工業(yè)廢渣改良泥水盾構(gòu)渣土的路用性能試驗(yàn)研究

摘要：為實(shí)現(xiàn)泥水盾構(gòu)廢棄渣土的資源化利用，在石灰這一傳統(tǒng)改良材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)摻入堿渣、脫硫石膏等工業(yè)廢渣，以期將盾構(gòu)渣土改良為路基填料。通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)以及微觀試驗(yàn)，研究石灰-堿渣、石灰-脫硫石膏改良盾構(gòu)渣土的力學(xué)性能及其浸水穩(wěn)定性與耐久性，并分析其改良機(jī)理。結(jié)果表明：摻入改良材料后，渣土的力學(xué)性能得到很大改善，水穩(wěn)性與耐久性也大幅提高，具有較好的路用力學(xué)性能，其中石灰-脫硫石膏組的整體水穩(wěn)性與耐久性優(yōu)于石灰-堿渣組。干濕循環(huán)過(guò)程中，摻入3%脫硫石膏的試樣耐久性相對(duì)較好，在循環(huán)期間僅出現(xiàn)細(xì)小裂縫并未貫穿試樣。經(jīng)過(guò)石灰與脫硫石膏等復(fù)合改良后，盾構(gòu)渣土具有良好的路用力學(xué)性能，可以作為路基填筑材料使用。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)渣土；工業(yè)廢渣；力學(xué)性能；干濕循環(huán)；微觀機(jī)理

中圖分類號(hào)：U416.1 """"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"文章編號(hào)：2096-6717（2025）02-0066-10

Road performance investigation of slurry shield tunnel residue improved by industrial waste residues

GUO Qinying¹，"LI Baiyun²，"DING Jianwen¹，"CHEN Jiangang²，"SUN Shuai¹，MA Yunlong²

（1. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， P. R. China；"2. Foshan Transportat Sci amp; Technol Co. Ltd.， Foshan 528000， Guangdong， P. R. China）

Abstract： This study is carried out to investigate the resource utilization of mud water shield residue. Industrial waste residues such as alkali slag and desulfurization gypsum are reasonably used to be combined with the traditional lime， in order to convert waste mud into qualified roadbed filling materials. Through the laboratory compaction tests， CBR tests， unconfined compressive strength tests， wetting-drying cycle tests and microscopic tests， the mechanical properties， immersion stability and durability of shield tunnel residue improved by lime-alkali slag and lime-desulfurization gypsum were studied， and the improvement mechanism was analyzed. The test results show that the mechanical properties of the soil were improved significantly after compound improvement. The water stability and durability were also greatly improved， with better mechanical properties for road use. Among them， the overall water stability performance and durability of the lime-desulfurization gypsum groups were better than the lime-alkali slag groups. During the wetting-drying cycles， the durability of the specimens mixed with 3% desulfurization gypsum was better， with only small cracks not penetrating the specimens during the cycles. The study shows that the shield tunnel residue has good mechanical properties after compound improvement of lime and desulfurization gypsum， and can be used as roadbed filling materials.

Keywords： shield tunnel residue；"industrial waste residues；"mechanical properties；"wetting-drying cycle；"microscopic mechanism

近年來(lái)，隨著城軌交通的迅猛發(fā)展，泥水平衡盾構(gòu)法憑借其安全高效的優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于隧道工程建設(shè)中^[1]。但盾構(gòu)施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢棄余泥渣土，由于存在工程性能差、外運(yùn)成本高等問(wèn)題，這些工程渣土大多未得到有效利用就直接消納棄置處理，造成了渣土資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)保問(wèn)題，因此，工程渣土減量化處理及資源化利用迫在眉睫^[2]。同時(shí)，伴隨著公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，路基填筑材料需求量巨大^[3]，如能將工程廢棄渣土改良用作路基填筑材料，對(duì)于有效降低建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)渣土的資源化利用具有重要意義。

目前，渣土的資源化利用途徑主要包括：用作掘進(jìn)泥漿或壁后注漿材料，制備燒結(jié)磚、高強(qiáng)陶粒及新型墻體材料，道路基礎(chǔ)鋪墊等^[4-5]。在盾構(gòu)開挖過(guò)程中，為了保證掘進(jìn)順利，一般會(huì)向土體中摻入泡沫、膨潤(rùn)土、高分子聚合物等改性劑來(lái)提高流塑性，故相較于直接開挖土，盾構(gòu)渣土具有較高的液限，需要經(jīng)過(guò)改良處理才能用于道路基礎(chǔ)鋪筑。其中，一般處理方法以物理改良為主，通過(guò)摻砂、脫水干化等方式降低盾構(gòu)渣土的液限^[6-7]，使其滿足路用性能要求；但由于缺乏晾曬場(chǎng)地和砂石等原料成本較高，不利于其大規(guī)模工程應(yīng)用。此外，對(duì)于初始含水率較高的不良路基填料，工程上也常進(jìn)行摻灰處理^[8-10]，通過(guò)摻入石灰降低路基填料的含水率，減小膨脹變形，使其路用性能滿足規(guī)范要求，但單摻石灰成本高且對(duì)改良土的水穩(wěn)性提升作用不佳^[11]。針對(duì)盾構(gòu)渣土處理方式單一且難以大規(guī)模應(yīng)用的現(xiàn)狀，參考現(xiàn)有的關(guān)于土體化學(xué)改良方法，將工業(yè)廢渣，如電石渣^[12]、稻殼灰^[13]、礦渣^[14]等運(yùn)用到渣土改良中，開展石灰與工業(yè)廢渣復(fù)合改良盾構(gòu)渣土的試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)固廢的再生利用，同時(shí)為改良盾構(gòu)渣土在路基填筑中的大規(guī)模運(yùn)用提供參考。

基于此，依托佛山市季華路西延線成套工程關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)佛山地鐵中山公園站盾構(gòu)渣土性質(zhì)以及當(dāng)?shù)毓I(yè)固廢堆存情況，在石灰這一傳統(tǒng)改良材料的基礎(chǔ)上，利用堿渣、脫硫石膏等工業(yè)廢渣進(jìn)行復(fù)合改良。選用6組不同配比，開展室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)以及微觀試驗(yàn)，驗(yàn)證改良配比的可行性，為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)路基鋪筑提供室內(nèi)研究基礎(chǔ)和工程指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為佛山地鐵中山公園段隧道開挖產(chǎn)生的渣土，渣土原貌如圖1所示。渣土的顆粒分布曲線如圖2所示，渣土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，土樣的粗粒含量為57.1%，粉粒含量為27.8%，黏粒含量為15.1%。

盾構(gòu)渣土中含有以膨潤(rùn)土為主的改性劑，在實(shí)際施工過(guò)程中，膨潤(rùn)土泥漿濃度為10%，注入比控制在15%左右。膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，層與層之間通過(guò)分子間力聯(lián)結(jié)，層間結(jié)構(gòu)松散，極易與水分子結(jié)合，吸水能力強(qiáng)^[15]。因此，渣土的液限較高，無(wú)法直接利用，需要經(jīng)過(guò)改良處理之后才能用作路基填筑材料。

生石灰、堿渣及脫硫石膏取自施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)X射線熒光光譜分析（XRF），得出盾構(gòu)渣土及改良材料的主要氧化物成分，如表2所示。X射線衍射圖譜如圖3所示，可以看出，渣土的主要物相成分為SiO₂及少量的CaCO₃、Al₂O₃、Fe₂O₃；堿渣中含大量的CaCO₃以及少量的CaSO₄，為渣土改良提供了堿性條件；脫硫石膏則為后續(xù)的反應(yīng)提供大量的SO₄^2-。

1.2 試驗(yàn)方法

現(xiàn)有研究表明，當(dāng)塑性指數(shù)較大時(shí)，石灰摻量可控制在3%～9%之間^[16-17]，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮廣東佛山地區(qū)周邊工業(yè)固廢堆存情況，利用堿渣、脫硫石膏進(jìn)行復(fù)合改良，設(shè)計(jì)試驗(yàn)配比如表3所示。

將現(xiàn)場(chǎng)取回的渣土風(fēng)干并過(guò)2 mm的土工篩，按照預(yù)設(shè)配比采用干土法進(jìn)行試驗(yàn)。重型Ⅱ-2擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)均根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）^[18]中的試驗(yàn)方法開展。

重型Ⅱ-2擊實(shí)試驗(yàn)中，每組配比制備5個(gè)不同含水率的試樣，按2%含水率遞增，根據(jù)擊實(shí)曲線得出素土及各配比試樣的最佳含水率與最大干密度。按照96%的壓實(shí)度及最佳含水率計(jì)算CBR試驗(yàn)用料，試驗(yàn)前一天備料并悶料一晝夜后，按重Ⅱ-2 型擊實(shí)試驗(yàn)流程進(jìn)行擊實(shí)制樣，每組制備3個(gè)平行樣，浸水4 d后測(cè)量其膨脹量變化并進(jìn)行貫入試驗(yàn)。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)選定試樣尺寸為Φ50 mm×50 mm的圓柱體，按照擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度、最佳含水率并控制96%壓實(shí)度計(jì)算試樣用量。試樣采用靜壓成型法，每組試樣每個(gè)齡期制備6個(gè)平行樣，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為7、14、28、60 d。達(dá)到對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)齡期的前一天，取出3個(gè)平行試樣，浸水24 h后與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣一同進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將同一齡期浸水試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值的比值K作為衡量改良材料水穩(wěn)性的參考依據(jù)。

為了進(jìn)一步探究改良土體的耐久性能，參考已知同類研究進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)^[19-20]。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，對(duì)試樣進(jìn)行稱重、編號(hào)，測(cè)量其初始直徑與高度，將試樣放入烘箱中烘16 h，取出拍照并測(cè)量其尺寸與質(zhì)量的變化，待試樣冷卻后，放入水箱中，緩慢注水直至沒過(guò)試樣頂面，浸泡8 h，此為一次干濕循環(huán)，重復(fù)5次，完成5級(jí)干濕循環(huán)。

最后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的試樣中取1 cm³土樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)（SEM）以及X射線衍射試驗(yàn)（XRD），觀察其微觀結(jié)構(gòu)，分析其改良機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 擊實(shí)特性

不同配比下改良土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，可以看出，在盾構(gòu)渣土中加入改良材料后，最佳含水率顯著升高，最大干密度顯著降低。這是因?yàn)槭?、堿渣、脫硫石膏均為電解質(zhì)材料，在反應(yīng)初期，迅速電離出高價(jià)陽(yáng)離子，并與土顆粒周圍的低價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生離子交換作用，增加了土顆粒間的結(jié)合能力，形成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，阻止水分進(jìn)入內(nèi)部，使得改良土的最佳含水率顯著增加；改良材料的相對(duì)密度小于盾構(gòu)渣土，從而導(dǎo)致最大干密度下降^[21]。

2.2 CBR值

加州承載比CBR值是評(píng)定路基承載能力的主要指標(biāo)，反映了路基抵抗局部剪切破壞的能力。各組配比的膨脹量與CBR值如圖4所示，其中，素土試樣的CBR值和膨脹量分別為8.1%、3.0%；石灰-堿渣組對(duì)應(yīng)的CBR值為135.3%、137.4%、147.7%；石灰-脫硫石膏組的CBR值分別為137.4%、141.4%、125.8%。對(duì)比素土8.1%的CBR值可以看出，改良土的CBR值分別是素土的16.7、17.0、18.2、17.0、17.5、15.5倍，有了明顯提升。CBR強(qiáng)度的提升主要來(lái)自于火山灰反應(yīng)產(chǎn)物水化硅酸鈣（C-S-H）與水化鋁酸鈣（C-A-H）^[22]，反應(yīng)方程式如式（1）～式（3）所示，這些膠凝物質(zhì)填充了土體空隙，提高了顆粒間的聯(lián)結(jié)能力，形成了致密的土體結(jié)構(gòu)，使各組改良土的局部抗剪切破壞能力得到了極大改善。

當(dāng)石灰摻量一定時(shí)，隨著堿渣摻量的增加，改良土的CBR值持續(xù)增加，而膨脹量則維持在0.30%～0.35%之間，總體而言變化不大。說(shuō)明適當(dāng)提高堿渣摻量有助于提高土體的CBR強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)于膨脹量的影響較小。而隨著脫硫石膏摻量的增加，改良土的CBR值略有降低，膨脹量則持續(xù)增加。這是因?yàn)樯沂旎a(chǎn)生大量的Ca（OH）₂膠體，Ca（OH）₂與土體中的活性Al₂O₃以及脫硫石膏中的SO₄^2-反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣（即鈣礬石AFt），反應(yīng)方程式如式（4）所示。鈣礬石填充了顆粒間的空隙，使得CBR強(qiáng)度有所提高，且鈣礬石的生成量隨著脫硫石膏摻量的增加而不斷增加。由于鈣礬石具有一定的膨脹性，能夠吸收大量的水分子，增大顆粒間的排斥作用^[23]，從而導(dǎo)致石灰-脫硫石膏改良土的膨脹量不斷增大。隨著膨脹量的持續(xù)增加，改良土中已有膠結(jié)被破壞，微觀結(jié)構(gòu)劣化，并最終導(dǎo)致強(qiáng)度降低?？傮w而言，各組配比的膨脹量均在0.5%以內(nèi)，可見改良土的膨脹趨勢(shì)不強(qiáng)^[24]。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖5表示各組配比無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度q_u隨齡期變化的關(guān)系?？梢钥闯?，摻入改良材料后土體的力學(xué)性能得到較大改善，其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可由初始的0.44 MPa提升至1.7 MPa以上。同一齡期下，改良土的q_u隨著堿渣、脫硫石膏摻量的增加而增大；同一配比下，改良土的q_u隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大；7 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，各個(gè)配比的q_u排序?yàn)镈3gt;D2gt;C3gt;D1=C2gt;C1，結(jié)合各配比的總摻量可知，在相同摻量甚至更低摻量條件下，脫硫石膏就可達(dá)到與堿渣相同甚至優(yōu)于堿渣的改良效果；7～28 d齡期間，石灰-堿渣組的q_u大幅增加，石灰-脫硫石膏組的增長(zhǎng)則較為緩慢，28 d齡期后，兩組增速均逐步減緩。這是由于與堿渣相比，脫硫石膏中含有大量的硫酸鈣，在反應(yīng)初期，大量的硫酸鈣迅速與火山灰反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)合，生成鈣礬石，填充土顆粒間的空隙，提高土體強(qiáng)度；隨著硫酸根離子的消耗與體系pH值的降低，且一部分AFt（高硫型水化硫鋁酸鈣）轉(zhuǎn)化為亞穩(wěn)平衡水化物AFm（單硫型水化硫鋁酸鈣），導(dǎo)致強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯降低。相比之下，石灰與堿渣的組合則提供了強(qiáng)堿性環(huán)境，可以不斷促進(jìn)渣土中活性硅離子與鋁離子的溶出，火山灰反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，土體聚合形成骨架，同時(shí)吸附軟土小顆粒，形成較大的凝膠團(tuán)，使得土體強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

圖6為浸水前后q_u對(duì)比圖，可以看出，浸水后各組試樣的q_u明顯下降，且隨著齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度損失逐漸減小。各組配比的水穩(wěn)系數(shù)K隨齡期變化的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，28 d齡期內(nèi)，各組試樣的水穩(wěn)系數(shù)隨著齡期的增加迅速增長(zhǎng)，之后趨于平緩。對(duì)比各配比水穩(wěn)系數(shù)可知，在石灰摻量一定的情況下，改良土的水穩(wěn)性隨著堿渣、脫硫石膏摻量的增加而增大。當(dāng)堿渣摻量由3%增至4%時(shí)，改良土的水穩(wěn)系數(shù)增長(zhǎng)緩慢，而當(dāng)堿渣摻量增至6%時(shí)，試樣的水穩(wěn)性顯著提高，養(yǎng)護(hù)27 d、浸水1 d后的水穩(wěn)系數(shù)達(dá)到0.67。同時(shí)，當(dāng)脫硫石膏摻量由1%增至3%時(shí)，28 d齡期內(nèi)試樣的水穩(wěn)系數(shù)顯著提高，養(yǎng)護(hù)27 d，浸水1 d后的水穩(wěn)系數(shù)從0.62提高至0.70，增幅達(dá)到12.9%，當(dāng)脫硫石膏摻量從3%增至5%時(shí)，水穩(wěn)系數(shù)增幅為8.6%，改良土的水穩(wěn)性進(jìn)一步提高。此外，D1組的水穩(wěn)系數(shù)曲線位于C1、C2組上方，D2、D3組的水穩(wěn)曲線均位于C3組上方，說(shuō)明在各個(gè)對(duì)應(yīng)齡期內(nèi)D1組的水穩(wěn)性均優(yōu)于C1、C2組，D2、D3組的水穩(wěn)性均優(yōu)于C3組，進(jìn)一步說(shuō)明在同等摻量甚至更少摻量的情況下石灰-脫硫石膏組便可達(dá)到更優(yōu)的水穩(wěn)性。各組配比均可滿足規(guī)范規(guī)定的高速、一級(jí)公路的底基層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求（石灰穩(wěn)定材料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.8 MPa），說(shuō)明上述改良材料與土體之間的離子交換以及火山灰反應(yīng)能夠有效促進(jìn)試樣內(nèi)部形成較為穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)一步提升改良土抵抗侵蝕破壞的能力。

2.4 干濕循環(huán)

佛山市地處東南沿海，夏季氣溫高，且時(shí)常遭受臺(tái)風(fēng)暴雨侵襲，在降水與蒸發(fā)的季節(jié)性作用下，道路路基長(zhǎng)期處于飽和與非飽和交替的環(huán)境中^[25]，因此，需要考慮多次干濕交替對(duì)路基填料強(qiáng)度的影響。結(jié)合CBR試驗(yàn)結(jié)果及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，選取C3（3%石灰+6%堿渣）和D2（3%石灰+ 3%脫硫石膏）兩個(gè)配比進(jìn)行干濕循環(huán)測(cè)試。

圖8為28 d齡期時(shí)兩個(gè)配比5級(jí)循環(huán)后的表觀狀態(tài)，由圖8可見，在循環(huán)過(guò)程中，試樣底面均出現(xiàn)剝落；在第1次干濕循環(huán)后，摻6%堿渣的試樣整體出現(xiàn)明顯裂縫，隨著循環(huán)級(jí)數(shù)不斷增加，表面裂縫擴(kuò)大并逐漸延伸貫穿至整體，而摻3%脫硫石膏的試樣則表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，循環(huán)期間僅出現(xiàn)細(xì)小裂縫且未貫穿試樣表面。

圖9為每級(jí)循環(huán)結(jié)束后試樣高度與質(zhì)量損失率的變化，第1～3級(jí)循環(huán)時(shí)，質(zhì)量損失率增加幅度較大，隨后緩慢增加，5級(jí)干濕循環(huán)后C3組、D2組的質(zhì)量損失率分別為3.76%、2.63%；在進(jìn)行循環(huán)的過(guò)程中，試樣高度變化量持續(xù)增大，結(jié)合試樣表觀形態(tài)可知，隨著循環(huán)不斷進(jìn)行，試樣劣化，浸水后剝落顆粒變多并最終導(dǎo)致高度降低。

在干濕循環(huán)作用下，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖10所示，從圖10中可以看出，28 d齡期時(shí)試樣的q_u隨著干濕循環(huán)級(jí)數(shù)的增加而降低。1級(jí)干濕循環(huán)作用下，改良土強(qiáng)度大幅度下降，相較于同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的試樣（Control Group，圖中以CG表示），C組和D組強(qiáng)度分別降低了46.27 %和31.95%；3級(jí)干濕循環(huán)后，q_u進(jìn)一步下降，降幅達(dá)到65.32%、59.16%，5級(jí)循環(huán)結(jié)束后，降幅則達(dá)到73.30%、69.31%。總體來(lái)說(shuō)，3%石灰+3%脫硫石膏組的耐久性能優(yōu)于3%石灰+6%堿渣組。分析其原因，干濕循環(huán)作用使得水分在試樣內(nèi)反復(fù)浸入和蒸出，雖然在干燥的過(guò)程中烘干溫度的變化能夠促進(jìn)水化反應(yīng)，增加水化產(chǎn)物，提高膠結(jié)能力，但與此同時(shí)，試樣內(nèi)外含水率的差異也會(huì)使試樣表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，此時(shí)，顆粒間的膠結(jié)作用不足以抵抗拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂隙^[25]。隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的增加，微裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，從而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，土體的強(qiáng)度降低。相較于C3組，D2組水化產(chǎn)物生成量更高，填充了孔隙，密實(shí)了土體，因此，D2組產(chǎn)生裂縫較少，耐久性能優(yōu)于C3組。

3 微觀試驗(yàn)結(jié)果與改良機(jī)理

3.1 微觀試驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步研究石灰、堿渣、脫硫石膏改良盾構(gòu)渣土的微觀機(jī)理，取C3與D2配比的28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)（SEM）以及X射線衍射試驗(yàn)（XRD）。

圖11為不同放大倍數(shù)下素土與改良土的掃描電鏡圖，對(duì)比圖11（a）～（c）可以看出，素土顆粒間存在較大空隙，顆粒間的聯(lián)結(jié)較弱，宏觀表現(xiàn)為素土試樣強(qiáng)度較低，且浸泡后水分滲透迅速，土顆粒易崩解散落。當(dāng)摻入改良材料后，改良土的微觀形貌更為致密，顆粒間的空隙被填充，聯(lián)結(jié)能力提高，宏觀表現(xiàn)為土體的抗壓強(qiáng)度與水穩(wěn)性大幅提高。

從圖11（d）～（e）可以看出，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)后，生成的水化產(chǎn)物主要有圓形粒子狀C-S-H凝膠，片狀的AFm以及針棒狀的AFt^[26]，這些膠凝物質(zhì)堆積形成一些大塊的無(wú)定形凝膠，包裹住黏粒及大直徑晶體，從而形成致密的結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其中，石灰-脫硫石膏組中存在大量的無(wú)定形凝膠，相較于石灰-堿渣組，空隙較小，整體更為密實(shí)。

圖12為兩組改良材料28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的XRD衍射圖，在衍射圖譜中，鈣礬石在低衍射角度有尖銳的衍射峰，因此，為了更好識(shí)別鈣礬石等水化產(chǎn)物，探究鈣礬石生成量對(duì)兩組改良材料穩(wěn)定性的影響，圖12中截取了低衍射角度（5°～25°）的XRD衍射圖進(jìn)行進(jìn)一步分析。可以看出，在低衍射角度中，試樣的主要物相有石英（SiO₂）、鈣礬石（AFt）、氧化鋁（Al₂O₃）、石膏（Gyp）、碳酸鈣（CaCO₃），且較C3組而言，D2組的AFt衍射峰更高更窄，說(shuō)明D2組生成了更多的AFt填充空隙，使得其耐久性及水穩(wěn)性優(yōu)于C3組。

3.2 改良機(jī)理分析

根據(jù)SEM掃描電鏡的結(jié)果可以看出，C3組與D2組改良土經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后生成的物質(zhì)大致相同，主要為C-S-H、C-A-H、AFt和AFm等，其與盾構(gòu)渣土的反應(yīng)主要包括以下幾個(gè)方面，微觀機(jī)理如圖13所示。

1）生石灰消化反應(yīng)。CaO與水反應(yīng)生成Ca（OH）₂，見式（1），為后續(xù)反應(yīng)的發(fā)生提供了堿性環(huán)境，激發(fā)黏土顆粒不斷溶解出活性氧化鋁與氧化硅，同時(shí)釋放大量水化熱，促進(jìn)反應(yīng)朝正向進(jìn)行。

2）離子交換與絮凝作用。石灰、堿渣、脫硫石膏均為電解質(zhì)材料，電離出的二價(jià)陽(yáng)離子（Ca²⁺、Mg²⁺）容易置換出蒙脫石等黏土礦物顆粒表面吸附的一價(jià)陽(yáng)離子（K⁺、Na⁺）^[27]，使得黏土顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)被破壞，外電層中的弱結(jié)合水被釋放，參與到水化反應(yīng)中，使得外電層水膜變薄，如圖14所示^[28]。同時(shí)，離子交換使陽(yáng)離子價(jià)位提高，顆粒間的排斥作用減小，雙電層水膜進(jìn)一步減薄，產(chǎn)生絮凝作用^[28]，從而增加土顆粒間的結(jié)合力，形成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，達(dá)到良好的改良效果。

3）膠結(jié)作用。改良材料中的Ca（OH）₂、CaSO₄與黏性土中的活性SiO₂、Al₂O₃等發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成C-S-H、C-A-H和AFt等膠凝物質(zhì)，見式（2）～式（4），當(dāng)CaSO₄不足時(shí)，一部分AFt將轉(zhuǎn)化為AFm，見式（5），這些膠凝物質(zhì)具有水硬性，能在水環(huán)境下發(fā)生硬化，降低改良土的滲透性，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將土顆粒更好地聯(lián)結(jié)在一起，增加改良土體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

4）碳化作用。土體中的Ca（OH）₂與空氣中的二氧化碳發(fā)生碳化作用，形成具有微結(jié)晶性的鈣-碳黏結(jié)物質(zhì)，進(jìn)一步提高土體的密實(shí)度，但碳化作用比較漫長(zhǎng)且大多發(fā)生在試樣表面。

3.3 討論

兩組改良土的強(qiáng)度增長(zhǎng)主要來(lái)源于離子交換反應(yīng)和膠結(jié)作用，但在不同的養(yǎng)護(hù)齡期，反應(yīng)的側(cè)重點(diǎn)卻略有不同。在反應(yīng)初期，改良材料電離出大量的Ca²⁺與黏土顆粒周圍的低價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生離子交換與絮凝作用，形成早期強(qiáng)度；隨著齡期的增長(zhǎng)，火山灰反應(yīng)不斷進(jìn)行，生成大量膠凝產(chǎn)物，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保證了強(qiáng)度的增長(zhǎng)及穩(wěn)定，在這個(gè)過(guò)程中，與堿渣相比，脫硫石膏中SO₄^2-含量更高，生成更多的AFt填充空隙，因此，D2組（石灰-脫硫石膏組）前期的q_u大于C3組（石灰-堿渣組）；反應(yīng)后期，火山灰反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，C組q_u不斷增長(zhǎng)，而脫硫石膏難以為火山灰反應(yīng)提供必要的堿性環(huán)境，導(dǎo)致D組后期q_u增長(zhǎng)緩慢，兩組改良土的長(zhǎng)期強(qiáng)度接近并趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

以廣東佛山某泥水盾構(gòu)渣土為研究對(duì)象，開展利用工業(yè)廢渣改良渣土的室內(nèi)試驗(yàn)，研究石灰-堿渣、石灰-脫硫石膏復(fù)合改良盾構(gòu)渣土用作路基填料的可行性。主要結(jié)論如下：

1）摻入改良材料后，土體的力學(xué)性能得到了較大改善，各配比的CBR強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大幅提高；在相同甚至更低的摻量下，脫硫石膏便可達(dá)到與堿渣相同甚至優(yōu)于堿渣的改良效果。

2）改良材料大幅提高了土體的水穩(wěn)性能，水穩(wěn)系數(shù)隨著齡期及改良材料摻量的增加而逐步增長(zhǎng)；28 d齡期內(nèi)水穩(wěn)系數(shù)迅速增長(zhǎng)，后趨于平緩；當(dāng)堿渣摻量由4%增至6%、脫硫石膏摻量由1%增至3%時(shí)，水穩(wěn)系數(shù)明顯增加；石灰-脫硫石膏組的整體水穩(wěn)性優(yōu)于石灰-堿渣組。

3）干濕循環(huán)過(guò)程中，試樣底面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，在第1次干濕循環(huán)后，摻6%堿渣的試樣就出現(xiàn)明顯裂縫，隨后裂縫擴(kuò)大并貫穿至整體，而摻3%脫硫石膏的試樣耐久性相對(duì)較好，在循環(huán)期間僅出現(xiàn)細(xì)小裂縫且并未貫穿試樣表面。

4）室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)以及微觀試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)石灰與脫硫石膏等復(fù)合改良后，盾構(gòu)渣土具有良好的路用力學(xué)性能，可以作為良質(zhì)路基填筑材料。

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（編輯""王秀玲）