濱海淤泥固化土路用性能試驗研究

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以淤泥、污泥為代表的各種泥狀物產(chǎn)量巨大，接近城市建筑垃圾的數(shù)量[1]，淤泥的處理及資源化利用已經(jīng)成為工程界迫切需要解決的問題。目前學(xué)者對采用常規(guī)固化劑固化處置利用淤泥的物理力學(xué)性能進(jìn)行了較多研究。王東星等[2～3]對基于水泥、石灰、低鈣粉煤灰的固化淤泥進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和間接抗拉強(qiáng)度試驗，得到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)360 d淤泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、破壞強(qiáng)度和應(yīng)變。丁慧等[4]探討粉煤灰和工業(yè)礦粉固化疏浚淤泥作路基材料的可行性，研究了不同固化劑配比對固化淤泥擊實特性、水穩(wěn)定性、承載力和抗剪強(qiáng)度的影響。

采用傳統(tǒng)固化劑處置淤泥需要較高的摻量，通常達(dá)15%～30%（質(zhì)量比），增加了施工難度和成本，處置效果也欠佳。目前研究中，采用高效土壤固化劑處置淤泥的成果較少；基于此，本文利用高效減水型固化劑對取自天津濱海三個地區(qū)的海相淤泥進(jìn)行固化處理，尋求淤泥就地固化為道路路基、基層的方法，以解決其堆放占地和污染的難題，實現(xiàn)廢物淤泥資源化再利用。

1 濱海淤泥的物理特性

選取天津濱海地區(qū)最具代表性的三個地區(qū)的淤泥試樣S1、S2、S3，進(jìn)行物理化學(xué)指標(biāo)測試。

1.1 基本物理力學(xué)指標(biāo)

淤泥無法直接應(yīng)用于工程，最大阻礙是過高的初始含水率和較大的界限含水率，粘粒含量對淤泥顆粒級配有顯著影響，有機(jī)質(zhì)含量對淤泥固化效果明顯，土體的穩(wěn)定性與土的強(qiáng)度指標(biāo)密切相關(guān)。基于以上因素，分別測定淤泥的含水率、粘粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、抗剪強(qiáng)度，見表1。

表1 濱海淤泥基本物理性質(zhì)指標(biāo)

由表1可知：濱海淤泥粘粒含量均在40%以上，以細(xì)粒土為主，即使經(jīng)過降水處置后仍屬于不良級配土，工程性質(zhì)較差，濱海淤泥的有機(jī)質(zhì)含量較高，對工程性質(zhì)影響較大，因此在選擇固化劑時，應(yīng)考慮其中成分對有機(jī)質(zhì)的分解作用；pH值為6.5～6.6，在我國土壤酸堿度等級劃分中屬于中性偏弱酸性；粘聚力為4.6～5.4 kPa，遠(yuǎn)低于其他地域淤泥，內(nèi)摩擦角為3.7°～4.4°，在全國范圍內(nèi)偏低。

1.2 含鹽量

通常，土壤固化劑中的化學(xué)成分與淤泥成分進(jìn)行離子交換，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成膠凝性化合物吸附周圍土粒，構(gòu)成骨架，進(jìn)而形成強(qiáng)度；但淤泥中存在一些鹽分，會對水泥等固化劑產(chǎn)生腐蝕作用，影響固化效果；因此，對淤泥中含鹽量及離子含量進(jìn)行測定是十分必要的。通過質(zhì)量法測試淤泥中易溶鹽總量，見表2。

表2 濱海淤泥含鹽量檢測結(jié)果 %

由表2可知：淤泥S3的含鹽量達(dá)1.165%，淤泥S1和淤泥S2含鹽量不足1%。通常，含鹽量＜1%時，鹽分對固化土的抗壓強(qiáng)度影響較小；含鹽量＞1%時，隨含鹽量的增加，固化土的抗壓強(qiáng)度會逐漸減小。此外，含鹽量對土體的變形過程有較大影響；當(dāng)含鹽量較大時，變形主要是由鹽脹造成的。因此，針對三種淤泥，特別是淤泥S3，選擇固化劑時，應(yīng)特別考慮鹽分對固化劑的影響。

1.3 礦物成分

為進(jìn)一步探討淤泥與固化劑的相互作用以及淤泥的礦物成分對其工程性質(zhì)的影響，進(jìn)行礦物成分測定，見表3。

表3 濱海淤泥礦物成分測定結(jié)果 %

由表3可知：三種淤泥SiO2含量在45%～50%，低于其他地域淤泥50%～70%含量；Al2O3含量在37%～45%，遠(yuǎn)高于其他地域淤泥10%～20%含量。

基于濱海淤泥的性質(zhì)，結(jié)合淤泥含水量較高、抗剪強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，選擇的固化劑應(yīng)有較強(qiáng)的吸水能力和顯著提高淤泥抗剪強(qiáng)度的能力。經(jīng)調(diào)研與試驗，最終選用臺灣世盟國際股份有限公司提供的GURS-501高效減水型土壤固化劑[5]，其主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO2等。

2 淤泥土微觀分析

為從微觀學(xué)角度分析GURS-501固化劑固化淤泥的反應(yīng)情況，采用透射電子顯微鏡（TEM）分析納米級材料形貌，觀測淤泥被固化后的微觀形貌與晶體結(jié)構(gòu)，分析淤泥與固化材料的界面分散情況。

取少量樣品（淤泥S1）放入無水乙醇溶液中，經(jīng)超聲波分散約25min后點(diǎn)滴在碳膜上，進(jìn)行TEM觀察。見圖1。

圖1 淤泥TEM下形貌

從圖1a可以看出，淤泥土顆粒形狀不規(guī)則，尺寸大小不一，分散不均勻并存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。圖1b對樣品進(jìn)一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)淤泥土顆粒的表面形貌紋理不清晰，呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)。

摻加4%（質(zhì)量比）GURS-501固化劑后，采用透射掃描電鏡對固化淤泥土進(jìn)行測試，分析固化淤泥土的微觀形貌，見圖2。

圖2 固化淤泥土TEM下形貌

從圖2a可以看出，固化劑能均勻分散在淤泥顆粒周圍，土顆粒被固化劑包裹，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，同時淤泥土顆粒尺寸減小，土粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，這是由于固化劑吸收了淤泥土中的水分，降低了淤泥土顆粒之間的粘結(jié)力。圖2b對樣品進(jìn)一步放大觀察，固化劑緊密的包裹在淤泥土粒周圍并部分進(jìn)入淤泥土顆粒內(nèi)部，與淤泥土形成穩(wěn)定密實結(jié)構(gòu)，從而能夠提高淤泥的強(qiáng)度。

3 固化淤泥土路用性能試驗

3.1 力學(xué)性能

3.1.1 CBR

三種淤泥最佳攪拌含水量[5]條件下，分別摻加2%、3%、4%、5%、6%（質(zhì)量比）固化劑，測定其作為路基填料的強(qiáng)度。試樣分三層擊實，擊實后在水中浸泡4 d，然后進(jìn)行CBR試驗，見圖3和圖4。

圖3 固化淤泥土CBR試驗

圖4 固化淤泥土膨脹率

1）GURS-501固化劑摻量＞2%時，三種淤泥土CBR值均＞12%，滿足現(xiàn)行路基設(shè)計規(guī)范[6]的規(guī)定。

2）對同一種淤泥，CBR值隨固化劑摻量的增加而增大，當(dāng)摻量由2%增加至6%時，CBR值增大為原來的3倍，說明GURS-501固化劑的摻入能夠顯著提高固化淤泥土的強(qiáng)度性能。

3）三種淤泥的固化劑摻量相同時，有機(jī)質(zhì)含量高的淤泥S3的CBR值比有機(jī)質(zhì)含量低的淤泥S1CBR值低；而有機(jī)質(zhì)含量居中的淤泥S2，由于初始含水率、最佳攪拌含水量較大，CBR值最小，說明初始含水率較大時需適當(dāng)增加固化劑含量。

4）隨著固化劑摻量增加，固化淤泥土膨脹率呈遞減趨勢，摻入固化劑后明顯降低了固化淤泥土的膨脹率。當(dāng)固化劑摻量相同時，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，膨脹率也相應(yīng)增大。

3.1.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將淤泥分別按2%、3%、4%、5%、6%（質(zhì)量比）固化劑摻量制備試件，在最佳攪拌含水量條件下成型，分別養(yǎng)生7、28 d進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，見圖5。

圖5 固化淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從圖5可以看出：隨固化劑摻量的增加，固化淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本呈線性增大，固化劑摻量增加1%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加約20%～30%；隨著養(yǎng)生齡期的增加，固化淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d時固化淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d的強(qiáng)度，增加近1倍，固化淤泥土用于路基填筑具有良好的強(qiáng)度性能。

3.2 水穩(wěn)性

固化淤泥土填筑道路路基耐水性能由浸水狀態(tài)下固化淤泥路基土的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反映。按照最佳攪拌含水量制備試件，成型后放置于養(yǎng)生箱中養(yǎng)生，26 d后將部分試件放入恒溫水槽中浸水48 h，待養(yǎng)生期結(jié)束后，測試浸水后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度并與正常養(yǎng)生的試件強(qiáng)度進(jìn)行對比，評價固化淤泥土的耐水性能，見圖6。

圖6 固化淤泥土水穩(wěn)性

從圖6可以看出：固化淤泥土浸水48 h無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比正常養(yǎng)生條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低約3%～12%且隨著固化劑摻量的增加，固化淤泥土強(qiáng)度損失率逐漸減小，固化劑的摻入提高了淤泥的水穩(wěn)定性；另一方面，固化淤泥土的水穩(wěn)定性與淤泥中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，當(dāng)固化劑摻量相同時，淤泥中有機(jī)質(zhì)含量越高，固化淤泥土強(qiáng)度損失率越大，水穩(wěn)定越差。

3.3 凍融循環(huán)性能

固化淤泥土填筑道路路基的抗疲勞性能由反復(fù)凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反映。按照最佳攪拌含水量制備試件，成型后放置于養(yǎng)生箱中養(yǎng)生，進(jìn)行5次凍融循環(huán)，以BDR（凍融循環(huán)后與常規(guī)養(yǎng)生試件強(qiáng)度比）評價固化淤泥土的抗凍融性能。將淤泥分別按2%、3%、4%、5%、6%（質(zhì)量比）固化劑摻量制備試件，進(jìn)行抗疲勞性能測試，見圖7。

圖7 固化淤泥土凍融循環(huán)

從圖7可以看出：固化淤泥土經(jīng)5次凍融循環(huán)后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為正常養(yǎng)生條件下的67%～85%且隨著固化劑摻量的增加，凍融循環(huán)后固化淤泥土強(qiáng)度損失率逐漸減小，固化劑的摻入提高了淤泥的抗凍融性能；當(dāng)固化劑摻量＜3%時，隨著固化劑摻量的增加，強(qiáng)度損失率顯著降低，固化劑摻量＞3%后強(qiáng)度損失率降低的趨勢逐漸減緩，僅從抗凍融角度出發(fā)，考慮方案的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)將固化劑摻量控制在4%以內(nèi)；固化淤泥土的抗凍融性與淤泥中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，當(dāng)固化劑摻量相同時，淤泥中有機(jī)質(zhì)含量越高，固化淤泥土凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失率越大，抗凍融性越差。

3.4 干縮性能

固化淤泥土的明顯缺陷是抗拉強(qiáng)度低、抗變形能力差。固化淤泥土發(fā)生的收縮，在養(yǎng)生期內(nèi)主要是固化過程中化學(xué)反應(yīng)引起的自身收縮，在后期主要來自干縮和溫縮。

以有機(jī)質(zhì)含量2.67%的淤泥S3為研究對象，在最佳攪拌含水量條件下，利用靜壓法成型小梁試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生到期后對其進(jìn)行收縮性能試驗，見圖8。

圖8 固化淤泥土干縮試驗結(jié)果

從圖8可以看出：固化淤泥土的失水率隨齡期的增長逐漸增大，開始時失水較快，隨齡期的增長，失水趨勢逐漸減緩，當(dāng)失水率達(dá)最大值時，趨于穩(wěn)定，固化淤泥土的最大失水率在9%左右；固化淤泥土的干縮應(yīng)變在1～10 d內(nèi)增長迅速，之后趨于平緩，當(dāng)失水率達(dá)到最大值時，固化淤泥土的干縮應(yīng)變逐漸穩(wěn)定，固化淤泥土的最大干縮應(yīng)變?yōu)? 800×10-6左右；固化淤泥土的平均干縮系數(shù)在80×10-6～450×10-6，養(yǎng)生初期變化較大，10 d后趨于穩(wěn)定，平均干縮系數(shù)受固化劑摻量的影響較大，與水泥、石灰等傳統(tǒng)固化劑不同，固化淤泥土干縮系數(shù)隨著固化劑摻量的增加逐漸減小，4%、6%摻量的固化淤泥土干縮系數(shù)很小，說明固化劑具有很好的抗干縮性能。

綜合考慮固化淤泥土的強(qiáng)度、干縮性能以及經(jīng)濟(jì)性，推薦固化劑摻量為4%。

3.5 抗沖刷性能

為掌握自由水進(jìn)入道路基層內(nèi)，基層結(jié)構(gòu)抵抗沖刷破壞的能力，需對固化淤泥土進(jìn)行抗沖刷性能研究。三種淤泥制備?150 mm×150 mm試件，成型并養(yǎng)生后，放入沖刷桶內(nèi)，沖刷30 min后取出沖刷物沉淀12 h，烘干后計算沖刷物與原試件的質(zhì)量比，作為試件抗沖刷后的質(zhì)量損失并以此評價固化淤泥土的抗沖刷性能，見圖9。

圖9 固化淤泥土抗沖刷性能

從圖9可以看出：固化劑摻量2%～6%時，固化淤泥試件經(jīng)沖刷后的質(zhì)量損失約為2%～5%且隨著摻量的增加，試件經(jīng)沖刷后的質(zhì)量損失逐漸降低，說明提高固化劑可增強(qiáng)固化淤泥的抗沖刷性能；固化淤泥土的抗沖刷性能與淤泥中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量高，質(zhì)量損失較大，因此，對于有機(jī)質(zhì)含量高的淤泥，應(yīng)適當(dāng)加大固化劑摻量。

4 結(jié)論

1）濱海淤泥粘粒含量在40%以上，以細(xì)粒土為主；有機(jī)質(zhì)含量較高，對工程性質(zhì)影響較大；pH值為6.5～6.6，屬于中性偏弱酸性；濱海淤泥粘聚力在4.6～5.4 kPa，內(nèi)摩擦角在3.7°～4.4°，抗剪強(qiáng)度在全國范圍內(nèi)偏低。

2）原狀淤泥土顆粒形狀不規(guī)則，分散不均并存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；摻加GURS-501高效減水型土壤固化劑制備為固化淤泥土后，土顆粒被固化劑包裹，形成穩(wěn)定密實結(jié)構(gòu)，土粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，淤泥強(qiáng)度得以提高。

3）固化劑的摻入可明顯提高固化淤泥土的CBR值和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，相應(yīng)的水穩(wěn)定性、抗凍融性能、抗干縮性能和抗沖刷性能也隨之提高。

4）經(jīng)權(quán)衡淤泥固化處置利用的經(jīng)濟(jì)性和性能指標(biāo)，當(dāng)固化淤泥土用于填筑道路路基時，應(yīng)控制固化劑摻量為4%；用于道路基層時，固化劑摻量應(yīng)不低于6%。