廢棄泥漿的固化處理及路用性能研究

吳尚東， 陳權盛， 吳 鴻， 伍 杰， 陳 偉， 梁旭之

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司 山區(qū)道路工程與防災減災技術國家地方聯合工程實驗室， 重慶 400067； 2.廣州市公路工程公司， 廣州 510075； 3.重慶交通大學， 重慶 400074； 4.云南大永高速公路建設指揮部， 云南 大理 671000； 5.貴州省遵義市公路管理局， 貴州 遵義 563000)

橋梁樁基成孔中常使用泥漿進行護壁、清理樁孔[1]，泥漿經過多次重復使用后，其性質會逐漸變差不能繼續(xù)使用時，成為廢棄泥漿。廢棄泥漿的堆積既占用土地資源又污染生態(tài)環(huán)境，亟待處理[2]。目前針對廢棄泥漿的處理方法主要有直接排放法、固液分離法、土地耕作處理法和化學固化法等[3-4]。直接排放法實施簡單，但運輸費用高，且極易造成環(huán)境污染，隨著環(huán)保要求的提高，該方法已很少使用。固液分離法是采用物理或化學的方式達到固液分離的目的，可減少運輸和棄置費用，但試劑成本和設備投入及運維費用較高，且分離效果有限，使用局限性較大[5-6]。土地耕作處理法是將泥漿直接拋灑在土體中，采用耕作的方式自然處理，這種方法比較簡單，費用不高，缺點是泥漿中的有害成分可能造成環(huán)境污染，甚至破壞耕地[7]。化學固化法是采用固化劑對泥漿進行固化處理[8]，使其達到一定強度，方便進行運輸、填埋等處理，此法還可對泥漿中的砂礫、黏土等資源進行回收再利用，比如用于路基填料等[9]，因此是目前最有推廣和研究價值的一種泥漿處理方式。雖然已有一些關于河道淤泥、油田鉆井泥漿的固化及應用研究[10-11]，但針對公路沿線廢棄泥漿回收利用的研究較少，且目前的泥漿處理工藝也存在一定缺陷，而公路建設行業(yè)生態(tài)建設、資源回收再利用已成為亟需解決的問題，因此，有必要開展公路沿線廢棄泥漿綜合處理治理技術研究，并對廢棄泥漿資源進行回收和加以利用。

響應國家“資源節(jié)約、生態(tài)環(huán)保、節(jié)能高效的綠色公路建設”要求，本文針對初步脫水后的廢棄泥漿采用無機固化法對其進行處理，采用水泥作為固化劑對廢棄泥漿進行固化，以改善廢棄泥漿的工程性能，從而實現對公路施工廢棄泥漿的處理和資源化利用。

1 廢棄泥漿的物理學性質

泥漿試樣為廣州某依托工程產生的廢棄泥漿，經機械脫水工藝處理后的泥漿。該廢棄泥漿主要由水和粘土組成，同時含有少量的鉆渣、細砂和添加劑等物質，含水率較高，呈現很大的流動性。按照JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》的試驗方法，對廢棄泥漿進行了基本的物理學性質測試分析。通過含水率測定得知，脫水后泥漿含水率約為95%。說明廢棄泥漿形成的膠體穩(wěn)定性較好，脫水處理后，其含水率依然較高，常規(guī)物理方法難以處理施工廢棄泥漿。同時還對脫水處理后的泥漿進行了一系列的性能指標測試，如顆粒特征、最大干密度、最佳含水率、塑限、液限等。

1.1 顆粒特征

采用篩分法對烘干后的脫水泥漿進行篩分試驗，了解泥漿的顆粒特征，級配篩分結果如表1所示。

表1 廢棄泥漿的顆粒篩分結果

從表1可以看出，公路施工廢棄泥漿的粒徑分布主要在0 mm～2 mm之間，其中93%以上的粒徑小于0.5 mm，屬于細粒土。

1.2 擊實性能

采用重型擊實法對泥漿進行擊實試驗，以測試泥漿的最大干密度和最佳含水率。由于脫水泥漿含水率太高，試驗前先將脫水泥漿進行烘干處理，然后通過外加水分的方法來準確獲取不同含水率的泥漿試樣，如圖1所示。將試驗結果繪成含水率和最大干密度的關系曲線，如圖2所示。

圖1 泥漿試件

圖2 含水率與干密度關系曲線

由圖2可知，脫水廢棄泥漿的最大干密度為1.72 g/cm3，最佳含水率為20.4%。

1.3 液限和塑限

液限和塑限是路基填土的重要物理特性指標，其值直接影響土基承載能力。本文采用液塑限聯合測定儀測試廢棄泥漿的液、塑限，采用的試錐質量為100 g，試驗結果如表2所示。

表2 液限塑限聯合測定試驗結果

將表2結果按照JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》中“T0118-2007液限和塑限聯合測定法”的方法，處理得到泥漿的塑性指數，結果如表3所示。

表3 泥漿的塑性指數結果

由表3可知，廢棄泥漿的塑性指數為17.4，相對較高。塑性指數高的材料，吸水性強，體積膨脹率大，會對其路用性能造成較大的影響，需選用合適的固化劑對其進行固化處理，以達到路用性能的要求[12]，本文擬采用水泥作為固化劑對其進行固化處理。

2 廢棄泥漿水泥固化機理分析

水泥摻入泥漿后，會與泥漿中的水和粘土等物質發(fā)生一系列復雜的物理化學反應，主要為離子交換反應、硬凝反應和碳酸化反應[13]，最終形成水泥骨架，提高泥漿的穩(wěn)定性和強度，起到改善土體工程性能的作用。

2.1 離子交換

在水化過程中，水泥與水反應會生成Ca(OH)2，其中含有大量Ca2+離子，這些Ca2+離子會吸附在土粒表面形成一層薄膜。土顆粒和水會形成膠體體系，此時土體中的Na+、K+等陽離子會與前面所提的Ca2+離子進行交換，使得Ca2+離子形成的薄膜厚度降低，這增強了土體顆粒的粘聚性[9]。粘聚性增強后，各個分散的土體顆粒就能黏聚在一起形成土團粒，結果使土體空隙率降低，從而提高土體的強度。前面所生成的土凝膠粒子因為是土顆粒之間分子作用而相互吸附，形成很大的表面能，這不僅可鏈接各個較大的土團粒，還可降低各土團之間的空隙，從而大大提高固化土的強度[14]。

2.2 硬凝反應

離子交換反應中所產生的Ca2+離子含量很高，隨著水化反應的進行，液相中離解出的Ca2+離子會遠遠超出離子交換所需要的量，由于整個過程均在堿性環(huán)境中進行，因此多出來的Ca2+離子會與土體中的礦物成分發(fā)生化學反應，產生不溶于水的結晶化合物。

新生成的化合物會在水中逐漸硬化，該化合物結構也會隨著硬化過程變得更加致密，從而能提高固化土的強度和水穩(wěn)定性。

2.3 碳酸化反應

碳酸化反應主要是液相中的Ca(OH)2與二氧化碳發(fā)生反應，生成不溶于水的碳酸鈣，能填充土體顆粒間的空隙，以降低土顆粒的分散度，從而增強泥漿強度和穩(wěn)定性[15]。由于Ca(OH)2含量較高，使得整個水化反應都是在堿性環(huán)境下進行。在高pH值的環(huán)境下，Pb、Cu、Zn、Cd、Ce等重金屬離子都能形成不溶性的氫氧化物或碳酸鹽，產生的物質會因團粒化作用被固定在土體中，且因固化土的高抗?jié)B透性而不會流失出去，這在實際工程應用能起到很好的環(huán)境保護作用。

3 廢棄泥漿固化效果研究

經過上述分析可知，水泥能有效地提高泥漿的強度和穩(wěn)定性。本文分別采用摻量為5%、8%、11%、14%的水泥對脫水廢棄泥漿進行固化處理，并以無側限抗壓強度和含水率為指標對固化效果進行分析。

3.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度試件成型方法參考JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中的試驗方法進行，采用的模具為100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具，試件成型1 d后脫模，并移至標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至規(guī)定的天數，如圖3所示。

圖3 養(yǎng)護中的試件

分別測試不同水泥摻量的試件養(yǎng)護7 d、14 d、28 d后的無側限抗壓強度，測試結果如表4所示，并將測試結果繪成固化泥漿的無側限抗壓強度與水泥摻量的關系曲線，如圖4所示。

由表4和圖4可知，隨著水泥摻量的增加，固化泥漿的7 d、14 d和28 d齡期無側限抗壓強度逐漸增大，且增長速率也逐漸加快。以14 d齡期為例，水泥的摻量從5%增加至14%，固化泥漿的無側限抗壓強度提高了3倍多，當摻量為14%時，固化泥漿強度達到1.08 MPa。在相同的水泥摻量條件下，固化泥漿的無側限抗壓強度也隨著齡期的增長而增大，呈先快后慢的趨勢。

表4 水泥固化泥漿的無側限抗壓強度

圖4 抗壓強度與水泥摻量的關系

3.2 含水率

采用烘干法對固化后的泥漿進行含水率測試，測試結果如表5所示，得到水泥摻量與含水率的關系變化曲線，如圖5所示。

表5 水泥固化泥漿的含水率

圖5 含水率與水泥摻量的關系

由表5和圖5可知，固化泥漿含水率隨著水泥摻量的增加逐漸降低，基本呈線性下降趨勢。以7 d齡期為例，水泥摻量為14%時，固化泥漿的含水率降至29.2%，這表明水泥作為固化劑有很好的降低廢棄泥漿含水率的效果。

綜上試驗結果表明，用水泥作為固化劑可大幅提高廢棄泥漿的強度，且有效降低廢棄泥漿的含水率，能較好地改善廢棄泥漿的工程力學性能。

4 固化泥漿路用性能分析

采用水泥對廢棄泥漿進行了固化處理，試驗表明水泥作為固化劑有著較好的泥漿固化效果，擬將固化處理后的泥漿用作路基填料應用，并對固化泥漿的擊實性能和承載比進行了試驗分析。

4.1 固化泥漿的擊實性能分析

本試驗以14 d齡期固化泥漿作為擊實材料，根據JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》中的步驟進行試驗：1) 將固化泥漿破碎成小塊并烘干，再用2 mm篩孔篩分；2) 將篩選好的土樣保存在密封且干燥的容器中；3) 每份試樣重約4.5 kg，一共制作5份試樣；4) 在每份中加入一定質量的蒸餾水，使試樣的含水率從20%逐步增加至28%，間隔為2%；5) 由于泥漿中可能存在未完全反應的材料，需在試樣制備完成后1 h內完成擊實試驗。試驗結果如圖6所示。

圖6 水泥固化泥漿的擊實性能

由圖6可知，隨著水泥摻量的增加，固化泥漿的最大干密度逐漸減小，最佳含水率逐漸增大。當水泥摻量從5%增加到14%，其對應的最佳含水率由22.9%上升至25.5%，最大干密度從1.65 g/m3減小至1.54 g/m3。由前文可知，當水泥摻量為14%時，固化泥漿14 d齡期的含水率為26.8%，與最佳含水率相近，因此，此時將其進行碾壓填筑可得到較好的壓實度。

4.2 固化泥漿的承載比試驗

盡管水泥固化劑可有效提高泥漿的強度，但固化后的泥漿是否能夠作為路基填料使用，還需通過加州承載比(CBR)試驗來驗證。以14 d齡期的固化泥漿試樣為原料進行了承載比試驗，試驗結果如表6所示。

表6 CBR試驗結果

由表6可知，隨著水泥摻量的增加，固化泥漿的CBR值逐漸增加，當水泥摻量為14%時，固化泥漿14 d齡期的CBR值達到7.5%。根據JTG F10—2006《公路路基施工技術規(guī)范》所規(guī)定的路基填料最小強度要求，此材料可滿足二級及以下等級公路任何層位路基填料的路用性能要求。同時，水泥摻量為14%的固化泥漿在其養(yǎng)護齡期為14 d時，其含水率剛好也在最佳含水率附近，故可考慮直接將水泥摻量為14%的固化泥漿作為路基填料使用。

5 結論

針對公路橋梁樁基鉆孔施工產生的高含水率廢棄泥漿進行了固化試驗，以水泥作為固化劑對其進行固化處理，并對固化產物的無側限抗壓強度、含水率、擊實性能和加州承載比進行了試驗分析，得出了以下結論：

1) 水泥對廢棄泥漿有著良好的固化效果，能大幅提升廢棄泥漿的強度和穩(wěn)定性。

2) 由含水率試驗和擊實試驗可知，固化泥漿的最佳含水率隨著水泥摻量的增加而增大，最大干密度隨水泥摻量的增加而減小；含水率隨著水泥摻量增加而減小，隨著養(yǎng)護齡期的增加而減小。

3) 由固化泥漿的擊實試驗和承載比試驗可知，當水泥摻量為14%時，固化泥漿14 d齡期的含水率(26.8%)在其最佳含水率(25.5%)附近，且其承載比符合二級及以下等級公路對路基填料的使用要求，因此，可考慮直接將水泥摻量為14%的固化泥漿作為路基填料使用。

4) 該固化技術可將施工現場的廢棄泥漿直接轉變?yōu)槁坊盍鲜褂茫冉鉀Q了廢棄泥漿占地問題和相關的環(huán)境保護難題，又實現了廢棄泥漿資源的二次開發(fā)利用，變廢為寶，具有良好經濟和社會效益。