不同固化劑改良淤泥土的試驗研究

夏艷波 任睆遐 何振華 鄧新宇 張藝馨

摘要：為了探究不同土壤固化劑對淤泥土的改良效果，開展了一系列室內土工試驗，探究多種固化劑改良淤泥土的液塑限以及無側限抗壓強度。研究結果表明：水泥、石灰、細砂土以及生物酶均可降低淤泥質土的含水率、液限及塑性指數，并都使固化淤泥質土的無側限抗壓強度增加;通過比較分析發現，細砂土改良淤泥質土的含水率下降最明顯;水泥與生物酶固化淤泥質土的無側限抗壓強度最明顯，增幅分別是687.1%和903.9%，而石灰與細砂土的固化效果不顯著，無側限抗壓強度增幅只有272.7%和309.5%。

Abstract： In order to explore the effect of different soil hardeners on the improvement of silt， a series of laboratory geotechnical tests were carried out to explore the liquid plastic limit and unconfined compressive strength of various soil hardeners. The results show that： cement， lime， fine sand and biological enzyme can reduce the water content， liquid limit and plasticity index of silt soil， and increase the unconfined compressive strength of solidified silt soil; through comparative analysis， it is found that the water content of improved silt soil with fine sand decreases most obviously; the unconfined compressive strength of cement and biological enzyme solidified silt soil increases most obviously， it is 687.1% and 903.9% respectively， but the curing effect of lime and fine sand is not significant， and the increase of unconfined compressive strength is only 272.7% and 309.5%.

關鍵詞： 固化劑;淤泥質土;無側限抗壓強度

Key words： curing agent;muddy soil;unconfined compressive strength

中圖分類號：TU43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0217-02

0? 引言

我國幅員遼闊，土地資源種類繁多，但是在工程建設中遇到的不良土質也比較多。隨著經濟高速發展，基礎工程建設速度提高，在海濱、湖泊、中小型河流處的工程建設中所產生的淤泥質廢棄軟土的處理問題也越來越值得我們重視。在工程實際中，往往會產生大量的廢棄淤泥質土。因為淤泥質土一般具有含水率較大、有機質含量高、強度低等特點，難以直接應用在工程中。如果不能加以利用，則會造成一定的環境污染以及資源浪費。倘若能對其進行改良固化，用作路基材料，可以使淤泥成為一種再生資源[1-2]，實現生態友好型工程。對于淤泥土已經有一些學者開展了許多研究，如徐楊等[3]采用水泥、石灰無機固化材料對淤泥進行改良，通過無側限抗壓強度試驗發現固化土的無側限抗壓強度均隨著水泥或石灰的摻量增加而增加，且水泥摻量為 10-20% 范圍比 5-10% 范圍固化土強度增長速率大，但是造價會增加，石灰摻量以9%為最佳摻量。張鐵軍[4]研究了廢棄淤泥填料化的改良方法，研究結果表明：改良淤泥土的物理特性和無側限抗壓強度會隨者改良劑的摻量以及養護齡期的增加而變化，淤泥改良土在28d條件下可以得到較快的提高。桂躍等[5]研究了摻不同比例生石灰的2種不同初始含水率疏浚淤泥土，經過不同時長的悶料期，其擊實試樣的無側限抗壓強度變化規律。張麗華等[6]探討了石灰-粉煤灰改良淤泥土的含水率、液塑限和無側限抗壓強度的變化規律。試驗結果表明：粉煤灰和石灰混合摻入淤泥土可以降低其含水率，改良土的強度顯著提高。由于傳統固化劑存在生產過程中需要消耗大量的資源、生產過程排放污染氣體等環境問題，且石灰、粉煤灰等在處治土壤中容易產生體積收縮，一些新型的土壤固化劑開始受廣大學者青睞。生物酶（TerraZyme）是一種無毒、無污染蛋白質多酶基產品，可以填充土顆粒之間的無效空間，減小土顆粒間的間距，提高土體的密實度和承載力。董輝等[7]研究了生物酶固化劑加固淤泥質土的物性指標隨時間變化的規律，通過三軸剪切試驗及光學顯微與電鏡掃描發現泰然酶可以提高淤泥質土的內摩擦角，E3酶可以增加原土體的粘聚力，從而提高原土體的抗剪強度。何振華[8]等研究了不同摻量的生物酶對淤泥土的改良效果，試驗結果表明：生物酶最優摻量為6%，此時改良土體的強度最高，改良效果最好。綜上所述，為了探究不同固化劑對淤泥土的改良效果，本文選用水泥、石灰、砂、生物酶等材料來改良淤泥土，通過一系列土工試驗，探究它們對淤泥土的固化效果，為工程建設提供一定的參考價值。

1? 試驗研究

1.1 試驗材料

淤泥質土試樣取自長沙市內岳麓區梅溪湖處的湖泊底部，由于道路拓寬建設以及城市規劃需要，對這一地區的部分水塘、湖泊進行清淤處理，所取的土樣呈棕褐色，帶有刺激性氣味，天然含水率達60-80%。根據土工試驗標準方法[9]，測得淤泥土的基本物理指標，結果如表1所示。

1.2 多種固化劑

淤泥固化劑采用的水泥是湖南省南方水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥，標號P.O.425;采用的石灰是由湖南省某建材廠生產的生石灰;試驗用的砂采用的是細砂土，含水率為4%;試驗采用的生物酶是來自泰然路通科技有限公司的泰然酶（TerraZyme），顏色呈棕褐色，粘稠狀，無毒且無腐蝕性，而且沒有污染，易溶于水，是一種新型環保的非傳統型固化劑。

1.3 試驗方案

將取回的淤泥質土先取部分測定其天然含水率，稱取一定量的素土，然后將土樣風干、碾碎，并過0.5mm的土工篩，將土里的草根、雜物清理掉，再對其進行界限含水率試驗，得到素土的基本物理力學指標。然后根據文獻，取水泥摻量為土樣質量的5%，石灰與淤泥質土的質量比為1：20，細砂土的摻量與淤泥質土的質量比為1：1，生物酶摻量為淤泥質土質量的6%，取四份土樣，分別與四種固化劑均勻拌合，每一份土樣取部分土測量改良后的含水率，其余土樣風干后再按標準進行制樣與試驗。取室內恒溫恒濕養護14d的土樣，分別進行無側限抗壓強度試驗，探究固化淤泥質土的強度增長規律。

1.4 試驗結果與分析

通過基本室內土工試驗，測得摻不同固化劑改良淤泥質土的基本物理力學性能指標，見表2。

試驗結果表明，摻5%的水泥改良淤泥質土后，對土樣的天然含水率、 最大干密度、最優含水率影響不大，但是液限降低了8.95%，塑性指數降低了13.6% 。水泥固化淤泥質土是由于水泥中的熟料與淤泥質土中的水分發生了一系列水化反應，產生了水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣與氫氧化鈣等凝膠，可以包裹土粒形成水泥石土塊，從而提高淤泥質土的強度。摻石灰固化的淤泥質土，其天然含水率降低明顯，下降了8.29%，液限下降了18.99%，塑性指數降低了17.37%。這是由于生石灰能與淤泥質土中的水分反應，生成氫氧化鈣（Ca（OH）2），可以消耗掉一部分水;并且該反應屬于放熱反應，也能蒸發掉部分水分。摻細砂土的淤泥質土，固化后含水率顯著降低，減少了46.19%，液限下降了56.3%，塑性指數降低了63%，最大干密度為原始土樣的1.12倍。細砂土對淤泥質土的固化沒有化學作用，主要是由于細砂土自身較好的材料性能來改善淤泥質土較差的物理性能;同時這也是一種互補，由于砂表面光滑，無黏聚性，在無側限狀態下易松散，但是淤泥土具有一定的黏性，兩者拌合在一起，能夠起到強化作用。生物酶改良淤泥質土，含水率下降了19.1%，液限下降顯著，降幅達到38.42%，塑性指數下降了30.52%，最優含水率下降了6%。生物酶改良土是通過它的化學作用產生反應酶，這種酶可以通過離子置換作用被粘土吸附，從而使土粒吸附水的能力減弱，親水性降低，且土粒吸水膨脹的傾向得到削弱，可以形成防水土層，對水產生屏蔽作用。

測得改良淤泥質土的基本物理力學性質后，通過無側限抗壓強度試驗，得到養護14d的不同固化淤泥質土的無側限抗壓強度（UCS），其中編號A為水泥固化土樣，編號B為石灰固化土樣，編號C為細砂土固化土樣，編號D為生物酶固化土樣，E為原始淤泥質土樣。結果見表3。

試驗結果表明：養護14d后，水泥摻量為5%時的固化淤泥質土，其無側限抗壓強度達到280.2kPa，是原土樣的687.1%;石灰改良淤泥質土的無側限抗壓強度為原淤泥質土的272.7%，相比水泥的固化效果較差;細砂土固化淤泥質土的無側限抗壓強度為145.8kPa，增幅達到309.5%;生物酶改良淤泥質土的無側限抗壓強度最高，為357.4kPa，相比未改良土樣，強度增長了903.9%，故可以看出生物酶固化效果最明顯。以上四種固化劑都對淤泥質土有一定的改良效果，其中水泥和生物酶對淤泥質土的改良效果最好。但是水泥的生產以及使用，對環境會造成一定的污染，當改良土樣較多時，成本相對來說比較高;而生物酶的來源是植物，首先對環境無污染，并且在一定程度上，改良效果顯著，經濟成本較低，是合適的新型土壤固化劑。石灰和細砂土作為單一固化劑時，雖然有一定的效果，但是其改良后的無側限抗壓強度還達不到工程實際的要求。

2? 結論

①水泥、石灰、細砂土以及生物酶對淤泥質土都有固化效果，其中細砂土改良淤泥質土能明顯降低淤泥質土的含水率，降幅可達到46.19%，塑性指數降低了63%;生物酶改良淤泥質土的液限和塑性指數的降幅分別是38.42%和30.52%。②養護14d后，得到不同改良淤泥質土的無側限抗壓強度，其中生物酶的固化效果最好，無側限抗壓強度是原土樣的903.9%;水泥改良的效果稍低于生物酶，強度增幅是687.1%，石灰和細砂土的改良強度分別是原土樣的272.7%和309.5%。

本文只探討了養護14d的土樣的無側限抗壓強度增長規律，還可以進一步研究養護時間與不同固化劑對淤泥質土改良效果。

參考文獻：

[1]Goreham V， Lake C. Influence of water on diffusion and porosity parameters of soil-cement materials[J]. Canadian Geotechnical Journal， 2013， 50（4）：351-358.

[2]Sunitsakul J， Sawatparnich A， Sawangsuriya A.Prediction of unconfined compressive strength of soil-cement at 7 days[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 2012， 30（1）：263-268.

[3]徐楊，閻長虹，許寶田，邵勇，阮曉紅.城市河道淤泥特性及改良試驗初探[J].水文地質工程地質，2013，40（01）：110-114.

[4]張鐵軍，楊家安，吉鋒.廢棄淤泥改良后作為路基填料的試驗研究[J].北方交通，2013（06）：16-19.

[5]桂躍，高玉峰，李振山，宋文智，蔡超.高含水率疏浚淤泥材料化土擊實時機選擇研究[J].地下空間與工程學報，2010，6（05）：1072-1076.

[6]張麗華，范昭平.石灰-粉煤灰改良高含水率疏浚淤泥的試驗[J].南京工業大學學報（自然科學版），2013，35（01）：91-95.

[7]董輝，程子華，劉禹岐，朱憲明.生物酶改良淤泥質土的時效強度試驗研究[J].水文地質工程地質，2020，47（02）：84-94.

[8]何振華，夏艷波，任睆遐.生物酶改良淤泥土基本工程特性試驗研究[J].河南城建學院學報，2020，29（01）：40-43.

[9]交通部公路科學研究院.JTG E40-2007，公路土工試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2007.