工業廢渣改良泥水盾構渣土的路用性能試驗研究

摘要：為實現泥水盾構廢棄渣土的資源化利用，在石灰這一傳統改良材料的基礎上，通過摻入堿渣、脫硫石膏等工業廢渣，以期將盾構渣土改良為路基填料。通過室內擊實試驗、CBR試驗、無側限抗壓強度試驗、干濕循環試驗以及微觀試驗，研究石灰-堿渣、石灰-脫硫石膏改良盾構渣土的力學性能及其浸水穩定性與耐久性，并分析其改良機理。結果表明：摻入改良材料后，渣土的力學性能得到很大改善，水穩性與耐久性也大幅提高，具有較好的路用力學性能，其中石灰-脫硫石膏組的整體水穩性與耐久性優于石灰-堿渣組。干濕循環過程中，摻入3%脫硫石膏的試樣耐久性相對較好，在循環期間僅出現細小裂縫并未貫穿試樣。經過石灰與脫硫石膏等復合改良后，盾構渣土具有良好的路用力學性能，可以作為路基填筑材料使用。

關鍵詞：盾構渣土；工業廢渣；力學性能；干濕循環；微觀機理

中圖分類號：U416.1 """"文獻標志碼：A """"文章編號：2096-6717（2025）02-0066-10

Road performance investigation of slurry shield tunnel residue improved by industrial waste residues

GUO Qinying¹，"LI Baiyun²，"DING Jianwen¹，"CHEN Jiangang²，"SUN Shuai¹，MA Yunlong²

（1. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， P. R. China；"2. Foshan Transportat Sci amp; Technol Co. Ltd.， Foshan 528000， Guangdong， P. R. China）

Abstract： This study is carried out to investigate the resource utilization of mud water shield residue. Industrial waste residues such as alkali slag and desulfurization gypsum are reasonably used to be combined with the traditional lime， in order to convert waste mud into qualified roadbed filling materials. Through the laboratory compaction tests， CBR tests， unconfined compressive strength tests， wetting-drying cycle tests and microscopic tests， the mechanical properties， immersion stability and durability of shield tunnel residue improved by lime-alkali slag and lime-desulfurization gypsum were studied， and the improvement mechanism was analyzed. The test results show that the mechanical properties of the soil were improved significantly after compound improvement. The water stability and durability were also greatly improved， with better mechanical properties for road use. Among them， the overall water stability performance and durability of the lime-desulfurization gypsum groups were better than the lime-alkali slag groups. During the wetting-drying cycles， the durability of the specimens mixed with 3% desulfurization gypsum was better， with only small cracks not penetrating the specimens during the cycles. The study shows that the shield tunnel residue has good mechanical properties after compound improvement of lime and desulfurization gypsum， and can be used as roadbed filling materials.

Keywords： shield tunnel residue；"industrial waste residues；"mechanical properties；"wetting-drying cycle；"microscopic mechanism

近年來，隨著城軌交通的迅猛發展，泥水平衡盾構法憑借其安全高效的優點被廣泛運用于隧道工程建設中^[1]。但盾構施工過程中會產生大量廢棄余泥渣土，由于存在工程性能差、外運成本高等問題，這些工程渣土大多未得到有效利用就直接消納棄置處理，造成了渣土資源浪費和生態環保問題，因此，工程渣土減量化處理及資源化利用迫在眉睫^[2]。同時，伴隨著公路建設的蓬勃發展，路基填筑材料需求量巨大^[3]，如能將工程廢棄渣土改良用作路基填筑材料，對于有效降低建設成本，實現盾構渣土的資源化利用具有重要意義。

目前，渣土的資源化利用途徑主要包括：用作掘進泥漿或壁后注漿材料，制備燒結磚、高強陶粒及新型墻體材料，道路基礎鋪墊等^[4-5]。在盾構開挖過程中，為了保證掘進順利，一般會向土體中摻入泡沫、膨潤土、高分子聚合物等改性劑來提高流塑性，故相較于直接開挖土，盾構渣土具有較高的液限，需要經過改良處理才能用于道路基礎鋪筑。其中，一般處理方法以物理改良為主，通過摻砂、脫水干化等方式降低盾構渣土的液限^[6-7]，使其滿足路用性能要求；但由于缺乏晾曬場地和砂石等原料成本較高，不利于其大規模工程應用。此外，對于初始含水率較高的不良路基填料，工程上也常進行摻灰處理^[8-10]，通過摻入石灰降低路基填料的含水率，減小膨脹變形，使其路用性能滿足規范要求，但單摻石灰成本高且對改良土的水穩性提升作用不佳^[11]。針對盾構渣土處理方式單一且難以大規模應用的現狀，參考現有的關于土體化學改良方法，將工業廢渣，如電石渣^[12]、稻殼灰^[13]、礦渣^[14]等運用到渣土改良中，開展石灰與工業廢渣復合改良盾構渣土的試驗研究，實現固廢的再生利用，同時為改良盾構渣土在路基填筑中的大規模運用提供參考。

基于此，依托佛山市季華路西延線成套工程關鍵技術，根據佛山地鐵中山公園站盾構渣土性質以及當地工業固廢堆存情況，在石灰這一傳統改良材料的基礎上，利用堿渣、脫硫石膏等工業廢渣進行復合改良。選用6組不同配比，開展室內擊實試驗、CBR試驗、無側限抗壓強度試驗、干濕循環試驗以及微觀試驗，驗證改良配比的可行性，為后續現場路基鋪筑提供室內研究基礎和工程指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土為佛山地鐵中山公園段隧道開挖產生的渣土，渣土原貌如圖1所示。渣土的顆粒分布曲線如圖2所示，渣土的基本物理性質指標如表1所示，土樣的粗粒含量為57.1%，粉粒含量為27.8%，黏粒含量為15.1%。

盾構渣土中含有以膨潤土為主的改性劑，在實際施工過程中，膨潤土泥漿濃度為10%，注入比控制在15%左右。膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，層與層之間通過分子間力聯結，層間結構松散，極易與水分子結合，吸水能力強^[15]。因此，渣土的液限較高，無法直接利用，需要經過改良處理之后才能用作路基填筑材料。

生石灰、堿渣及脫硫石膏取自施工現場，通過X射線熒光光譜分析（XRF），得出盾構渣土及改良材料的主要氧化物成分，如表2所示。X射線衍射圖譜如圖3所示，可以看出，渣土的主要物相成分為SiO₂及少量的CaCO₃、Al₂O₃、Fe₂O₃；堿渣中含大量的CaCO₃以及少量的CaSO₄，為渣土改良提供了堿性條件；脫硫石膏則為后續的反應提供大量的SO₄^2-。

1.2 試驗方法

現有研究表明，當塑性指數較大時，石灰摻量可控制在3%～9%之間^[16-17]，在此基礎上，綜合考慮廣東佛山地區周邊工業固廢堆存情況，利用堿渣、脫硫石膏進行復合改良，設計試驗配比如表3所示。

將現場取回的渣土風干并過2 mm的土工篩，按照預設配比采用干土法進行試驗。重型Ⅱ-2擊實試驗、無側限抗壓強度試驗、CBR試驗均根據《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020）^[18]中的試驗方法開展。

重型Ⅱ-2擊實試驗中，每組配比制備5個不同含水率的試樣，按2%含水率遞增，根據擊實曲線得出素土及各配比試樣的最佳含水率與最大干密度。按照96%的壓實度及最佳含水率計算CBR試驗用料，試驗前一天備料并悶料一晝夜后，按重Ⅱ-2 型擊實試驗流程進行擊實制樣，每組制備3個平行樣，浸水4 d后測量其膨脹量變化并進行貫入試驗。

無側限抗壓強度試驗選定試樣尺寸為Φ50 mm×50 mm的圓柱體，按照擊實試驗所得最大干密度、最佳含水率并控制96%壓實度計算試樣用量。試樣采用靜壓成型法，每組試樣每個齡期制備6個平行樣，設定標準養護齡期為7、14、28、60 d。達到對應養護齡期的前一天，取出3個平行試樣，浸水24 h后與標準養護試樣一同進行無側限抗壓強度試驗。將同一齡期浸水試樣的無側限抗壓強度均值與標準養護試樣無側限抗壓強度均值的比值K作為衡量改良材料水穩性的參考依據。

為了進一步探究改良土體的耐久性能，參考已知同類研究進行干濕循環試驗^[19-20]。標準養護28 d后，對試樣進行稱重、編號，測量其初始直徑與高度，將試樣放入烘箱中烘16 h，取出拍照并測量其尺寸與質量的變化，待試樣冷卻后，放入水箱中，緩慢注水直至沒過試樣頂面，浸泡8 h，此為一次干濕循環，重復5次，完成5級干濕循環。

最后，在標準養護28 d后的試樣中取1 cm³土樣進行電鏡掃描試驗（SEM）以及X射線衍射試驗（XRD），觀察其微觀結構，分析其改良機理。

2 試驗結果分析

2.1 擊實特性

不同配比下改良土的擊實試驗結果如表4所示，可以看出，在盾構渣土中加入改良材料后，最佳含水率顯著升高，最大干密度顯著降低。這是因為石灰、堿渣、脫硫石膏均為電解質材料，在反應初期，迅速電離出高價陽離子，并與土顆粒周圍的低價陽離子發生離子交換作用，增加了土顆粒間的結合能力，形成穩定的團粒結構，阻止水分進入內部，使得改良土的最佳含水率顯著增加；改良材料的相對密度小于盾構渣土，從而導致最大干密度下降^[21]。

2.2 CBR值

加州承載比CBR值是評定路基承載能力的主要指標，反映了路基抵抗局部剪切破壞的能力。各組配比的膨脹量與CBR值如圖4所示，其中，素土試樣的CBR值和膨脹量分別為8.1%、3.0%；石灰-堿渣組對應的CBR值為135.3%、137.4%、147.7%；石灰-脫硫石膏組的CBR值分別為137.4%、141.4%、125.8%。對比素土8.1%的CBR值可以看出，改良土的CBR值分別是素土的16.7、17.0、18.2、17.0、17.5、15.5倍，有了明顯提升。CBR強度的提升主要來自于火山灰反應產物水化硅酸鈣（C-S-H）與水化鋁酸鈣（C-A-H）^[22]，反應方程式如式（1）～式（3）所示，這些膠凝物質填充了土體空隙，提高了顆粒間的聯結能力，形成了致密的土體結構，使各組改良土的局部抗剪切破壞能力得到了極大改善。

當石灰摻量一定時，隨著堿渣摻量的增加，改良土的CBR值持續增加，而膨脹量則維持在0.30%～0.35%之間，總體而言變化不大。說明適當提高堿渣摻量有助于提高土體的CBR強度，同時對于膨脹量的影響較小。而隨著脫硫石膏摻量的增加，改良土的CBR值略有降低，膨脹量則持續增加。這是因為生石灰熟化產生大量的Ca（OH）₂膠體，Ca（OH）₂與土體中的活性Al₂O₃以及脫硫石膏中的SO₄^2-反應，生成水化硫鋁酸鈣（即鈣礬石AFt），反應方程式如式（4）所示。鈣礬石填充了顆粒間的空隙，使得CBR強度有所提高，且鈣礬石的生成量隨著脫硫石膏摻量的增加而不斷增加。由于鈣礬石具有一定的膨脹性，能夠吸收大量的水分子，增大顆粒間的排斥作用^[23]，從而導致石灰-脫硫石膏改良土的膨脹量不斷增大。隨著膨脹量的持續增加，改良土中已有膠結被破壞，微觀結構劣化，并最終導致強度降低。總體而言，各組配比的膨脹量均在0.5%以內，可見改良土的膨脹趨勢不強^[24]。

2.3 無側限抗壓強度

圖5表示各組配比無側限抗壓強度q_u隨齡期變化的關系。可以看出，摻入改良材料后土體的力學性能得到較大改善，其7 d無側限抗壓強度可由初始的0.44 MPa提升至1.7 MPa以上。同一齡期下，改良土的q_u隨著堿渣、脫硫石膏摻量的增加而增大；同一配比下，改良土的q_u隨養護齡期的增加而增大；7 d養護齡期時，各個配比的q_u排序為D3gt;D2gt;C3gt;D1=C2gt;C1，結合各配比的總摻量可知，在相同摻量甚至更低摻量條件下，脫硫石膏就可達到與堿渣相同甚至優于堿渣的改良效果；7～28 d齡期間，石灰-堿渣組的q_u大幅增加，石灰-脫硫石膏組的增長則較為緩慢，28 d齡期后，兩組增速均逐步減緩。這是由于與堿渣相比，脫硫石膏中含有大量的硫酸鈣，在反應初期，大量的硫酸鈣迅速與火山灰反應產物結合，生成鈣礬石，填充土顆粒間的空隙，提高土體強度；隨著硫酸根離子的消耗與體系pH值的降低，且一部分AFt（高硫型水化硫鋁酸鈣）轉化為亞穩平衡水化物AFm（單硫型水化硫鋁酸鈣），導致強度增長速率明顯降低。相比之下，石灰與堿渣的組合則提供了強堿性環境，可以不斷促進渣土中活性硅離子與鋁離子的溶出，火山灰反應持續進行，土體聚合形成骨架，同時吸附軟土小顆粒，形成較大的凝膠團，使得土體強度進一步提高。

圖6為浸水前后q_u對比圖，可以看出，浸水后各組試樣的q_u明顯下降，且隨著齡期的增長，強度損失逐漸減小。各組配比的水穩系數K隨齡期變化的關系如圖7所示。由圖7可知，28 d齡期內，各組試樣的水穩系數隨著齡期的增加迅速增長，之后趨于平緩。對比各配比水穩系數可知，在石灰摻量一定的情況下，改良土的水穩性隨著堿渣、脫硫石膏摻量的增加而增大。當堿渣摻量由3%增至4%時，改良土的水穩系數增長緩慢，而當堿渣摻量增至6%時，試樣的水穩性顯著提高，養護27 d、浸水1 d后的水穩系數達到0.67。同時，當脫硫石膏摻量由1%增至3%時，28 d齡期內試樣的水穩系數顯著提高，養護27 d，浸水1 d后的水穩系數從0.62提高至0.70，增幅達到12.9%，當脫硫石膏摻量從3%增至5%時，水穩系數增幅為8.6%，改良土的水穩性進一步提高。此外，D1組的水穩系數曲線位于C1、C2組上方，D2、D3組的水穩曲線均位于C3組上方，說明在各個對應齡期內D1組的水穩性均優于C1、C2組，D2、D3組的水穩性均優于C3組，進一步說明在同等摻量甚至更少摻量的情況下石灰-脫硫石膏組便可達到更優的水穩性。各組配比均可滿足規范規定的高速、一級公路的底基層無側限抗壓強度要求（石灰穩定材料的7 d無側限抗壓強度≥0.8 MPa），說明上述改良材料與土體之間的離子交換以及火山灰反應能夠有效促進試樣內部形成較為穩定的骨架結構，同時進一步提升改良土抵抗侵蝕破壞的能力。

2.4 干濕循環

佛山市地處東南沿海，夏季氣溫高，且時常遭受臺風暴雨侵襲，在降水與蒸發的季節性作用下，道路路基長期處于飽和與非飽和交替的環境中^[25]，因此，需要考慮多次干濕交替對路基填料強度的影響。結合CBR試驗結果及無側限抗壓強度試驗結果，選取C3（3%石灰+6%堿渣）和D2（3%石灰+ 3%脫硫石膏）兩個配比進行干濕循環測試。

圖8為28 d齡期時兩個配比5級循環后的表觀狀態，由圖8可見，在循環過程中，試樣底面均出現剝落；在第1次干濕循環后，摻6%堿渣的試樣整體出現明顯裂縫，隨著循環級數不斷增加，表面裂縫擴大并逐漸延伸貫穿至整體，而摻3%脫硫石膏的試樣則表現出良好的穩定性，循環期間僅出現細小裂縫且未貫穿試樣表面。

圖9為每級循環結束后試樣高度與質量損失率的變化，第1～3級循環時，質量損失率增加幅度較大，隨后緩慢增加，5級干濕循環后C3組、D2組的質量損失率分別為3.76%、2.63%；在進行循環的過程中，試樣高度變化量持續增大，結合試樣表觀形態可知，隨著循環不斷進行，試樣劣化，浸水后剝落顆粒變多并最終導致高度降低。

在干濕循環作用下，試樣的無側限抗壓強度變化規律如圖10所示，從圖10中可以看出，28 d齡期時試樣的q_u隨著干濕循環級數的增加而降低。1級干濕循環作用下，改良土強度大幅度下降，相較于同標準養護條件下的試樣（Control Group，圖中以CG表示），C組和D組強度分別降低了46.27 %和31.95%；3級干濕循環后，q_u進一步下降，降幅達到65.32%、59.16%，5級循環結束后，降幅則達到73.30%、69.31%。總體來說，3%石灰+3%脫硫石膏組的耐久性能優于3%石灰+6%堿渣組。分析其原因，干濕循環作用使得水分在試樣內反復浸入和蒸出，雖然在干燥的過程中烘干溫度的變化能夠促進水化反應，增加水化產物，提高膠結能力，但與此同時，試樣內外含水率的差異也會使試樣表面產生拉應力，此時，顆粒間的膠結作用不足以抵抗拉應力，進而產生裂隙^[25]。隨著循環級數的增加，微裂隙進一步擴大，從而導致土體結構遭到破壞，土體的強度降低。相較于C3組，D2組水化產物生成量更高，填充了孔隙，密實了土體，因此，D2組產生裂縫較少，耐久性能優于C3組。

3 微觀試驗結果與改良機理

3.1 微觀試驗分析

為了進一步研究石灰、堿渣、脫硫石膏改良盾構渣土的微觀機理，取C3與D2配比的28 d標準養護試樣進行掃描電鏡試驗（SEM）以及X射線衍射試驗（XRD）。

圖11為不同放大倍數下素土與改良土的掃描電鏡圖，對比圖11（a）～（c）可以看出，素土顆粒間存在較大空隙，顆粒間的聯結較弱，宏觀表現為素土試樣強度較低，且浸泡后水分滲透迅速，土顆粒易崩解散落。當摻入改良材料后，改良土的微觀形貌更為致密，顆粒間的空隙被填充，聯結能力提高，宏觀表現為土體的抗壓強度與水穩性大幅提高。

從圖11（d）～（e）可以看出，經過一系列反應后，生成的水化產物主要有圓形粒子狀C-S-H凝膠，片狀的AFm以及針棒狀的AFt^[26]，這些膠凝物質堆積形成一些大塊的無定形凝膠，包裹住黏粒及大直徑晶體，從而形成致密的結晶網狀結構。其中，石灰-脫硫石膏組中存在大量的無定形凝膠，相較于石灰-堿渣組，空隙較小，整體更為密實。

圖12為兩組改良材料28 d標準養護試樣的XRD衍射圖，在衍射圖譜中，鈣礬石在低衍射角度有尖銳的衍射峰，因此，為了更好識別鈣礬石等水化產物，探究鈣礬石生成量對兩組改良材料穩定性的影響，圖12中截取了低衍射角度（5°～25°）的XRD衍射圖進行進一步分析。可以看出，在低衍射角度中，試樣的主要物相有石英（SiO₂）、鈣礬石（AFt）、氧化鋁（Al₂O₃）、石膏（Gyp）、碳酸鈣（CaCO₃），且較C3組而言，D2組的AFt衍射峰更高更窄，說明D2組生成了更多的AFt填充空隙，使得其耐久性及水穩性優于C3組。

3.2 改良機理分析

根據SEM掃描電鏡的結果可以看出，C3組與D2組改良土經28 d標準養護后生成的物質大致相同，主要為C-S-H、C-A-H、AFt和AFm等，其與盾構渣土的反應主要包括以下幾個方面，微觀機理如圖13所示。

1）生石灰消化反應。CaO與水反應生成Ca（OH）₂，見式（1），為后續反應的發生提供了堿性環境，激發黏土顆粒不斷溶解出活性氧化鋁與氧化硅，同時釋放大量水化熱，促進反應朝正向進行。

2）離子交換與絮凝作用。石灰、堿渣、脫硫石膏均為電解質材料，電離出的二價陽離子（Ca²⁺、Mg²⁺）容易置換出蒙脫石等黏土礦物顆粒表面吸附的一價陽離子（K⁺、Na⁺）^[27]，使得黏土顆粒表面的雙電層結構被破壞，外電層中的弱結合水被釋放，參與到水化反應中，使得外電層水膜變薄，如圖14所示^[28]。同時，離子交換使陽離子價位提高，顆粒間的排斥作用減小，雙電層水膜進一步減薄，產生絮凝作用^[28]，從而增加土顆粒間的結合力，形成穩定的團粒結構，達到良好的改良效果。

3）膠結作用。改良材料中的Ca（OH）₂、CaSO₄與黏性土中的活性SiO₂、Al₂O₃等發生火山灰反應，生成C-S-H、C-A-H和AFt等膠凝物質，見式（2）～式（4），當CaSO₄不足時，一部分AFt將轉化為AFm，見式（5），這些膠凝物質具有水硬性，能在水環境下發生硬化，降低改良土的滲透性，形成致密的網狀結構，將土顆粒更好地聯結在一起，增加改良土體的強度及穩定性。

4）碳化作用。土體中的Ca（OH）₂與空氣中的二氧化碳發生碳化作用，形成具有微結晶性的鈣-碳黏結物質，進一步提高土體的密實度，但碳化作用比較漫長且大多發生在試樣表面。

3.3 討論

兩組改良土的強度增長主要來源于離子交換反應和膠結作用，但在不同的養護齡期，反應的側重點卻略有不同。在反應初期，改良材料電離出大量的Ca²⁺與黏土顆粒周圍的低價陽離子發生離子交換與絮凝作用，形成早期強度；隨著齡期的增長，火山灰反應不斷進行，生成大量膠凝產物，形成致密的網狀結構，保證了強度的增長及穩定，在這個過程中，與堿渣相比，脫硫石膏中SO₄^2-含量更高，生成更多的AFt填充空隙，因此，D2組（石灰-脫硫石膏組）前期的q_u大于C3組（石灰-堿渣組）；反應后期，火山灰反應持續進行，C組q_u不斷增長，而脫硫石膏難以為火山灰反應提供必要的堿性環境，導致D組后期q_u增長緩慢，兩組改良土的長期強度接近并趨于穩定。

4 結論

以廣東佛山某泥水盾構渣土為研究對象，開展利用工業廢渣改良渣土的室內試驗，研究石灰-堿渣、石灰-脫硫石膏復合改良盾構渣土用作路基填料的可行性。主要結論如下：

1）摻入改良材料后，土體的力學性能得到了較大改善，各配比的CBR強度與無側限抗壓強度均大幅提高；在相同甚至更低的摻量下，脫硫石膏便可達到與堿渣相同甚至優于堿渣的改良效果。

2）改良材料大幅提高了土體的水穩性能，水穩系數隨著齡期及改良材料摻量的增加而逐步增長；28 d齡期內水穩系數迅速增長，后趨于平緩；當堿渣摻量由4%增至6%、脫硫石膏摻量由1%增至3%時，水穩系數明顯增加；石灰-脫硫石膏組的整體水穩性優于石灰-堿渣組。

3）干濕循環過程中，試樣底面出現剝落現象，在第1次干濕循環后，摻6%堿渣的試樣就出現明顯裂縫，隨后裂縫擴大并貫穿至整體，而摻3%脫硫石膏的試樣耐久性相對較好，在循環期間僅出現細小裂縫且并未貫穿試樣表面。

4）室內擊實試驗、CBR試驗、無側限抗壓強度試驗、干濕循環試驗以及微觀試驗表明，經過石灰與脫硫石膏等復合改良后，盾構渣土具有良好的路用力學性能，可以作為良質路基填筑材料。

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（編輯""王秀玲）