuǎn)低于其他地域淤泥，內(nèi)摩擦角為3.7°～4.4°，在全國(guó)范圍內(nèi)偏低。

1.2 含鹽量

通常，土壤固化劑中的化學(xué)成分與淤泥成分進(jìn)行離子交換，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成膠凝性化合物吸附周圍土粒，構(gòu)成骨架，進(jìn)而形成強(qiáng)度；但淤泥中存在一些鹽分，會(huì)對(duì)水泥等固化劑產(chǎn)生腐蝕作用，影響固化效果；因此，對(duì)淤泥中含鹽量及離子含量進(jìn)行測(cè)定是十分必要的。通過(guò)質(zhì)量法測(cè)試淤泥中易溶鹽總量，見(jiàn)表2。

表2 濱海淤泥含鹽量檢測(cè)結(jié)果 %

由表2可知：淤泥S3的含鹽量達(dá)1.165%，淤泥S1和淤泥S2含鹽量不足1%。通常，含鹽量＜1%時(shí)，鹽分對(duì)固化土的抗壓強(qiáng)度影響較小；含鹽量＞1%時(shí)，隨含鹽量的增加，固化土的抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸減小。此外，含鹽量對(duì)土體的變形過(guò)程有較大影響；當(dāng)含鹽量較大時(shí)，變形主要是由鹽脹造成的。因此，針對(duì)三種淤泥，特別是淤泥S3，選擇固化劑時(shí)，應(yīng)特別考慮鹽分對(duì)固化劑的影響。

1.3 礦物成分

為進(jìn)一步探討淤泥與固化劑的相互作用以及淤泥的礦物成分對(duì)其工程性質(zhì)的影響，進(jìn)行礦物成分測(cè)定，見(jiàn)表3。

表3 濱海淤泥礦物成分測(cè)定結(jié)果 %

由表3可知：三種淤泥SiO2含量在45%～50%，低于其他地域淤泥50%～70%含量；Al2O3含量在37%～45%，遠(yuǎn)高于其他地域淤泥10%～20%含量。

基于濱海淤泥的性質(zhì)，結(jié)合淤泥含水量較高、抗剪強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，選擇的固化劑應(yīng)有較強(qiáng)的吸水能力和顯著提高淤泥抗剪強(qiáng)度的能力。經(jīng)調(diào)研與試驗(yàn)，最終選用臺(tái)灣世盟國(guó)際股份有限公司提供的GURS-501高效減水型土壤固化劑[5]，其主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO2等。

2 淤泥土微觀分析

為從微觀學(xué)角度分析GURS-501固化劑固化淤泥的反應(yīng)情況，采用透射電子顯微鏡（TEM）分析納米級(jí)材料形貌，觀測(cè)淤泥被固化后的微觀形貌與晶體結(jié)構(gòu)，分析淤泥與固化材料的界面分散情況。

取少量樣品（淤泥S1）放入無(wú)水乙醇溶液中，經(jīng)超聲波分散約25min后點(diǎn)滴在碳膜上，進(jìn)行TEM觀察。見(jiàn)圖1。

圖1 淤泥TEM下形貌

從圖1a可以看出，淤泥土顆粒形狀不規(guī)則，尺寸大小不一，分散不均勻并存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。圖1b對(duì)樣品進(jìn)一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)淤泥土顆粒的表面形貌紋理不清晰，呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)。

摻加4%（質(zhì)量比）GURS-501固化劑后，采用透射掃描電鏡對(duì)固化淤泥土進(jìn)行測(cè)試，分析固化淤泥土的微觀形貌，見(jiàn)圖2。

圖2 固化淤泥土TEM下形貌

從圖2a可以看出，固化劑能均勻分散在淤泥顆粒周圍，土顆粒被固化劑包裹，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，同時(shí)淤泥土顆粒尺寸減小，土粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，這是由于固化劑吸收了淤泥土中的水分，降低了淤泥土顆粒之間的粘結(jié)力。圖2b對(duì)樣品進(jìn)一步放大觀察，固化劑緊密的包裹在淤泥土粒周圍并部分進(jìn)入淤泥土顆粒內(nèi)部，與淤泥土形成穩(wěn)定密實(shí)結(jié)構(gòu)，從而能夠提高淤泥的強(qiáng)度。

3 固化淤泥土路用性能試驗(yàn)

3.1 力學(xué)性能

3.1.1 CBR

三種淤泥最佳攪拌含水量[5]條件下，分別摻加2%、3%、4%、5%、6%（質(zhì)量比）固化劑，測(cè)定其作為路基填料的強(qiáng)度。試樣分三層擊實(shí)，擊實(shí)后在水中浸泡4 d，然后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 固化淤泥土CBR試驗(yàn)

圖4 固化淤泥土膨脹率

1）GURS-501固化劑摻量＞2%時(shí)，三種淤泥土CBR值均＞12%，滿足現(xiàn)行路基設(shè)計(jì)規(guī)范[6]的規(guī)定。

2）對(duì)同一種淤泥，CBR值隨固化劑摻量的增加而增大，當(dāng)摻量由2%增加至6%時(shí)，CBR值增大為原來(lái)的3倍，說(shuō)明GURS-501固化劑的摻入能夠顯著提高固化淤泥土的強(qiáng)度性能。

3）三種淤泥的固化劑摻量相同時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量高的淤泥S3的CBR值比有機(jī)質(zhì)含量低的淤泥S1CBR值低；而有機(jī)質(zhì)含量居中的淤泥S2，由于初始含水率、最佳攪拌含水量較大，CBR值最小，說(shuō)明初始含水率較大時(shí)需適當(dāng)增加固化劑含量。

4）隨著固化劑摻量增加，固化淤泥土膨脹率呈遞減趨勢(shì)，摻入固化劑后明顯降低了固化淤泥土的膨脹率。當(dāng)固化劑摻量相同時(shí)，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，膨脹率也相應(yīng)增大。

3.1.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將淤泥分別按2%、3%、4%、5%、6%（質(zhì)量比）固化劑摻量制備試件，在最佳攪拌含水量條件下成型，分別養(yǎng)生7、28 d進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，見(jiàn)圖5。

圖5 固化淤泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從圖5可以看出：隨固化劑摻量的增加，固化淤泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本呈線性增大，固化劑摻量增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加約20%～30%；隨著養(yǎng)生齡期的增加，固化淤泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d時(shí)固化淤泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d的強(qiáng)度，增加近1倍，固化淤泥土用于路基填筑具有良好的強(qiáng)度性能。

3.2 水穩(wěn)性

固化淤泥土填筑道路路基耐水性能由浸水狀態(tài)下固化淤泥路基土的28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反映。按照最佳攪拌含水量制備試件，成型后放置于養(yǎng)生箱中養(yǎng)生，26 d后將部分試件放入恒溫水槽中浸水48 h，待養(yǎng)生期結(jié)束后，測(cè)試浸水后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度并與正常養(yǎng)生的試件強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)固化淤泥土的耐水性能，見(jiàn)圖6。

圖6 固化淤泥土水穩(wěn)性

從圖6可以看出：固化淤泥土浸水48 h無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比正常養(yǎng)生條件下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低約3%～12%且隨著固化劑摻量的增加，固化淤泥土強(qiáng)度損失率逐漸減小，固化劑的摻入提高了淤泥的水穩(wěn)定性；另一方面，固化淤泥土的水穩(wěn)定性與淤泥中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，當(dāng)固化劑摻量相同時(shí)，淤泥中有機(jī)質(zhì)含量越高，固化淤泥土強(qiáng)度損失率越大，水穩(wěn)定越差。

3.3 凍融循環(huán)性能

固化淤泥土填筑道路路基的抗疲勞性能由反復(fù)凍融循環(huán)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反映。按照最佳攪拌含水量制備試件，成型后放置于養(yǎng)生箱中養(yǎng)生，進(jìn)行5次凍融循環(huán)，以BDR（凍融循環(huán)后與常規(guī)養(yǎng)生試件強(qiáng)度比）評(píng)價(jià)固化淤泥土的抗凍融性能。將淤泥分別按2%、3%、4%、5%、6%（質(zhì)量比）固化劑摻量制備試件，進(jìn)行抗疲勞性能測(cè)試，見(jiàn)圖7。

圖7 固化淤泥土凍融循環(huán)

從圖7可以看出：固化淤泥土經(jīng)5次凍融循環(huán)后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為正常養(yǎng)生條件下的67%～85%且隨著固化劑摻量的增加，凍融循環(huán)后固化淤泥土強(qiáng)度損失率逐漸減小，固化劑的摻入提高了淤泥的抗凍融性能；當(dāng)固化劑摻量＜3%時(shí)，隨著固化劑摻量的增加，強(qiáng)度損失率顯著降低，固化劑摻量＞3%后強(qiáng)度損失率降低的趨勢(shì)逐漸減緩，僅從抗凍融角度出發(fā)，考慮方案的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)將固化劑摻量控制在4%以內(nèi)；固化淤泥土的抗凍融性與淤泥中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，當(dāng)固化劑摻量相同時(shí)，淤泥中有機(jī)質(zhì)含量越高，固化淤泥土凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失率越大，抗凍融性越差。

3.4 干縮性能

固化淤泥土的明顯缺陷是抗拉強(qiáng)度低、抗變形能力差。固化淤泥土發(fā)生的收縮，在養(yǎng)生期內(nèi)主要是固化過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)引起的自身收縮，在后期主要來(lái)自干縮和溫縮。

以有機(jī)質(zhì)含量2.67%的淤泥S3為研究對(duì)象，在最佳攪拌含水量條件下，利用靜壓法成型小梁試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生到期后對(duì)其進(jìn)行收縮性能試驗(yàn)，見(jiàn)圖8。

圖8 固化淤泥土干縮試驗(yàn)結(jié)果

從圖8可以看出：固化淤泥土的失水率隨齡期的增長(zhǎng)逐漸增大，開(kāi)始時(shí)失水較快，隨齡期的增長(zhǎng)，失水趨勢(shì)逐漸減緩，當(dāng)失水率達(dá)最大值時(shí)，趨于穩(wěn)定，固化淤泥土的最大失水率在9%左右；固化淤泥土的干縮應(yīng)變?cè)?～10 d內(nèi)增長(zhǎng)迅速，之后趨于平緩，當(dāng)失水率達(dá)到最大值時(shí)，固化淤泥土的干縮應(yīng)變逐漸穩(wěn)定，固化淤泥土的最大干縮應(yīng)變?yōu)? 800×10-6左右；固化淤泥土的平均干縮系數(shù)在80×10-6～450×10-6，養(yǎng)生初期變化較大，10 d后趨于穩(wěn)定，平均干縮系數(shù)受固化劑摻量的影響較大，與水泥、石灰等傳統(tǒng)固化劑不同，固化淤泥土干縮系數(shù)隨著固化劑摻量的增加逐漸減小，4%、6%摻量的固化淤泥土干縮系數(shù)很小，說(shuō)明固化劑具有很好的抗干縮性能。

綜合考慮固化淤泥土的強(qiáng)度、干縮性能以及經(jīng)濟(jì)性，推薦固化劑摻量為4%。

3.5 抗沖刷性能

為掌握自由水進(jìn)入道路基層內(nèi)，基層結(jié)構(gòu)抵抗沖刷破壞的能力，需對(duì)固化淤泥土進(jìn)行抗沖刷性能研究。三種淤泥制備?150 mm×150 mm試件，成型并養(yǎng)生后，放入沖刷桶內(nèi)，沖刷30 min后取出沖刷物沉淀12 h，烘干后計(jì)算沖刷物與原試件的質(zhì)量比，作為試件抗沖刷后的質(zhì)量損失并以此評(píng)價(jià)固化淤泥土的抗沖刷性能，見(jiàn)圖9。

圖9 固化淤泥土抗沖刷性能

從圖9可以看出：固化劑摻量2%～6%時(shí)，固化淤泥試件經(jīng)沖刷后的質(zhì)量損失約為2%～5%且隨著摻量的增加，試件經(jīng)沖刷后的質(zhì)量損失逐漸降低，說(shuō)明提高固化劑可增強(qiáng)固化淤泥的抗沖刷性能；固化淤泥土的抗沖刷性能與淤泥中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量高，質(zhì)量損失較大，因此，對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量高的淤泥，應(yīng)適當(dāng)加大固化劑摻量。

4 結(jié)論

1）濱海淤泥粘粒含量在40%以上，以細(xì)粒土為主；有機(jī)質(zhì)含量較高，對(duì)工程性質(zhì)影響較大；pH值為6.5～6.6，屬于中性偏弱酸性；濱海淤泥粘聚力在4.6～5.4 kPa，內(nèi)摩擦角在3.7°～4.4°，抗剪強(qiáng)度在全國(guó)范圍內(nèi)偏低。

2）原狀淤泥土顆粒形狀不規(guī)則，分散不均并存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；摻加GURS-501高效減水型土壤固化劑制備為固化淤泥土后，土顆粒被固化劑包裹，形成穩(wěn)定密實(shí)結(jié)構(gòu)，土粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，淤泥強(qiáng)度得以提高。

3）固化劑的摻入可明顯提高固化淤泥土的CBR值和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，相應(yīng)的水穩(wěn)定性、抗凍融性能、抗干縮性能和抗沖刷性能也隨之提高。

4）經(jīng)權(quán)衡淤泥固化處置利用的經(jīng)濟(jì)性和性能指標(biāo)，當(dāng)固化淤泥土用于填筑道路路基時(shí)，應(yīng)控制固化劑摻量為4%；用于道路基層時(shí)，固化劑摻量應(yīng)不低于6%。