淤泥質(zhì)土固化及路用性能試驗研究

徐日慶，朱坤垅，黃偉，閆自海，張崗平，嚴(yán)佳佳，張明明，張白羚

（1.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，浙江杭州 310058；2.杭州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理中心，浙江杭州 311103；3.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 311122；4.浙江省城市地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心，浙江杭州 310058）

隨著國內(nèi)各類基礎(chǔ)設(shè)施的不斷擴建，在我國沿海地區(qū)及河道分布地帶，每年都會產(chǎn)生大量的淤泥和淤泥質(zhì)土.淤泥質(zhì)土具備含水率高、壓縮性大、承載力低和滲透性差的特點［1］，大量淤泥質(zhì)土的堆放，必定會帶來污染環(huán)境、占用城市空間及堆放運輸成本較高的問題，在此背景下，開始了對淤泥質(zhì)土固化后用于就近路基的研究.

以往對淤泥質(zhì)土的固化，多采用硅酸鹽水泥［2-3］或者石灰［4］，并通過添加劑來提高固化土的性能［5-9］，然而傳統(tǒng)材料價格昂貴，而且生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生CO2等溫室氣體.根據(jù)工信部統(tǒng)計，2019 年我國工業(yè)廢料產(chǎn)量約為35.43 億t，處理量和綜合利用量分別為8.78 億t 和19.49 億t，綜合利用率約為55.02%，有待進一步提升.可以考慮將工業(yè)廢料加入淤泥質(zhì)土中，研究符合路用性能的固化材料.

當(dāng)前有不少學(xué)者研究工業(yè)廢料固化淤泥質(zhì)土，并取得一定成果.彭小芹等［10］用鋼渣、礦渣、水玻璃和緩凝劑制成一種膠凝材料，測試發(fā)現(xiàn)其凝結(jié)時間和強度可以滿足42.5 普硅水泥的技術(shù)要求.黃煜鑌等［11］發(fā)現(xiàn)摻入20%左右的流化床燃煤固硫灰渣可以顯著提高淤泥質(zhì)土強度，符合路基填土要求.吳俊等［12］用礦渣-粉煤灰基聚合物代替硅酸鹽水泥固化淤泥質(zhì)土，并摻入部分固體激發(fā)劑，通過室內(nèi)強度試驗發(fā)現(xiàn)該體系下固化土14 d 強度大幅提升，其固化機理為新生成聚合物的膠結(jié)作用.Yadu 等［13］通過無側(cè)限抗壓強度試驗發(fā)現(xiàn)9%的粒化高爐礦渣改性軟土比未處理土壤高約28%，但是過多的礦渣粉對強度的提高作用有限.吳燕開等［14］將鋼渣粉和堿激發(fā)劑燒堿加入淤泥質(zhì)土中，通過試驗發(fā)現(xiàn)固化土無側(cè)限抗壓強度隨著燒堿摻量的增加先增加后減小，說明過多的堿激發(fā)劑對固化土強度反而有抑制作用.姚君等［15］采用壓汞試驗和孔隙度試驗分析粉煤灰和礦粉固化后的淤泥質(zhì)土，發(fā)現(xiàn)28 d齡期以后，固化土的有效孔隙度改變不大，多孔隙由中孔轉(zhuǎn)為微孔，這是固化土強度提升的一個主要原因.Ogundare 等［16］用蔗渣灰和稻殼灰固化尼日利亞阿多?；偻寥?，發(fā)現(xiàn)隨著兩種摻入劑的增加，穩(wěn)定土的飽和含水率略有下降，且在火山灰反應(yīng)作用下固化土強度比原狀土有較大提高.徐日慶等［17］研究以二灰土為主固化劑、TZ-01 為添加劑的固化材料對淤泥質(zhì)土的固化效果，發(fā)現(xiàn)淤泥質(zhì)土含水率阻礙固化土強度的增長，添加劑摻入比存在一個最佳摻量.

鑒于此，本文將針對臺州淤泥質(zhì)軟土，通過混料試驗得到符合路用強度要求的新型固化材料配方，并進行包含水穩(wěn)性和干濕循環(huán)特性的路用性能的驗證.

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

1.1.1 淤泥質(zhì)土

本試驗土壤取自臺州淤泥質(zhì)軟土，該土壤屬于海相軟土，基本參數(shù)見表1.

表1 淤泥質(zhì)土基本參數(shù)Tab.1 Parameters of silt soil

1.1.2 固化材料

包含工業(yè)廢料的無機化合物的固化機理主要是各成分之間的物理和化學(xué)作用，主要包括水化反應(yīng)、火山灰反應(yīng)［18-20］、脹填充作用、離子交換作用和碳化反應(yīng).為充分利用火山灰反應(yīng)，并盡量減少固化土固化后過于膨脹給路基帶來的弊端，選擇使用高爐礦渣、電石渣和粉煤灰為固化材料進行試驗.

高爐礦渣的主要礦物組成成分有氧化鈣、氧化鋁和二氧化硅等氧化物，為火山灰反應(yīng)提供原材料，且由于其顆粒較水泥更小，比表面積更大，能夠更充分反應(yīng)，發(fā)揮其活性，達(dá)到一定固化效果，并且減小污染.粉煤灰燃料燃燒過程中排出的微小灰粒，其主要成分為硅和鋁氧化物，粉煤灰本身具有火山灰活性，但沒有膠凝性，只有在堿性和類似高爐礦渣的激活物激發(fā)下才具有活性，主要配合高爐礦渣進行火山灰反應(yīng).電石渣是電石水解制取乙炔的過程中產(chǎn)生的廢渣，其成分絕大部分是氫氧化鈣，為火山灰反應(yīng)提供充足的堿性物質(zhì)，充分發(fā)揮反應(yīng)物的活性.

3 種材料取自浙江化工廠，主要化學(xué)成分如表2所示.

表2 固化材料主要化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of curing material %

1.2 試樣準(zhǔn)備

實際工程中，淤泥質(zhì)土晾干或者脫水至一定含水率后再進行固化，可以降低運輸成本.試驗所用淤泥質(zhì)土，烘干碾碎后，按照35%的含水率配制試驗原料土.

試樣準(zhǔn)備即制樣過程.制樣過程中，先稱量好各材料，混合后立即進行攪拌，并將土樣分4 層裝入三瓣膜中，逐層用擊實錘擊實后，將制好后包含模具的試樣放入水中養(yǎng)護24 h，之后拆模用保鮮膜包好，做好標(biāo)簽并放入恒溫恒濕的養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護.相同齡期相同配比的試驗制作3 個平行樣，一旦測得平行樣強度誤差為5%以上，應(yīng)當(dāng)重新制樣.

1.3 試驗過程

1.3.1 無側(cè)限試驗

測樣采用WDW-T50 微機控制電子式萬能試驗機，測量試樣的無側(cè)限抗壓強度.

測量無側(cè)限抗壓強度前，用游標(biāo)卡尺測得試樣的直徑與高度，用于應(yīng)變的計算.測量試樣時，試樣放置于下加壓板的中心位置，防止產(chǎn)生偏心力，并使得上加壓板與試樣頂部剛好接觸，之后將位移計和軸力計的讀數(shù)歸零.然后使上加壓板以1 mm∕min 的速率下降，對試樣施加壓應(yīng)力，并自動采集該試樣應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù).在應(yīng)力達(dá)到峰值后再進行3%～5%的軸向變形即可停止加壓，觀察試樣破壞形狀，對數(shù)據(jù)處理得到應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系.若試樣偏應(yīng)變硬化的特性，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線無峰值，則試驗應(yīng)進行到軸向應(yīng)變達(dá)到20%為止.獲取采集的數(shù)據(jù)，繪制試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，取軸向應(yīng)力的峰值作為所測試樣的無側(cè)限抗壓強度qu，無峰值則取軸向應(yīng)變?yōu)?0%所對應(yīng)的軸向應(yīng)力為qu.

1.3.2 混料試驗

對于各添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相加為1 的試驗設(shè)計，可以考慮采用混料試驗設(shè)計.本試驗含有高爐礦渣、粉煤灰和電石渣3 種變量，通過合理地安排混料試驗，采用單形重心設(shè)計的方法，考察各種混料成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與試驗指標(biāo)之間的關(guān)系.該方法具有計算簡捷、周期較短、分析容易、能夠得到最佳混料配比等優(yōu)點.

假設(shè)高爐礦渣、粉煤灰和電石渣相對總添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為x1、x2、x3，所得到的無側(cè)限抗壓強度為y，則該試驗為了建立強度與3 個變量之間的回歸關(guān)系，其約束條件為：

為節(jié)約成本，并能達(dá)到固化的效果，試驗開始前根據(jù)不同的總固化材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比試做幾個試驗，根據(jù)初始試做的結(jié)果，本試驗采取15%的總固化材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比，即總固化材料摻量為土樣重量的15%.具體的試驗組別設(shè)計見表3.其中，A、B、C分別為高爐礦渣、粉煤灰和電石渣的真實質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表3 試驗組別設(shè)計Tab.3 Group design of the test

1.3.3 水穩(wěn)性試驗

水穩(wěn)性是材料在浸水作用下抵抗水分侵蝕而保持其強度的能力.路基土容易受到雨水和其他水文地質(zhì)條件的影響，需要考察其水穩(wěn)性.可以采用水穩(wěn)系數(shù)K來衡量水穩(wěn)性，定義為［21］：

式中：Y水為試樣養(yǎng)護至齡期的前一天，浸水24 h，擦干試樣表面水后測得的無側(cè)限抗壓強度；Y為試樣養(yǎng)護至相應(yīng)齡期后，測得的無側(cè)限抗壓強度.

制取ZX20 固化的固化土與石灰土的試樣，測定無側(cè)限抗壓強度并計算在7 d、14 d 和28 d 3 種齡期下的水穩(wěn)性.結(jié)合本次試驗和其他研究成果［22］，二灰土中粉煤灰與生石灰質(zhì)量比為3∶1.

1.3.4 干濕循環(huán)試驗

由于路基填筑現(xiàn)場天氣變化劇烈，而且該種土壤中含有較多親水性礦物，有較強的脹縮性，需要考慮干濕循環(huán)下改性路基土的強度與變形變化.

制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，養(yǎng)護至28 d齡期，吸濕過程首先將試樣放入真空飽和器中抽真空，再浸水飽和24 h，飽和完成后擦干表面水分，達(dá)到含水率35%則完成增濕至飽和狀態(tài).脫濕過程將試樣放入恒溫恒濕箱中脫濕（40 ℃，濕度為30%），每3 h稱一次重量，計算含水率，含水率為20%則完成脫濕環(huán)節(jié).試驗進行4次干濕循環(huán)，通過萬能試驗機，得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

2 試驗結(jié)果

2.1 無側(cè)限試驗結(jié)果分析

根據(jù)所設(shè)計的試驗，測量各個試樣的無側(cè)限抗壓強度，得到的結(jié)果如表4所示.

表4 固化強度數(shù)據(jù)Tab.4 Date of curing strength kPa

通過觀察數(shù)據(jù)，高爐礦渣、粉煤灰和電石渣在7 d齡期時強度均偏低，在14 d 齡期時試驗中最高強度達(dá)到700 kPa 以上，在28 d 齡期時強度高達(dá)1.3 MPa，說明該種固化材料早期強度較低，后期強度上升大.

分析出現(xiàn)該種現(xiàn)象的原因，可能是由于該種淤泥質(zhì)土含水率偏高，在短時間內(nèi)固化劑無法和水充分反應(yīng)，即使生成部分膠凝劑粘接部分土體，固化土也呈現(xiàn)部分流塑狀態(tài)，強度不高；而隨固化劑和土內(nèi)的水分充分反應(yīng)，生成越來越多的膠凝物，其強度自然大幅提升.

2.2 混料試驗結(jié)果分析

2.2.1 不同齡期下強度模型的建立

本文采用Design-Expert軟件對混料試驗結(jié)果進行分析，考慮7 d齡期強度偏低，遠(yuǎn)不能滿足固化土路基的強度要求，故不再分析7 d 齡期強度下的固化效果.

齡期為14 d 時，試驗組中固化土強度等高線圖如圖1 所示.通過模型計算，當(dāng)x1=0.517，x2=0.144，x3=0.339 時，固化土在14 d 齡期的強度最高可以達(dá)到826.464 kPa.此時，計算得到高爐礦渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.75%，粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.16%，電石渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.09%.該強度勉強達(dá)到路基土所需的最低強度，不過保守來看，還需要更長時間的養(yǎng)護.

圖1 固化土14 d 齡期下強度等高線圖Fig.1 Strength contour map of solidified soil at 14 d

計算所得模型方程剔除不顯著項，修正后用于描述擬合度的判定系數(shù)R2為0.970 6，模型回歸方程為：

式中：y14d為試樣養(yǎng)護14 d 后，測得的無側(cè)限抗壓強度；x1、x2、x3分別為高爐礦渣、粉煤灰和電石渣相對總添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

同理，齡期為28 d時，試驗組中固化土強度等高線如圖2 所示.通過模型計算，當(dāng)x1=0.421，x2=0.115，x3=0.464 時，固化土在28 d 齡期的強度最高，達(dá)到1 479.32 kPa.此時，計算得到高爐礦渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.32%，粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.72%，電石渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.96%.

圖2 固化土28 d 齡期下強度等高線圖Fig.2 Strength contour map of solidified soil at 28 d

計算所得模型方程剔除不顯著項，修正后用于描述擬合度的判定系數(shù)R2為0.946 2，模型回歸方程為：

式中：y28d為試樣養(yǎng)護28 d 后，測得的無側(cè)限抗壓強度；x1、x2、x3分別為高爐礦渣、粉煤灰和電石渣相對總添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2.2.2 最佳配比的確定

根據(jù)給出的各齡期對應(yīng)的固化土強度回歸方程，分別計算14 d和28 d齡期相應(yīng)的最優(yōu)配比.由于本文研究目的是用于路基填筑，以滿足工程實際的強度需求，對比兩個齡期的數(shù)據(jù)，在實際工程應(yīng)用中，以提高28 d 時固化土所能達(dá)到最大強度的優(yōu)先級，重新計算得到固化材料的最優(yōu)配比為x1=0.421，x2=0.115，x3=0.464，即高爐礦渣、粉煤灰、電石渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為42.1∶11.5∶46.4，28 d 的強度為1 479.32 kPa，取名ZX20.該配比滿足路基填土強度要求.

2.3 水穩(wěn)性試驗結(jié)果分析

根據(jù)ZX20固化材料的配方配置7 d、14 d和28 d齡期下的新型固化土試樣，按照二灰土配比制作二灰土試樣，測量得到水穩(wěn)性數(shù)據(jù)見表5.

表5 水穩(wěn)性數(shù)據(jù)Tab.5 Data of water stability

對比兩種固化土，相同摻量在3 種齡期下，該新型固化劑的水穩(wěn)性明顯優(yōu)于二灰土，而且強度也遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)二灰土.單看該種固化土，其水穩(wěn)性隨著齡期的增大而增大，并在28 d 齡期下水穩(wěn)系數(shù)高達(dá)0.86，滿足工程實際要求.

2.4 干濕循環(huán)試驗結(jié)果分析

圖3 為二灰土和ZX20 固化土在不同干濕循環(huán)路徑下的強度與變形關(guān)系，表6 為兩種土經(jīng)過不同次數(shù)干濕循環(huán)后的峰值強度.

表6 無側(cè)限抗壓強度峰值Tab.6 Peak of unconfined compressive strength kPa

圖3 固化土和二灰土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of solidified soil and line dust

分析得到，二灰土和ZX20 固化土的強度峰值均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢.而在相同干濕循環(huán)次數(shù)情況下，相比于二灰土，ZX20 固化土的無側(cè)限抗壓強度較高，對應(yīng)的軸向應(yīng)變更小.這表明在復(fù)雜氣候下，ZX20 固化材料能改善路基土的強度，減小變形量，更適合路基填筑.

對于這種新型固化材料，由表5 數(shù)據(jù)養(yǎng)護28 d，水中浸泡24 h 后強度為1 212.83 kPa，而經(jīng)過一次干濕循環(huán)后其強度僅為825.13 kPa，說明干濕循環(huán)作用對路基土的強度影響較大，在晴雨交替氣候的長三角區(qū)域路基有較大的隱患，主要原因為，淤泥質(zhì)土中含有較多親水性礦物，遇水膨脹，脫水緊縮，在一脹一縮的過程中土體變得松散，原來工業(yè)廢料反應(yīng)生成的膠凝物被破壞，留下較多的孔隙，強度大幅下降.

3 討論

3.1 固化劑強度隨齡期變化規(guī)律

根據(jù)ZX20 固化材料配方，重新制樣并分別養(yǎng)護至7 d、14 d、28 d、60 d、90 d，測量其無側(cè)限抗壓強度，試驗所得結(jié)果如圖4所示，其中14 d、28 d的結(jié)果與預(yù)測值十分接近.

圖4 固化土強度隨齡期變化曲線Fig.4 Strength curve of solidified soil with age

利用對數(shù)函數(shù)對該曲線進行擬合，可得下式：

式中：y為固化土的無側(cè)限抗壓強度；x為齡期.

該曲線R2=0.978，相關(guān)性很好.但該方程僅能預(yù)測7 d 齡期以上的強度，更早期的強度無法得到，而該固化材料用于路基土，后期的強度才是關(guān)鍵因素，所以該曲線可以用于預(yù)測固化土無側(cè)限抗壓強度與齡期之間的關(guān)系.

3.2 固化土微觀機理定性分析

利用掃描電鏡觀察加固前原狀土和不同齡期加固后土壤的微觀結(jié)構(gòu)，得到圖像如圖5 所示，放大倍數(shù)為10 000倍.

圖5 固化土電鏡掃描圖Fig.5 SEM of solidified soil

加固前，圖5（a）中黏粒結(jié)合體組成的絮狀結(jié)構(gòu)，有較多凹進去的孔隙且孔隙較大，因此土體之間的聯(lián)系較少，總體呈現(xiàn)比較分散的狀態(tài)；在7 d齡期下，圖5（b）中ZX20固化土顆粒表面新生成絲狀膠凝物，將土顆粒連接到一起，同時填充部分孔隙，使土體結(jié)構(gòu)更為致密；在14 d齡期下，圖5（c）中這些細(xì)絲狀膠凝物明顯發(fā)育，開始集聚成更長且更粗的針狀物，并交錯穿插在各個孔隙當(dāng)中，使得土體的孔隙進一步減少；在28 d齡期下，圖5（d）中針狀物已經(jīng)擴大到一定程度并進一步交錯絮凝成團，原本土中的孔隙被絮凝物填充，土體間的聯(lián)系進一步加強.這些絲狀、針狀和絮凝狀膠凝物，是工業(yè)廢料之間發(fā)生火山灰反應(yīng)而產(chǎn)生的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這是固化土強度提升的主要來源.

在微觀層面上，從絲狀物到針狀物到絮凝物，這些固化土的孔隙不斷減小，膠凝物的連接作用越來越強；在宏觀層面上，表現(xiàn)為固化土的強度越來越高，水穩(wěn)性和抗干濕循環(huán)性能越來越好.

3.3 固化土微觀機理定量分析

采用PCAS 軟件對固化土的微觀結(jié)構(gòu)進行定量分析，該軟件可以自動識別并統(tǒng)計SEM 圖像中的孔隙或者裂隙，并導(dǎo)出各種幾何參數(shù)，在微觀圖像處理上具有很大的便捷性.

由于放大倍數(shù)過大不具備代表性，選用2 000倍放大倍數(shù)的SEM 電鏡圖片進行分析，測得加固前、7 d、14 d 和28 d 齡期下4 種土壤的微觀孔隙數(shù)、孔隙面積比和不同孔隙的分布規(guī)律，具體數(shù)據(jù)見表7.

表7 固化土微觀參數(shù)Tab.7 Micro parameters of solidified soil

表7中，0 d齡期表示未加固的土樣，微孔占比為小于50 像素點的孔隙數(shù)量所占比例，超大孔占比為1 000像素點的孔隙數(shù)量所占比例.

分析表7 中孔隙數(shù)的數(shù)據(jù)，從未固化土到14 d齡期固化土，土體內(nèi)孔隙不減少反而增多，而在28 d齡期下固化土的孔隙數(shù)量急劇下降，且少于最初未固化土土壤的孔隙個數(shù).其主要原因為：3.2 節(jié)定性分析已經(jīng)討論固化土之間的火山灰反應(yīng)將產(chǎn)生不同形態(tài)的膠凝物，在28 d 齡期前為絲狀或者條狀膠凝物，這些物質(zhì)填充孔隙的同時起到分割大孔隙的作用，因此所觀察得到的固化土的孔隙個數(shù)不減少反而增加；而在28 d 齡期下，火山灰反應(yīng)已經(jīng)基本完成，絮凝狀的膠凝物能較好地填充孔隙，形成更微小的孔隙，無法被軟件識別，所以觀察到土壤的孔隙個數(shù)有所減少.

分析表7 中孔隙面積比，固化土的孔隙面積比隨著齡期的增加而下降.孔隙面積比反映了土顆粒中孔隙的大小，而反應(yīng)時間越長生成的膠凝物越多，可以說明固化土強度提高的一個主要原因是土顆粒間的孔隙被膠凝物填充.

分析表7 中微孔占比和超大孔占比，隨著齡期的增加，超大孔占比下降，而微孔占比上升，說明土壤中的大孔隙被生成物填充并分割為微小的孔隙，實現(xiàn)土體強度性能的提升.該結(jié)論與孔隙數(shù)的結(jié)論相互映襯.

通過從微觀角度對這4 個微觀參數(shù)的分析，固化劑間相互作用新生成的膠凝物分割大孔隙為小孔隙，并填充部分孔隙，降低孔隙面積比.從宏觀上進行分析，固化劑相互作用體現(xiàn)為固化土的強度不斷提高，水穩(wěn)性和抗干濕循環(huán)性有所改善.

4 結(jié)論

1）選取粉煤灰、高爐礦渣和電石渣為原材料，以臺州淤泥質(zhì)土為對象，通過混料試驗設(shè)計的方法，得到14 d和28 d齡期下的最佳配比.通過比較，最終選擇高爐礦渣、粉煤灰、電石渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為42.1∶11.5∶46.4為最佳配方，28 d的強度為1 479.32 kPa.

2）對比ZX20 固化材料與二灰土，用ZX20 所得路基土的水穩(wěn)性更好，且在干濕循環(huán)條件下無側(cè)限抗壓強度更高，軸向變形更小，更適用于路基填筑.

3）ZX20 固化土強度與齡期近似呈對數(shù)關(guān)系，其強度主要來源于火山灰反應(yīng)生成的水化物.

4）隨著齡期的增加，ZX20 固化土的SEM 圖像中依次出現(xiàn)大量絲狀物、針狀物和絮凝狀物.對圖像進行定量分析，發(fā)現(xiàn)這些膠凝物分割大孔隙為小孔隙并填充部分孔隙，降低孔隙面積比的同時連接松散的土顆粒，以此提高固化土的強度.