淺談淤泥固化技術(shù)在中新天津生態(tài)城中的應(yīng)用

劉 俊，蔣宏偉，程海波

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300457）

0 前言

城市的飛速發(fā)展隨之帶來的是環(huán)境污染、資源枯竭、交通擁擠、土地緊張。嚴峻的城市環(huán)境現(xiàn)狀迫使人們反思以往的城市建設(shè)模式和理念。2007年11月18日中新兩國總理簽署了兩國政府在中國天津建設(shè)生態(tài)城的框架協(xié)議。中新天津生態(tài)城是第一個國家間合作開發(fā)建設(shè)的生態(tài)城市。中新天津生態(tài)城項目的合作，展示了兩國應(yīng)對全球氣候變化、加強環(huán)境保護、資源與能源節(jié)約以及構(gòu)建和諧社會的決心。2008年9月28日，國務(wù)院總理溫家寶和新加坡國務(wù)資政吳作棟共同出席中新天津生態(tài)城開工儀式，并為生態(tài)城奠基。中新天津生態(tài)城的地質(zhì)特征為：軟土分布厚，地表承載力低；地下水位高，地表排水不暢；土質(zhì)鹽漬化，對混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴重腐蝕性；塑性指數(shù)高，土源干縮嚴重。在實際工程中面臨諸多問題，如：地基處理問題（沉降、承載力）；地下水侵蝕，場地排水問題；混凝土防腐問題；綠化排鹽問題；現(xiàn)場土源就地利用問題，等等。隨著國家乃至世界形勢的發(fā)展，提倡“發(fā)展綠色建材”的理念，堅持“可持續(xù)發(fā)展”的戰(zhàn)略方針，因而“淤泥固化技術(shù)”作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)固化淤泥用于道路建設(shè)的新型筑路技術(shù)，也越發(fā)顯得有價值。本文著眼于地基處理與現(xiàn)場土源就地利用問題，對淤泥固化技術(shù)的應(yīng)用進行相關(guān)的闡述、分析與總結(jié)。

1 淤泥及固化劑情況

1.1 淤泥

天津濱海新區(qū)瀕臨渤海，其淺層地質(zhì)屬第四紀海相為主的成因相類型。該地區(qū)土質(zhì)呈現(xiàn)典型的“三高三低”特性，即高含水量、高孔隙比、高壓縮性、低強度、低滲透性、低固結(jié)系數(shù)。同時，該地區(qū)軟土含鹽成分大，且沿地表以下深度及與海岸距離的不同，土體含鹽量分布也極不均勻，土體特性差異顯著，是典型的軟弱土，對道路沉降及穩(wěn)定影響較大。

中新天津生態(tài)城，位于天津濱海新區(qū)，實際還存在著大面積沼澤地。經(jīng)工程分類，現(xiàn)場土壤屬于粉質(zhì)粘土，其有機質(zhì)含量豐富，在半干燥狀態(tài)時土壤分子間吸引力大，導致粘滯性高而不易分散，全干燥時硬度大則分散更不易，沼澤區(qū)過渡飽和水，干密度約為2.0 g/cm3，飽和密度約為3.2 g/cm3，含水率達55%以上，污泥粒徑約0.001 5～0.05 mm，為鹽堿土壤。現(xiàn)場情況詳見圖1、圖2。

圖1 現(xiàn)場一

圖2 現(xiàn)場二

1.2 固化劑

鋼鐵產(chǎn)生過程中，平均生產(chǎn)1 t生鐵可產(chǎn)生約300 kg的高爐石，高爐石經(jīng)由水淬方式冷卻，再加以磨成細粉，稱“爐石粉”。爐石粉經(jīng)加工后生產(chǎn)而成的固化劑HSC301，對于固化軟基中的淤泥有著顯著的效果。故選用固化劑HSC301符合中新天津生態(tài)城環(huán)保節(jié)能節(jié)源的建設(shè)理念。

1.2.1 固化機理分析

固化劑HSC301為白色粉末狀無機材料，屬于礦渣硅酸鹽類固化劑,其主要成分為爐石粉、水泥及其它副添加料。其基本機理可以歸結(jié)為兩大部分：水的處理和土壤顆粒的膠結(jié)。

（1）水的處理：將游離水轉(zhuǎn)化為結(jié)晶水,利用生成高結(jié)晶水的物質(zhì)消耗土壤中的游離水分（見圖3）。研究表明，除“化合水”以外，毛細水、吸附水以及表面張力水都將影響土壤固化。

圖3 土壤中存在四類靜水

（2）土壤顆粒的膠結(jié)：利用自身形成粘結(jié)土粒的結(jié)構(gòu),即類似水化產(chǎn)物的“C-S-H膠體”,將土粒包裹鑲嵌在已經(jīng)形成的結(jié)構(gòu)中（見圖4）。相關(guān)主要化學反應(yīng)為：碳酸化反應(yīng) Ca（OH）2+CO2→CaCO3+nH2O；火山灰反應(yīng)xCa（OH）2+SiO2+nH2O→xCaOSiO2（n+x）H2O，yCa（OH）2+Al2O3+nH2O →yCaOAl2O3(m+y)H2O。可簡寫為：爐石粉 +Ca（OH）2→類似水化產(chǎn)物的“C-S-H膠體”。

圖4 固化劑HSC301的固化進程

1.2.2 固化劑HSC301特性

對照組患者護理前心理健康指標漢密爾頓焦慮、抑郁指數(shù)評分24.11±8.36分、24.33±8.44分，護理后心理健康指標漢密爾頓焦慮、抑郁指數(shù)評分16.12±5.36分、16.33±5.41分；試驗組患者護理前心理健康指標漢密爾頓焦慮、抑郁指數(shù)評分24.11±8.32分、24.33±8.44分，護理后心理健康指標漢密爾頓焦慮、抑郁指數(shù)評分6.11±1.21分、5.33±1.41分。

固化劑HSC301添加到土壤中，首先大量形成富含結(jié)晶水的針狀結(jié)晶體，穿插在土壤顆粒空隙間形成強度骨架；其次，硅酸鹽類水化物填充在強度骨架之中，使固化體系進一步密實；最后，在激發(fā)劑的劇烈作用下，HSC301和部分土壤顆粒參加化學反應(yīng)，使固化土具有不可逆的、良好的強度和耐久性。固化劑HSC301的特性可概括為：（1）易于拌合、均勻性、流動性等工作性較好；（2）具有較好的土壤兼容性，固化效果好；（3）具有抗硫酸鹽（海水）、抗堿侵蝕作用，耐久性好；（4）高致密性、低滲透性、防水效果好；（5）防止土壤液化效果好；（6）土壤固化后不會出現(xiàn)二次泥化現(xiàn)象；（7）可克服有機酸干擾因子，加強固化效果。

2 施工流程及要點介紹

2.1 現(xiàn)場評估

根據(jù)現(xiàn)場土樣的幾種情況分析可知：

（1）在半干狀態(tài)時，土壤分子間吸引力大，導致黏度高而不易分散，直接加固化劑HSC301混拌，必須充分混合以達到良好均勻性，否則不易發(fā)揮固化劑HSC301的性能優(yōu)勢。

（2）全干時硬度大，使用現(xiàn)有機具，如能將其完全粉碎，再采取干拌模式，直接加固化劑HSC301混拌，充分混合也可達到良好的均勻性，將HSC301固化土混合料加適當?shù)乃空{(diào)和壓密，也能發(fā)揮固化劑HSC301的性能優(yōu)勢。

（3）在干濕混合狀態(tài)下，加入固化劑HSC301混拌，利用干土的硬度大，水化速度慢的特點，以混拌中土壤顆粒來切割濕土，以期達到混拌均勻的目的，將HSC301固化土混合料加適當?shù)乃空{(diào)和壓密，也能發(fā)揮固化劑HSC301的性能優(yōu)勢。

（4）沼澤區(qū)因過渡飽和水，土顆粒充分水化最易分散，直接加固化劑HSC301混拌，雖容易均勻，但因過飽和水量巨大，固化劑HSC301會因含水量過大而有流失的問題，且為達到適當含水量，所以固化劑HSC301使用量將會倍數(shù)增加。

2.2 施工步驟

根據(jù)現(xiàn)有機械設(shè)備，拌合固化劑HSC301時，首先往淤泥中加入適當?shù)乃郑盟肿悠茐耐令w粒之間的的吸引力而使之液化，降低其黏度，再直接加固化劑HSC301混拌，直至達到良好的均勻度，當中應(yīng)盡量節(jié)省原料使用量，采用最佳配比方案，充分發(fā)揮固化劑HSC301的性能特點。混拌模式采取容積式混拌（可用大型鐵槽、貨柜等容器，當作混拌設(shè)備，以挖土機直接攪拌均勻即可），見圖5。再將經(jīng)固化劑HSC301處理過后的淤泥平均攤鋪在正確的施工位置，直接攤平并配合灑水設(shè)備調(diào)整至最佳含水率，壓密后靜置7 d，前3 d視狀況進行灑水養(yǎng)護。具體施工步驟如下：

圖5 容積式混拌（攪拌槽攪拌法）

（1）預(yù)備施工現(xiàn)場整地；

（2）鋪設(shè)土工布（平接搭接處須大于30 cm）；

（3）將淤泥以及固化劑HSC301按照配比方案放入混拌槽，予以混拌均勻；

（4）將混拌均勻的HSC301淤泥固化土混合料回填到土工布上，再予以攤平，壓密時配合灑水設(shè)備調(diào)整至最佳含水率，再充分壓密；

（5）反復直至達所需高度（每層25～30 cm壓密一次），路床養(yǎng)護靜置7 d即可使用，前3 d視狀況進行灑水養(yǎng)護，7 d可達1/3抗壓強度，28 d后可達最大強度。

3 應(yīng)用成效

“淤泥固化技術(shù)”應(yīng)用于中新天津生態(tài)城工程中，有效解決了地基處理與現(xiàn)場土源就地利用問題，達到了提高地基承載力、減少地基不均勻沉降的目的。HSC301固化淤泥后能夠滿足需求強度12～15 kN/m2，其相關(guān)指標如：7 d飽水無側(cè)限抗壓強度、回彈模量值、CBR值以及滲透系數(shù)等，不僅能很好地滿足規(guī)范要求，而且明顯優(yōu)于傳統(tǒng)材料，可以直接作為路床使用，見圖6、圖7。其優(yōu)點如下：

圖6 竣工后的基層路面

圖7 完工一年的基層路面

（1）HSC301淤泥固化土7 d飽水無側(cè)限抗壓強度可達到1.5 MPa以上,不僅很好地滿足了規(guī)范要求，而且明顯高于傳統(tǒng)石灰（水泥）土；

（2）回彈模量值平均在100～150 MPa之間，遠高于路基頂面回彈模量的要求（即不小于40 MPa）；

（3）CBR值一般在22%～25%之間，同樣遠高于《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2004）中的要求 ；

（4）HSC301淤泥固化土水穩(wěn)性較好,水穩(wěn)系數(shù)為0.75～0.78，較傳統(tǒng)石灰（水泥）土有了很大提高，因此可以有效延長道路使用壽命，降低道路的全壽命周期費用。

4 應(yīng)用前景與展望

在天津濱海新區(qū)快速發(fā)展的背景下，其市政道路建設(shè)面臨的濱海新區(qū)廣泛分布的軟土地基問題，經(jīng)過多年來的摸索和工程實踐，雖已形成較為可行的軟基淺層處理方式，然而，結(jié)合天津濱海新區(qū)目前軟基淺層處理常用方法（見圖8），即主要采用石灰、水泥、戧灰、碎石、混渣、山皮土等傳統(tǒng)筑路材料，不難發(fā)現(xiàn)存在以下幾點問題：

圖8 濱海新區(qū)軟基淺層處理常用方法示意

（1）自然資源的匱乏：開山石料的大量使用致使目前國內(nèi)不少地區(qū)出現(xiàn)了砂石料緊缺的現(xiàn)象。

（2）環(huán)境的壓力：石料的大量開采對山體植被造成極大破壞，從而引發(fā)山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害；石灰、水泥的生產(chǎn)過程釋放大量的二氧化碳，嚴重加劇了溫室效應(yīng)，同時也對大氣造成粉塵污染。

（3）傳統(tǒng)材料的不足：例如石灰土，強度形成緩慢，影響施工進度，其石灰摻量對石灰土強度影響大，且石灰土干縮大、易開裂、易軟化、水穩(wěn)性差。

固化劑HSC301作為一種新型筑路材料，“淤泥固化技術(shù)”作為一種新型筑路技術(shù)，不僅實現(xiàn)了就地取材，節(jié)省資源和能源，保護生態(tài)環(huán)境，提高路用性能，降低工程全壽命周期費用，而且使得道路建設(shè)不受資源、生態(tài)、環(huán)保的影響，有著明顯的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。對淤泥固化技術(shù)在道路結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用總結(jié)如下：（1）淤泥固化土可代替?zhèn)鹘y(tǒng)石灰（水泥）土應(yīng)用于路基加固，當然淤泥處理時可適當加入石灰（水泥）進行復合固化，并且可混入碎石、砂等優(yōu)化土壤級配；（2）可固化淤泥形成硬殼層作為承托層供后續(xù)施工；（3）可固化淤泥提高天然地基承載力、壓實度以及CBR等，具體可參見圖9。

鑒于目前，道路工程中亟需采用一些新技術(shù)、新材料來代替或部分取代水泥、石灰、砂石料等傳統(tǒng)的筑路材料，以緩解自然資源短缺、環(huán)境污染等問題。“淤泥固化技術(shù)”的應(yīng)用，尤其在例如天津濱海新區(qū)這樣廣泛分布軟土地基的區(qū)域，勢必有著更為廣闊的前景。

圖9 淤泥固化技術(shù)在道路結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用示意

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