盾構渣土去鹽堿處理材料篩選

關鍵詞：盾構渣土；去鹽堿處理；地形用土；資源化利用

中圖分類號：TU986.3；X705 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）12-3004-09 doi：10.11654/jaes.2023-0961

盾構法是隧道暗挖法中一種全機械化施工方法，廣泛應用于地鐵和道路隧道建設施工中[1]，其產生的盾構渣土，也逐漸成為城市固體廢棄物的主要來源，給城市環境帶來了極大的挑戰[2]。為保證施工的順利進行、減小渣土對盾構機械磨損和增加渣土止水性，盾構掘進過程中會投加分散劑和絮凝劑，其分別含有大量的Na⁺鹽類和羧甲基類物質，且具有較高的堿度，從而導致產生的盾構渣土鹽堿化嚴重，表現為其鹽分含量過高、pH偏大和易于板結[3-4]。大量盾構渣土直接排放造成的危害包括占用土地資源、降低土壤質量、破壞市容和衛生環境。此外，堆體邊坡具有滑坡災害風險，風力作用下渣土易形成揚塵而污染大氣環境，自然降水條件下污染物下滲和平流會污染周邊土壤及地下水，從而影響航運及道路交通安全等[5-6]。

我國城市建筑垃圾如盾構渣土等無害化處理與資源化利用技術起步較晚，利用率低于美國、日本和歐洲等國家[7-8]。目前我國城市垃圾資源化利用率總體不足10%[9]。前人研究多關注地質工程技術，而對渣土改良和利用技術研究不足，盾構機械的刀具磨損和易“結泥餅”、盾構土倉閉塞、出土不暢等問題造成盾構機械損耗大、渣土環境污染問題突出。盾構渣土的利用方向主要是工程再利用[10]，部分被用于建筑材料[11]，傳統處理方式大多為空地露天堆放或填埋消納，少部分改良處理后作為路基填料、再生磚材、陶粒、同步注漿材料等再利用，總之其資源化利用率極低[12]。近年來，國家綠色城市、海綿城市和城市周邊礦山土地復墾都需要大量的土壤，公園建設等地方甚至出現用土荒，形成資源浪費與市場需求不對等；建設城市公園所需的地形用土和綠化地種植基質，在城市發展中有很大市場空間。因此，盾構渣土改良后的就地利用，具有成本低和促進循環經濟發展等優勢[13]。解決盾構渣土的鹽堿化、無害化和促進其地形用土和綠化基質利用，成為道路盾構出土迫在眉睫的關鍵技術問題。本研究通過實驗室模擬，以鈉基膨潤土型、純堿型和弱堿型等盾構渣土為對象，探究不同鹽堿處理材料對3種類型盾構渣土pH、電導率和全鹽量的影響，選擇技術、經濟適宜盾構渣土去鹽堿化材料，為盾構渣土安全無污染地用作地形用土和綠化基質提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

（1）盾構泥漿材料

鈉基膨潤土，主要成分是蒙脫石，灰白色粉狀固體，購于北京易秀博古生物科技有限公司；羧甲基纖維素（CMC），黏度300～800，白色粉狀固體，購于上海源葉生物科技有限公司；純堿，無水碳酸鈉，純度≥99.5%，白色顆粒狀固體，購于上海麥克林生化科技有限公司。

（2）盾構渣土去鹽堿處理材料

腐植酸（HA）：粉末狀固體，純度gt;70％，褐煤風化制成，購于山西豐聯公司。脫硫石膏（FGD，CaSO₄·2H₂O）：燃煤電廠脫硫副產物，購于天津天地豐源環境工程有限公司。紅石膏（CaSO₄·2H₂O、Fe₂SO₄等）：硫酸法鈦白粉生產副產物，購于天津天地豐源環境工程有限公司。木醋液：生物炭制備中產生的熱解副產物，純度gt;99％，pH2.8，購于石家莊宏森活性炭有限公司。

1.2 供試土壤

原樣渣土：渣土取自北京市東六環（京哈高速-潞苑北大街）改造工程地下8 m處。渣土取回后去除石塊等較大物質，將土樣鋪成薄層，自然風干3～5 d，經磨碎、過篩后置干燥陰涼處備用。其土壤質地為砂壤土，pH 8.06，電導率136.50 μS·cm^-1，全鹽量0.09 g·kg^-1，含水率13.02%。原樣渣土不存在鹽堿化和pH高等問題，但實際盾構渣土由于添加鈉基膨潤土、羧甲基纖維素和純堿等分散劑和絮凝劑，其渣土的鹽堿化問題非常突出[13]。本文以原樣渣土為基礎，配制3種常見類型的盾構渣土，以使本研究適應各類盾構渣土的改良。

模擬盾構渣土：盾構施工泥漿配制參考趙洪洲等[13]的試驗方法，以泥漿相對密度和黏度等為主要控制參數，采用膨潤土、羧甲基纖維素鈉及純堿為材料模擬盾構隧道3種常見的泥漿配比，加入到原樣渣土中，形成的模擬盾構渣土的基本理化性質見表1。

鈉基膨潤土型盾構渣土，即盾構渣土1：原渣土35%、鈉基膨潤土11%、羧甲基纖維素0.15%、純堿0.04%、去離子水53.81%，攪拌混勻，反應約1 h后，過60 目（0.25 mm）篩網，置于干燥陰涼處自然風干，直至其含水率達到約30%，收袋備用。pH偏高，電導率和全鹽量較小。

純堿型盾構渣土，即盾構渣土2：原渣土35%、鈉基膨潤土5%、羧甲基纖維素0.15%、純堿2%、去離子水57.85%，攪拌混勻，反應約1 h 后，過60目（0.25mm）篩網，置于干燥陰涼處自然風干，直至其含水率達到約30%，收袋備用。pH偏高，電導率和全鹽量較高。土壤溶液電導率與土壤質地、含水量和全鹽量等因素有關，盾構渣土2可能因為全鹽量的增加，導致電導率顯著增加。

弱堿型盾構渣土，即盾構渣土3：原渣土35%、鈉基膨潤土5%、羧甲基纖維素0.12%、純堿0.12%、去離子水59.76%，攪拌混勻，反應約1 h 后，過60 目（0.25 mm）篩網，置于干燥陰涼處自然風干，直至其含水率達到約30%，收袋備用。pH 偏高，電導率和全鹽量較小。

1.3 試驗設計

1.3.1 盾構渣土1去鹽堿處理試驗

稱取試驗盾構渣土1樣品50 g到100 mL離心管中，分別添加腐植酸、脫硫石膏、紅石膏和木醋液4種鹽堿處理材料。其中，腐植酸的添加量為土壤干質量的0.5%、0.8%、1.0%、1.2%、1.5%、1.8% 和2.0%；脫硫石膏的添加量為土壤干質量的1%、5%、8%、10%、12%、15%、18% 和20%；紅石膏的添加量同脫硫石膏；木醋液稀釋倍數為50、100、200、300、400倍和500倍，添加量為10 mL（田間持水量75%）。隨后加入去離子水，在恒溫振蕩器中振蕩約30 min，取出后反應約24 h，離心后測定上清液pH和電導率。未添加鹽堿處理材料的渣土為空白對照組渣土，以下簡稱空白渣土（CK）。

1.3.2 盾構渣土2去鹽堿處理試驗

稱取試驗盾構渣土2樣品50 g到100 mL離心管中，分別添加脫硫石膏和木醋液，脫硫石膏的添加量為土壤干質量的0.5%、0.8%、1.0%、1.2%、1.5%、1.8%、2.0%、2.5%、3.0%、5.0%、10.0% 和15.0%；木醋液稀釋倍數為10、15、20、25、50倍和75倍，添加量為10 mL（田間持水量75%）。隨后加入去離子水，在恒溫振蕩器中振蕩約30 min，取出后反應約24 h，離心后測定上清液pH和電導率。未添加鹽堿處理材料的渣土為空白渣土（CK）。

1.3.3 盾構渣土3去鹽堿處理試驗

稱取試驗盾構渣土3樣品50 g于100 mL離心管中，分別添加脫硫石膏和木醋液，脫硫石膏的添加量為土壤干質量的0.5%、0.8%、1.0%、1.2%、1.5%、1.8%、2.0%、2.5%、3.0%、5.0% 和10.0%；木醋液稀釋倍數為50、75、100、120、150、180、200、250 倍和300倍，添加量為10 mL（田間持水量75%）。隨后加入去離子水，在恒溫振蕩器中振蕩約30 min，取出后反應約24 h，離心后測定上清液pH和電導率。未添加鹽堿處理材料的渣土為空白渣土（CK）。

1.4 測定指標與方法

土壤pH采用水土比2.5∶1浸提法，由便攜式pH計（FE28）測定；土壤電導率采用水土比5∶1浸提法，由雷磁實驗室臺式電導率儀（DDS-307A）測定；土壤全鹽量采用烘干法測定。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel 2021 進行統計分析與誤差分析，采用Origin 2021繪圖。

2 結果與分析

2.1 盾構渣土1去鹽堿處理材料篩選及其效應

盾構渣土去鹽堿處理的核心是降低渣土的pH，電導率和全鹽含量較小。

2.1.1 對盾構渣土1 pH值的影響

如圖1所示，各鹽堿處理材料較空白均可降低盾構渣土1的pH值，其pH值與鹽堿材料添加量顯著負相關。腐植酸添加量為土壤干質量2.0%、木醋液稀釋倍數為50 倍時，盾構渣土1 的pH 值最低，分別為9.25和6.64，較空白降低6.66%和33.00%；脫硫石膏、紅石膏添加量為土壤干質量5.0% 時，盾構渣土1的pH 值降至8.0 以下，脫硫石膏添加量為土壤干質量1%時，盾構渣土1的pH為8.12，已接近8.0，推測添加量為2%時可使pH降至8.0以下。因此，相較腐植酸和木醋液，紅石膏和脫硫石膏處理對盾構渣土1 的pH值降低效果更好，其中脫硫石膏用量更少。所以，推測2% 脫硫石膏處理可滿足《公園設計規范》（GB51192—2016）和《園林綠地工程建設規范》（DB11/T1175—2015）對土質pH的要求。

2.1.2 對盾構渣土1電導率的影響

由圖2分析可知，各鹽堿處理材料較空白均可明顯提高盾構渣土的電導率，盾構渣土1的電導率與鹽堿材料添加量呈顯著正相關。腐植酸添加量為土壤干質量2.0%、木醋液稀釋倍數為300倍、脫硫石膏添加量為1.0%、紅石膏添加量為5.0%時，試驗盾構渣土1較空白渣土電導率值分別升高87.63%、61.53%、274.12% 和413.33%，總體上均高于渣土1未鹽堿處理時的電導率。比較可知，脫硫石膏和紅石膏較腐植酸和木醋液處理對盾構渣土電導率的影響更小。

2.1.3 對盾構渣土1全鹽量的影響

由圖3分析可知，添加鹽堿材料處理較空白均明顯提升盾構渣土1的全鹽量，渣土全鹽量與鹽堿材料添加量呈顯著正相關。腐植酸添加量為土壤干質量2.0%、木醋液稀釋倍數為300倍、脫硫石膏添加量為1.0%、紅石膏添加量為5.0%時，試驗盾構渣土1全鹽量分別較空白渣土升高103.79%、80.00%、411.89%和519.37%，含鹽量較對照有一定提高。相較脫硫石膏和紅石膏，腐植酸和木醋液處理對盾構渣土1全鹽量影響較小。

2.2 盾構渣土2去鹽堿處理材料篩選及其效應

根據盾構渣土1的結果，結合鹽堿處理材料的高效性、環保性和經濟性要求，從4種環境材料中暫篩選出木醋液和脫硫石膏兩種，以盾構渣土2為處理對象，核心是降低pH，并注意電導率和全鹽含量降低，進行鹽堿處理材料進一步篩選。

2.2.1 對盾構渣土2pH的影響

由圖4分析可知，添加鹽堿處理材料較空白均可降低盾構渣土2的pH值，pH值與鹽堿處理材料添加量呈顯著負相關。木醋液稀釋倍數為20倍、脫硫石膏添加量為土壤干質量的2.5% 時，試驗盾構渣土2的pH 由10.61 降至8.0 以下，較空白渣土分別降低38.90% 和23.81%。該類盾構渣土經2.5% 脫硫石膏處理可滿足《公園設計規范》和《園林綠地工程建設規范》對土質pH的要求。

2.2.2 對盾構渣土2電導率的影響

由圖5分析可知，添加鹽堿處理材料較空白均可明顯提升試驗盾構渣土2的電導率，電導率與鹽堿處理材料添加量呈顯著正相關。木醋液稀釋倍數為10倍、脫硫石膏添加量為土壤干質量的2.5%時，試驗盾構渣土2的電導率較空白分別升高8.73%和44.44%。

2.2.3 對盾構渣土2全鹽量的影響

由圖6 分析可知，添加鹽堿處理材料較空白均可明顯升高盾構渣土2的全鹽量，全鹽量與鹽堿處理材料添加量呈顯著正相關。木醋液稀釋倍數為10倍、脫硫石膏添加量為土壤干質量的2.5% 時，盾構渣土2 的全鹽量較空白對照分別升高25.54% 和37.23%。

2.3 盾構渣土3去鹽堿處理材料篩選及其效應

以盾構渣土2的結果，結合鹽堿處理材料篩選要求，發現脫硫石膏具有主要的功能性、環保性和經濟性，可用于盾構渣土鹽堿處理。以盾構渣土3為處理對象，核心是降低pH，進行鹽堿處理材料的進一步驗證和篩選。

2.3.1 對盾構渣土3pH的影響

由圖7分析可知，添加鹽堿處理材料較空白均可降低盾構渣土3的pH值，pH值與鹽堿處理材料添加量呈顯著負相關。木醋液稀釋倍數為300倍、脫硫石膏添加量為土壤干質量的0.5%時，盾構渣土3的pH值由9.87 降至8.0和7.5，較空白渣土分別降低15.41%和20.27%。0.5%脫硫石膏處理可以滿足《公園設計規范》和《園林綠地工程建設規范》對土質pH的要求。

2.3.2 對盾構渣土3電導率的影響

由圖8分析可知，添加鹽堿處理材料較空白均可明顯升高盾構渣土3的電導率，電導率與鹽堿處理材料添加量呈顯著正相關。相較空白渣土，木醋液稀釋倍數為300 倍、脫硫石膏添加量為土壤干質量0.5%時，盾構渣土3的電導率分別升高44.86%和262.00%。

2.3.3 對盾構渣土3全鹽量的影響

由圖9分析可知，添加鹽堿處理材料較空白均可明顯升高盾構渣土3的全鹽量，全鹽量與鹽堿處理材料添加量呈顯著正相關。木醋液稀釋倍數為300倍、脫硫石膏添加量為土壤干質量的0.5%時，盾構渣土3的全鹽量較空白分別升高58.83%和294.44%。

3 討論

3.1 處理材料對盾構渣土降鹽堿的機制

盾構渣土是一種重要的建筑垃圾資源，對其進行無害化處理，促進盾構渣土被充分利用于城市建設中，具有廢物可就地利用、成本低和促進循環經濟發展等優勢。以鈉基膨潤土型、純堿型和弱堿型盾構渣土為對象，研究腐植酸、木醋液、脫硫石膏和紅石膏對盾構渣土pH、電導率和全鹽量的影響，遵循高效、環保和經濟的環境材料選用原則，篩選用于盾構渣土鹽堿處理的材料。

盾構渣土鹽堿處理過程以酸中和堿、Ca²⁺代換土壤中的Na⁺為主要改良機理，降低土壤pH 和鈉鹽含量，有效改良土壤性質。腐植酸是一種弱酸性有機-無機兩性大分子，木醋液富含有機酸類物質，二者均可釋放出H+中和盾構渣土中OH^-，達到降低渣土堿性的目的，使得渣土的pH降低；同時，腐植酸和木醋液中含有較多的含氧官能團，其可膠連土壤顆粒形成土壤團聚體，改善土壤結構[14-17]。利用含鈣礦物質如脫硫石膏、紅石膏等對盾構渣土進行鹽堿處理，主要在于礦物質中含有的Ca²⁺作用[18]，Ca²⁺可交換替代渣土中的Na⁺，降低鹽分含量。

腐植酸能夠降低土壤堿分[19]，促使腐植酸-腐植酸鹽相互轉化的緩沖系統形成，從而降低土壤電導率[20]，同時腐植酸具有較高的陽離子交換量，可促進土壤鈉鹽脫附[21]。脫硫石膏和紅石膏的主要成分為CaSO₄·2H₂O 和少量的黏性物質等[22]，其可降低渣土表面的鈉鹽含量，置換Ca²⁺，通過腐植酸官能團與Ca²⁺的膠連形成土壤團粒結構[23]。然而，單施腐植酸處理鹽堿性盾構渣土效率不高，其多與其他環境材料配施[24]；紅石膏含有較多的鐵離子雜質，其Ca²⁺含量遠小于脫硫石膏[25]。二者鹽堿處理效率較低、環境經濟性較差，所以，脫硫石膏成為較好選擇。

3.2 處理材料用于盾構渣土改良的經濟性分析

結合盾構渣土1、2和3的試驗結果，從4種環境材料中暫篩選出木醋液和脫硫石膏，結合鹽堿處理材料的高效、環保和經濟要求對二者進行最終篩選[16，26-28]。

3.2.1 高效性

木醋液稀釋倍數為20倍、脫硫石膏添加量為土壤干質量的2.5%時，盾構渣土2的土壤pH值可降至8.0以下，較空白對照土壤pH 值分別降低22.13% 和20.46%，土壤電導率和全鹽量有所升高，但不影響地形用土。木醋液稀釋倍數為300倍、脫硫石膏添加量為土壤干質量的0.5%時，盾構渣土3的土壤pH值可降至8.0 以下，較空白對照土壤pH 值分別降低15.41%、20.27%，土壤電導率和全鹽量分別升高，但二者對盾構渣土鹽堿處理效率相差不大。

3.2.2 環保性

木醋液是pH 3的酸性有機混合物，主要成分為醋酸，富含有機酸、醛類、酚類、醇類和酮類等物質，由稻殼、椰殼、秸稈等廢棄木材熱解所得，純度大于90%，屬可生物降解材料。但木醋液屬油狀混合物并有一定氣味，用于處理盾構渣土時會使土壤存在憎水油狀物質，影響植物生長。脫硫石膏來源于燃煤煙氣脫硫過程，主要成分為CaSO₄·2H₂O和少量黏性物質，與天然石膏相似，純度大于90%，含堿量低、不含環芳香烴和二噁英等有害物質，重金屬含量也較低。少量脫硫石膏具有較高去鹽堿處理效率，電導率和全鹽量上升主要在于脫硫石膏含有鈣鹽，不會對人體健康和周圍環境造成危害，因此脫硫石膏更具環境友好性。

3.2.3 經濟性

木醋液和脫硫石膏均從市場購置，不考慮人工費和運輸費。同時處理1 t盾構渣土，若將其pH值降低至8.5以下，需木醋液原液和脫硫石膏分別為8.4 L和5 kg，其材料購置成本分別為8.4 元和0.25 元（市場價按木醋液1 000元·t^-1、脫硫石膏10元·t^-1計），故脫硫石膏的成本效益遠大于木醋液。

4 結論與展望

根據去鹽堿化的功能性、環保性和經濟性，確定脫硫石膏為盾構渣土鹽堿處理適宜材料。對于鈉基膨潤土型盾構渣土，脫硫石膏用量為渣土干質量2.0%時，盾構渣土pH可由9.91降低至8.0以下；對于純堿型盾構渣土，脫硫石膏用量2.5%時，pH由10.61降至8.0 以下；對于弱堿型盾構渣土，脫硫石膏用量0.5%時，盾構渣土pH可由9.87降低至8.0以下，滿足《公園設計規范》（GB 51192—2016）和《園林綠地工程建設規范》（DB11/T 1175—2015）對地形用土的要求。脫硫石膏對盾構渣土處理后可用作地形用土。

針對目前我國盾構渣土存在的問題，今后在其無害化和資源化利用方面還需加強以下方面研究：（1）加強改良后盾構渣土處置工藝研究，主要圍繞盾構渣土無害化處理技術和資源化利用技術，包括渣土用于地形用土、綠化基質用土、建筑材料和路基用土。（2）加強盾構渣土分級分類的性質分析，結合這些數據將盾構渣土三級分離以作為不同資源對待，結合城市用土市場（建材、綠化和環境治理等）進行應用技術配套的銷售。（3）加強研究和示范中土壤改良的成本核算、自身無污染和功能提升的融合，不斷完善盾構渣土去鹽堿處理及綠化基質改良應用，這些方法將有利于盾構渣土無害化和資源化，探索綠色建筑建設和施工的新思路。