石灰改良棄置泥漿土的三軸試驗研究

程沁靈， 韓 博， 周文靜， 朱旭飛， 陳曉清

(1.浙江省道橋檢測與養護技術重點實驗室，杭州 311305；2.浙江省交通運輸科學研究院，杭州 311305；3.紹興市科技產業投資有限公司，紹興 312000)

工程廢棄泥漿是指在工程建設過程中所產生的高含水率廢棄土方，由于其含水率高、強度低，難以直接應用于工程，如何處置一直是土木工程建設中的難點問題[1]。面對體量巨大的建筑廢棄泥漿，傳統的排放和處理方式存在著處理周期長、成本昂貴、占用大量土地資源等問題[2- 4]。因此科學合理地對建筑泥漿進行綜合利用是急需面對和解決的問題。

與常用路基土相比而言，一般脫水后的泥漿仍然存在孔隙比大、壓縮性高和強度低等缺點，需通過固化處理方能滿足路基填筑的要求?，F階段，常用的無機固化劑主要為水泥、石灰、粉煤灰、水玻璃、石膏和其他工業廢料等[1,5-9]。

王東星等[6]利用大摻量低鈣粉煤灰、水泥和石灰固化劑進行淤泥固化處理，結果表明，淤泥固化后最佳含水率降低，最大干密度則略有增加；彈性模量、無側限抗壓強度和抗拉強度均有不同程度的增加；水泥摻量越大，養護時間越長，強度和彈性模量越大。

丁慧等[7]研究了粉煤灰和工業礦粉固化疏浚淤泥作為路基材料的可行性；試驗結果表明，礦粉含量越高，粉煤灰含量越低，土樣的承載力越高，抗剪強度越高；當淤泥:粉煤灰:礦粉=7:1:2時，加州承載比(California bearing ratio，CBR)達到了34.8%，是規范中高速、一級公路路基填料要求最低CBR的4.35倍，作為路基填料使用是可行的。

Zhang等[8]研究表明，隨著齡期的延長，有效內凝聚力減小，養護7、28 d的固化土的強度隨著圍壓增大而減小。因此在固化土處理的初始階段施加堆載預壓，可以顯著提高強度，減少養護時間。

Chen等[9]探討了鉆孔灌注泥漿的性能和其應用于路基的可行性，采用現場固化處理系統固化泥漿、鋪筑路基，在密實度和撓度值上均表現出良好的性能，確定了CBR與固化時間的線性關系；同時發現粉煤灰在此過程中并未發生化學反應，僅起到填充作用。

以紹興市越城區為例，2019年預計將產生廢棄泥漿(180～200)×104m3。2019年紹興市路基填筑所需宕渣約為1 200×104m3，但受開山采石的限制，傳統的路基填筑材料宕渣、塘渣的開采量減小，將產生約800×104m3的缺口。為了解決棄置泥漿占用土地資源、優質路基填料緊缺的問題，采用生石灰對棄置泥漿土進行改良，并對固化后的棄置泥漿土開展三軸試驗研究。

1 試驗研究

1.1 原材料

試驗用土樣取自紹興建設工程產生的棄置泥漿，經工廠初步脫水處理，處理流程如圖1所示。

試驗石灰為杭州宏鑫鈣業有限公司生產，主要化學成分如表1所示。

圖1 棄置泥漿脫水處理流程Fig.1 Dehydration process of disposal mud

表1 石灰化學成分Table 1 Chemistry component of lime

1.2 試驗方法

選取石灰摻量8%時固化土的最佳含水率，采用分層擊實，成型三軸試樣。制備方法參照《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)[10]中T 0145—1993，試樣直徑為39.1 mm，高80 mm。在(20±2) ℃、相對濕度95%的條件下養護。試樣采取抽氣和反壓聯合飽和，當試樣飽和度達到95%時，進行等壓固結。試驗采用應變控制，剪切速率為0.075 mm/min。

2 試驗結果與分析

2.1 物理特性研究

試驗所用棄置泥漿土的基本物理指標如表2所示。

表2 棄置泥漿土的基本物理參數Table 2 Basic physical parameters of disposal mud soil

由表2中數據可知，土樣為低液限黏土，土中水主要包含弱結合水和少部分自由水。棄置泥漿干化土土樣處于軟塑至可塑狀態，需要對其進行處治后方能作為路基填筑的材料。土樣的塑性指數為20，一般石灰適用于穩定塑性指數為15～20的黏性土，對于塑性指數小于10的土不宜用石灰穩定。因此，選取8%摻量的石灰對棄置泥漿土進行固化處理。

2.2 化學成分分析

對處理后的棄置泥漿土樣品的有機質含量、水溶性鹽含量、鉛含量、鎘含量以及pH進行測定，試驗結果如表3所示。

表3 棄置泥漿土的化學檢測指標Table 3 Chemistry test index of disposal mud soil

經驗證明，對于硫酸鹽類含量超過0.8%或腐殖質含量超過10%的土，不宜直接采用石灰穩定。由表3中數據可知，脫水處理后的棄置泥漿土呈堿性，有機質含量<10%含量水溶性含鹽量<0.3%，無溶陷、鹽漲、腐蝕等工程特性，可直接采用石灰固化改性。

土樣的鎘、鉛含量均低于《土壤環境質量標準 建設用地土壤污染風險管控標準》(GB 36600—2018)中建設用地土壤風險管控的篩選值，說明其對人體健康的風險可以忽略。因此，棄置泥漿土在路基填筑的應用過程中無需進行無害化處理。

2.3 礦物成分分析

對處理前后的棄置泥漿土進行X射線衍射(diffraction of X-rays，XRD)分析，獲得其晶體的原子和分子結構信息，測試結果如圖2所示。圖2中，樣品a為處理前的棄置泥漿，b為經工廠處理后的棄置泥漿土。由圖2可知，泥漿處理前后的礦物組成基本相同，主要是α-石英、伊利石和鈉長石。α-石英的主要成分是二氧化硅，屬于六方晶系。SiO2結構中Si—O鍵的強度很高，鍵力分別在三維空間比較均勻，因此SiO2晶體的熔點高、硬度大、化學穩定性好，無明顯解理。伊利石的硅氧四面體中大約1/6的Si4+被Al3+取代，其層間靠分子力結合，晶格固定，屬于非膨脹性黏土礦物。鈉長石屬于三斜晶系，與石英同為架狀結構。長石結構的四節環鏈內結合牢固，鏈平行于a軸伸展，故沿a軸晶體不易斷裂；而在b軸和c軸方向，鏈間雖然也有橋氧連接，但有一部分是靠金屬離子與O2-之間的鍵來結合，較a軸方向結合弱得多。因此，長石在平行于鏈的方向上有較好的解理性。

圖2 泥漿的XRD圖譜Fig.2 XRD spectrum of disposal mud soil

因此，棄置泥漿土的礦物組成主要為二氧化硅和非膨脹性黏土礦物，棄置泥漿土久置水中，體積基本不產生膨脹，性質穩定。

2.4 擊實特性研究

取烘干后的棄置泥漿土料顆粒和摻入8%石灰的棄置泥漿土，分別制備5個不同含水率的試樣，進行室內擊實試驗，擊實曲線如圖3所示。

圖3 擊實曲線Fig.3 The compaction curve

由圖3可知，石灰的摻入使得棄置泥漿土的最佳含水率增大，最大干密度減小，摻入8%石灰的棄置泥漿固化土的最佳含水率為18.8%。

2.5 三軸試驗研究

2.5.1 圍壓的影響

為研究圍壓對石灰固化土強度特性的影響，按最佳含水率制備石灰摻量8%的試樣，養護7 d后，分別選取25、50、100、200、400、800 kPa六個不同的圍壓，對試樣進行固結不排水三軸剪切試驗，試驗的應力-應變曲線和孔壓-應變曲線分別如圖4、圖5 所示，三軸數據如表4所示。

圖4 固化土的應力-應變關系Fig.4 Stress-strain relationship of stabilized soil

圖5 固化土的孔壓-應變關系Fig.5 Pore pressure-strain relationship of stabilized soil

表4 固化土三軸試驗結果Table 4 Triaxial test results of stabilized soil

由圖4可知，試樣在不同圍壓下均表現出相似的曲線特征，曲線顯示為應變軟化型。在試樣變形的初始階段，應力與應變呈現出近似線性的關系，石灰固化土表現出彈性特征，并且初始階段的應力增長速率隨著圍壓的增大而不斷增大。

由圖5可知，當圍壓較低時，在起始階段，孔隙水壓力不斷增大，超過一定的值后，呈現出減小的趨勢，之后保持穩定，在整個加載過程中，存在著明顯的峰值。

當圍壓較高時，孔隙水壓力隨著加載過程的進行呈現出增長的趨勢，當達到一定的值后趨于穩定，峰值并不明顯。當圍壓低于100 kPa時，試樣出現負的孔隙水壓力，說明試樣出現剪脹。

由表4數據可知，試樣的初始變形模量隨著圍壓的增大而提高。當圍壓小于200 kPa時，峰值強度的變化并不明顯，即當圍壓小于屈服應力時，峰值強度變化較小，此時強度基本不受圍壓的影響。在高圍壓下，隨著圍壓的增大，石灰固化土的峰值強度顯著提高。圍壓越高，固化土的峰值強度、殘余強度和達到峰值強度時的破壞應變越大。

圍壓的增大使得試樣所受側向約束力相應提高，在產生相同軸向變形量時，試樣的側向變形量相對較小，土體的壓縮更為密實。因此圍壓的提高有利于固化土強度的增大，土體的力學性能越好。

當試樣圍壓較高時，裂紋斜向發展，出現了明顯的滑移現象，呈現剪切破壞，如圖6所示。當試樣圍壓較低時，試樣發生剪脹。剪應力的存在引起土顆粒間相互位置的變化，使其排列發生變化，改變了顆粒間的孔隙，從而引起了試樣體積的變化。

圖6 試樣破壞形式Fig.6 Specimen failure mode

2.5.2 齡期的影響

將三軸試樣在(20±2)℃、相對濕度95%以上的條件下分別養護7 d和28 d，在100、200、400 kPa的圍壓下進行固結不排水剪切試驗，試驗結果如圖7、圖8所示。

圖7 不同齡期固化土的應力-應變關系Fig.7 Stress-strain relationship of stabilized soil of different ages

圖8 不同齡期固化土的孔壓-應變關系Fig.8 Pore pressure-strain relationship of stabilized soil of different ages

由圖7可知，隨著齡期的延長，相同圍壓下的應力-應變和孔壓-應變曲線的形態和變化規律相同。

三軸試驗結果如表5所示。由表5可知，隨著養護時間的增加，石灰穩定土的初始變形模量提高。

表5 不同齡期固化土的三軸試驗結果Table 5 Triaxial test results of stabilized soil at differenr ages

通過比較相同圍壓下，不同養護齡期的試樣主應力差與軸向應變的關系可知，28 d齡期的試樣峰值強度、殘余強度和破壞應變均高于7 d齡期的試樣，且其破壞應變也高于7 d的試樣。隨著齡期的延長，土體內部不斷生成具有膠結作用的凝膠產物，孔隙不斷被填充，土體密實度逐漸提高，使得土體的膠結結構體系更為穩定，綜合表現為土體峰值強度的提高。

不同養護齡期下，固化土的三軸剪切試驗的強度包絡線如圖9所示，抗剪強度指標統計如表6所示。

圖9 固化土的強度包絡線Fig.9 Strength envelope of stabilized soil

表6 固化土的抗剪強度指標Table 6 Index of shear strength of stabilized soil

由表6可知，內摩擦角φ和黏聚力c隨著養護齡期的延長而相對增大。由于土體的膠結作用，凝膠物質的產生使得其黏聚力提高。

3 結論

采用石灰對棄置泥漿土進行固化處理，開展了一系列試驗研究，得到如下結論。

(1)通過對棄置泥漿土的物理指標、化學成分、礦物組成等進行試驗分析可知，棄置泥漿土適宜采用石灰進行穩定，且其膨脹性小，性質穩定，無需進行無害化處理。

(2)石灰固化土的應力-應變曲線為應變軟化型。隨著圍壓的提高，固化土的峰值強度、殘余強度和達到峰值強度時的破壞應變均增大。

(3)隨著齡期的延長，固化土內部的凝膠產物不斷生成，孔隙填充逐漸密實，綜合表現為土體峰值強度、峰值點應變和殘余強度的提高，且土體的黏聚力和內摩擦角也隨之增大。