泥漿固化輕質土應用技術研究與展望

王新岐

（天津市市政工程設計研究院，天津市300051）

泥漿固化輕質土應用技術研究與展望

王新岐

（天津市市政工程設計研究院，天津市300051）

針對工程中大量廢棄泥漿、廢棄淤泥、廢棄污泥、廢棄尾礦泥等泥狀物以及軟土、紅黏土、濕陷性黃土、膨脹土、鹽漬土等特殊土壤就地利用問題，提出將這些廢棄泥狀物或特殊土壤制備為泥漿，通過摻加環保型固化材料、發泡劑，使其改良為輕質（比水輕）、高強（較水泥土強）、穩定（水穩性好）的環保型工程材料——固化輕質土，并通過室內無側限抗壓強度、水穩性、干濕循環、抗疲勞、抗凍融循環等試驗，驗證固化輕質土優良的工程性能，在此基礎上提出該項技術在未來工程中的應用前景。

固化輕質土；泥漿；淤泥；GURS固化劑；GURS發泡劑；廢棄泥土固化

1　概述

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市建設與土地、資源、能源、環境之間的矛盾越來越明顯，以泥漿、淤泥、污泥、尾礦泥為代表的泥狀物占用土地，造成土壤水體的嚴重污染，如水利工程、航運工程和水環境治理工程不可避免遇到的粥狀、流塑狀淤泥；污水處理廠產生數萬噸的污泥；巖土工程地下連續墻、鉆孔灌注樁、非開挖水平定向鉆孔、泥水平衡式頂管、泥水加壓式盾構必然產生的泥漿；石油鉆井開采的地下泥水混合物；礦業工程水法選礦或洗礦作業產生的高含水率和流塑狀尾礦泥。這些泥狀物污染我們賴以生存的自然環境，已經成為國家和社會重點關注的問題，如何對其進行處理將逐步成為生產、生活中難以回避的恒常工作，尋求解決的技術途徑已迫在眉睫。

土壤是工程材料重要的組成部分，然而土壤的三相性（土顆粒、空氣、水）及其原生、次生礦物的不同，決定土壤在自然環境下表現出多變的性質，如遇水膨脹、失水收縮、干燥開裂、下雨沉陷等，也決定了自然界可直接利用為工程材料的土很少，出現了軟土、濕黏土、膨脹土、濕陷性黃土、紅黏土、鹽漬土、有機質土、高液限土等。這些特殊土壤如何處置，需要尋求新的途徑，以實現特殊土壤就地改良。

基于以上目的，本文充分利用含水量較高土、淤泥、泥漿、特殊土壤（軟土、濕粘土、膨脹土、濕陷性黃土、紅黏土、鹽漬土、有機質土、高液限土等）均可制備為最佳攪拌狀態下泥漿的特點，通過摻加環保型固化材料、發泡劑，將這些廢棄泥狀物、廢棄特殊土壤固化改良為輕質（比水輕）、高強（較水泥土強）、穩定（水穩性好）的環保型工程材料——泥漿固化輕質土，以實現對廢棄工程土、廢棄泥漿、廢棄淤泥、廢棄特殊土壤的固化改良，減少對土、碎石、石灰、水泥等傳統材料的使用。

2　固化輕質土技術的提出

工程中常常需要填筑重量盡可能輕的材料，即輕質材料，這種人工制作的材料表觀密度比一般土體小，而強度和變形特性可以達到甚至超過良好土體。基于此種思想，本文以臺灣產水硬性材料——GURS-501固化劑對泥漿進行固化，利用發泡劑發泡技術，用物理方法將GURS-1000發泡劑水溶液制備為泡沫，與摻加少量水硬性材料GURS-501固化劑的泥漿按照一定的比例混合攪拌，經物理化學作用硬化形成輕質材料——固化輕質土，并通過試驗證明這種技術能實現廢棄物再生利用為輕質、高強、高流動、節能（摻加60%～70%泡沫）、耐久材料的目的。固化輕質土制備工藝如圖1所示。

由圖1可看出，利用泥漿制備固化輕質土，應滿足如下條件：（1）形成過程應有較好的流動性、易攪拌均勻——需將土制備為泥漿；（2）高含水量泥漿固化后強度應大于一般土體強度——需摻加能將泥漿固化為高強材料的固化劑；（3）容重應盡可能小（比水小）——應摻加一定的氣泡。

圖1　固化輕質土制備工藝示意圖

2.1泥固化作用機理研究及系列固化劑研發

傳統改良土壤技術具有所處理土含水量不能過高、能通過機械壓實達到最佳密實狀態、能通過晾曬達到最佳含水狀態等特點，這對于處治軟塑狀態土（塑性指數0.75～1）、流塑狀態淤泥（塑性指數大于1）和流動狀態泥漿來說無能為力，為此臺灣世盟國際股份有限公司（臺灣）研發了能將泥狀物中的土顆粒作為微骨材凝結，將泥漿中的水水化的水硬性凝結硬化材料——GURS系列固化劑。這種固化劑通過三大過程（與泥漿攪拌共融階段，水化、交換、吸附、活化反應階段，凝結硬化排斥階段）、五大反應（水化、火山灰反應、置換水反應、離子交換作用、土顆粒吸附作用、固化劑與土顆粒間的活性反應），可使含水量高達50%～200%（主要為自由水），土顆粒細度達2～75 um，泥狀物中的水、土顆粒充分凝結硬化進而形成穩定、密實的結構，也為固化改良軟塑土、淤泥、泥漿等泥狀物提供了技術保證。

2.2固化輕質土輕質性實現及系列發泡劑研發

為了實現制備固化輕質土的第3個條件，需對國內外發泡技術進行研究。表1所示為常用發泡劑的特性。

表1　常見發泡劑的特性

一般情況下泡沫劑需要摻和穩泡劑來提高其穩定性，而當濃度不同或加入不同種類的穩泡劑時，其發泡倍數和穩泡性能也不同（見表2）。

表2　常見穩泡劑性能

在總結國內外發泡劑研究成果的基礎上，臺灣世盟國際股份有限公司（臺灣）研發了GURS-1000、GURS-2000、GURS-3000發泡劑。為了驗證GURS-1000發泡劑的發泡效果，先對其進行發泡，然后靜止觀察其效果（見圖2），可看出15：20發泡開始，一直靜止放置到18：20，共3 h，泡沫幾乎未發生變化（未消泡），一直放置到20：20才觀察到少量的消泡。這與一般發泡劑30 m i n內標準泡沫泌水率（30 m i n消泡量）達到20%～25%相比，GURS-1000發泡劑有更長的穩泡時間，滿足了發泡劑與泥漿充分攪拌均勻所需要的時間，且在固化劑凝結硬化泥漿時不消泡。

圖2　GURS-1000發泡劑消泡觀察試驗

2.3固化輕質土制備

具備了高性能的發泡劑，利用GURS固化劑強烈的固化泥漿效果，即可制備固化輕質土，如圖3所示，可以看出采用GURS系列固化劑、GURS-1000發泡劑可實現固化輕質土的制備，且放大觀察可看出具有均勻的氣泡。

圖3　固化輕質土制備過程

3　固化輕質土試驗研究及特性分析

3.1固化輕質土無側限抗壓強度

大量室內試驗結果表明，各種淤泥制備泥漿形成的固化輕質土7 d無側限抗壓強度相差不大，當固化劑摻量在85～175 kg之間時，7 d無側限抗壓強度在0.1～0.5 M Pa之間，當固化劑摻量大于200 kg時，7 d無側限抗壓強度在0.6～1.4 M Pa，已達到公路底基層的強度要求。

隨著固化劑摻量的增加強度逐漸增加，對于工程填料（管道回填等）可選用固化劑摻量85～150 kg，對于道路結構層可選用固化劑摻量200～300 kg。

固化輕質土28 d無側限抗壓強度較7 d無側限抗壓強度有較大的提高，變化在0.3～2.4 M Pa之間，增加至7 d無側限抗壓強度的1.5～2.2倍（需要注意固化劑摻量150 kg以下提高倍數較大）。

與7 d無側限抗壓強度規律相同，隨著固化劑摻量的增加強度逐漸增加，當固化劑摻量較少時（小于150 kg），無側限抗壓強度隨固化劑摻量增加而增加的速率較小，而當固化劑摻量大于150 kg時，隨著固化劑摻量的增加，固化土強度增加較明顯。

圖4為不同淤泥固化輕質土28天無側限抗壓強度曲線。

圖4　不同淤泥固化輕質土28 d無側限抗壓強度曲線

固化輕質土強度在不同固化劑摻量下均隨著齡期的延長而增加，28 d較7 d無側限抗壓強度有較大的提高（1.5倍以上），后期強度雖有提高，但趨于放緩，在齡期達到60 d時，強度依然有所增長，60 d較28 d提高1.1～1.2倍，90 d較60 d提高1.1倍以上，說明固化輕質土后期強度較高，這對于工程耐久性的提高具有重要的意義。圖5為固化輕質土無側限抗壓強度隨齡期變化曲線。

3.2固化輕質土容重

固化輕質土氣泡率達60%，容重變化范圍在600～900 kg/m3之間，較水容重（1000 kg/m3）減小10%～40%，較土容重（2 000 kg/m3）減小55%～ 70%，工程應用中應根據強度、容重需要進行配合比設計。圖6為不同淤泥固化輕質土容重變化范圍曲線。

圖5　固化輕質土無側限抗壓強度隨齡期變化曲線

圖6　不同淤泥固化輕質土容重變化范圍曲線

3.3固化輕質土水穩性

固化輕質土在不同浸泡條件下強度有所衰減，但變化不大，強度變化率僅為2%～4%，這與一般水泥或石灰穩定土相比（一般為10%～15%）小得多，說明固化輕質土有較好的水穩性能；固化輕質土在不同浸泡條件下水穩系數均在0.9以上，且隨著養護時間的增加，水穩系數逐步趨于穩定，9d浸泡后強度損失僅在6%～12%之間，大大小于水泥或石灰穩定土浸泡后的強度損失率，較水泥、石灰、粉煤灰有較好的水穩性能。圖7為固化輕質土養護28 d后在不同浸泡條件下強度變化曲線。

圖7　固化輕質土養護28 d后在不同浸泡條件下強度變化曲線

3.4固化輕質土干濕循環

隨著干濕循環次數的增加，固化輕質土在7 d養護條件下強度降低明顯（降低量大約為10%～20%），但隨著養護齡期的增加，在不同干濕循環次數下強度損失較小，一般在8%～12%，且隨著循環次數的增加，試件的強度趨于穩定，說明固化輕質土強度形成后（28 d）具有很高的抵抗干濕循環的性能，耐久性良好。圖8為固化輕質土養護28 d不同干濕循環次數下強度變化曲線。

圖8　固化輕質土養護28 d不同干濕循環次數下強度變化曲線

3.5固化輕質土干縮、溫縮性

固化輕質土的干縮應變和干縮系數很小，最大干縮應變2 000×10-6、最大干縮系數990×10-6，遠遠小于水泥、石灰等傳統無機結合料固化土干縮應變和干縮系數，在養護前期隨著時間的推移逐漸增大，但當達到養護期7 d后干縮應變和干縮系數基本穩定，不發生大的變化，這與水泥、石灰等無機結合料穩定土隨著齡期的增加干縮應變逐步增加有顯著不同，說明這種材料有很好的抗干縮應變能力。圖9為固化輕質土干縮應變變化曲線。

圖9　固化輕質土干縮應變變化曲線

固化輕質土溫縮系數變化在100～1 210之間，較水泥穩定碎石等半剛性材料溫縮系數小很多（變化在500～1 800之間），具有良好的抗溫縮性能。圖10為固化輕質土溫縮變化曲線。

圖10　固化輕質土溫縮變化曲線

3.6固化輕質土抗凍融性能

經過凍融循環后固化輕質土試件強度均有所降低，在第1周期下降比較明顯，然后趨于平緩，試驗過程中，未發現試塊表面有破壞現象，說明固化輕質土的抗凍融性能較好。

GU-250、GU-300在養生90 d后經過多次凍融循環強度未有大的變化，說明隨著固化劑摻量的增加，后期強度的逐步形成，固化輕質土抗凍融性能大大提高，工程使用中可根據抗凍融性能的不同采用不同配比的固化輕質土及養護時間。圖11為固化輕質土養護28 d后不同凍融次數下的強度變化曲線。

圖11　固化輕質土養護28d后不同凍融次數下的強度變化曲線

3.7固化輕質土抗流變性能

與軟土流變曲線相比，固化輕質土流變曲線前期變形稍有增加（前期變形是因為輕質土孔隙具有柔韌性，當軸向壓力增加后產生少量變形，結構稍微調整，但到一定程度后保持不變），但隨著齡期的增加趨于穩定，這與軟土流變前期變形較大、并隨著時間的增長變形一直增加有顯著不同，說明固化輕質土具有較好的抗變形能力。圖12為固化輕質土28 d蠕變曲線。

圖12　固化輕質土28 d蠕變曲線

3.8固化輕質土抗疲勞性能

固化輕質土隨著循環荷載振次的增加有少許疲勞軟化，導致變形，但變形量較小，后期基本穩定。按照95%以上的保證率擬合得到三種固化輕質土的疲勞預測公式，即對于強度稍弱的GU-200疲勞預測公式Y=a-b×log（x+c）（其中a= -0.154 7，b=-0.072 4，c=7.697 28）進行預測，抗疲勞次數 N≈1021次，而此時的保證率為99.899%，滿足規范要求。在循環荷載過程中，隨著循環荷載的作用時間增長，固化輕質土動彈模量略微變小，中后期基本趨于穩定，說明固化輕質土在長期循環荷載作用下，抗疲勞能力較強，不易發生破壞。 圖13為固化輕質土循環荷載作用下的應力-應變關系。

圖13　固化輕質土循環荷載作用下的應力-應變關系

3.9固化輕質土微觀結構分析

固化輕質土內部存在大量大小均勻密布的孔隙，大孔隙孔隙率達60%～70%，在大孔隙壁上密布0.5～8 μm的小孔隙，小孔隙孔隙率達10%，使得固化輕質土總孔隙率在70%～80%。

雖然固化輕質土有較高的孔隙率，但由于大孔隙之間以及小孔隙之間存在大量纖維（這是因為輕質土在發泡過程中，壁厚較厚的氣泡對泥漿進行拉伸，在拉伸過程中固化劑強烈的固化能力使這種拉升迅速固化），使這些孔隙很難貫通，卻能保證大孔隙透水，而小孔隙由于孔徑更小、水分子難以通過，可使空氣順利通過，說明固化輕質土是一種既透水、又透氣的穩定結構，將在未來海綿城市開發中得以應用。圖14為固化輕質土的截面SEM照片下的纖維狀物。

圖14　固化輕質土的截面SEM照片下的纖維狀物

4　結論及展望

GURS固化劑對含水量較高的軟塑土、淤泥、泥漿具有良好的固化效果，能使已往廢棄的淤泥、泥漿、廢棄的特殊土壤（濕陷性黃土、紅粘土、軟土、鹽漬土、膨脹土等）泥土改良為高強、穩定、耐久的材料，而由固化技術、發泡技術衍生的固化輕質土技術使淤泥、泥漿、特殊土壤等廢棄泥土改良為輕質材料成為可能，實現了土壤改良、泥土固化改良技術新的突破，將在公路、鐵路、建筑、管道、水利、環保等領域具有廣泛的應用前景。

（1）利用固化輕質土填筑路基，減輕填土荷載，替代公路、鐵路高填土深層樁處理，節省造價，避免對土地的污染。

（2）利用固化輕質土填筑橋頭路基，減輕填土荷載消除橋頭路基與橋梁之間的沉降差，消除橋頭跳車，節省造價。

（3）固化輕質土輕質性可有效消除新建地下隧道或既有地下管線上覆多余荷載，確保隧道或管線使用安全。

（4）固化輕質土填筑橋頭路基，減少橋梁長度。

（5）固化輕質土應用道路、鐵路加寬填筑，消除新舊路之間不均勻沉降，節省占地，確保行車安全。

（6）應用海綿城市鋪裝基礎，長期浸水強度不衰減，透水、透氣，實現城市吸水、蓄水、滲水、凈水功能。

（7）利用固化輕質土高流動性、可在狹小空間內充填施工、不需機械碾壓施工、無需震搗等優點，填筑建筑空隙、舊路橋頭搭板下的空洞及地下管道工程的周邊空隙，解決無法壓實的難題，無空洞。

（8）利用固化輕質土流動性好、用水率低、節省原材料等特點，應用于礦坑、采空區、溶洞回填，密實，無污染、無空洞，實現礦山采場低成本、低污染、高接頂率、高安全性的功能。

（9）利用固化輕質土高流動性注入砌體和開挖之間空隙處，避免襯砌體發生變形、滲漏、開裂、塌陷等破壞。避免注漿無法飽滿、隧道頂部會不同程度地出現空洞、積水現象的發生；避免隧道襯砌體受力失衡；減小空洞處圍巖的變形、風化及脫落加劇等。

（10）利用固化輕質土輕質性，應用于地形條件復雜的陡峭及急轉彎地段填筑，避免高挖穩定性問題并保護環境不受破壞，減少支擋防護，減少占地，增加穩定性。

（11）固化輕質土應用于狹窄部位填筑，避免壓實度達不到要求，例如港灣式停車帶限制地域處回填加寬，避免拆遷，節省土地。

（12）后發泡技術可應用于需要設定高度的工程填筑，節省材料，降低造價。

表3　管廊路徑適建性評價體系評估等級劃分標準

5　結語

綜合管廊路徑適建性評價是綜合管廊規劃設計的重要工作之一，管廊系統布局規劃設計需不斷優化調整，逐步完善，在綜合管廊系統布局滿足城市近遠期發展需要的前提下，對管廊路徑選擇進行科學的評估判斷，以此指導管廊系統布局的優化，制定合理的管廊實施計劃。本文對管廊路徑適建性評價體系進行了研究，制定了相應的評估體系和方法。由于評價指數取值和各層級權重取值具有一定的主觀性，對評估體系的準確性會產生一定的影響，應用本體系評估時，應結合各城市自身特點進行必要的調整和完善。

U414

A

1009-7716（2016）09-0069-06

為實現以上三個條件，需要尋求固化泥漿的固化劑和性能良好的發泡劑。

2016-06-18

王新岐（1968-），男，陜西安塞人，教授級高級工程師，院道路專業總工程師，從事道路橋梁設計研究工作。