工農(nóng)廢料加固寧波電力隧道廢棄淤泥試驗研究

鐘維軍， 張潔， 朱劍鋒， 楊浩， 巴明芳

（1.寧波市電力設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315021；2.浙江科技學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023；3.寧波大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 寧波 310058）

0 引言

我國東南沿海地區(qū)廣泛分布具有高含水量、低強(qiáng)度、高壓縮性等特性的淤泥。寧波淤泥屬于上述典型，在寧波市工程建設(shè)過程中會經(jīng)常面臨大量無法直接投入工程應(yīng)用的工程廢棄淤泥，傳統(tǒng)處理方式將其拋棄海洋會造成大面積的海洋污染，而其堆積又占用土地資源并污染環(huán)境，違背了“兩山理論”的發(fā)展戰(zhàn)略[1-3]。因此，開展高效、經(jīng)濟(jì)、合理的淤泥處理技術(shù)研究，實現(xiàn)淤泥的合理應(yīng)用，尤為迫切[4，5]。

穩(wěn)定土技術(shù)是一種廣泛用于改善不良地基力學(xué)性能的技術(shù)，工程上常用石灰、水泥進(jìn)行固化淤泥等不良土。然而，水泥、石灰的生產(chǎn)是一個能源密集型過程，每加工1t水泥，大約釋放1.1t的二氧化碳，會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響。因此，相關(guān)人員開始尋找能夠代替石灰、水泥固化淤泥的材料。目前已有學(xué)者考慮將工農(nóng)廢料作為復(fù)合固化劑原料，并開展了一系列的研究，萬佳磊[6]利用鋼渣固化黏土，研究了干濕循環(huán)作用下固化土的質(zhì)量損失率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律；王東星[7，8]利用高爐礦渣、粉煤灰、硅灰等工業(yè)廢渣結(jié)合水泥進(jìn)行固化土，揭示了微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)對固化土宏觀強(qiáng)度的影響機(jī)制；朱劍鋒等[9-12]基于鎂質(zhì)水泥和工農(nóng)廢料固化土建立多個本構(gòu)模型，通過試驗與算例驗證了模型的可行性；Liska等[13]對MgO分別加固含自然骨料的土體和含粉煤灰陶粒的土體進(jìn)行研究；Rafalko等[14]分別用生石灰和電石渣處理一種可塑性較高的黏性土后發(fā)現(xiàn)兩者無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相似；Cardoso等[15]成功將電石渣代替熟石灰作為建筑材料使用；Ahmaruzzaman等[16]將生物質(zhì)灰作為硅酸鹽水泥的添加劑使用，試驗證明生物質(zhì)灰還可以與熟石灰發(fā)生反應(yīng)；Vichan等[17]研究了電石渣和生物質(zhì)灰加固軟土，發(fā)現(xiàn)兩者的比例、含水量等是改善固化土強(qiáng)度的主要因素。

文中以電石渣、草木灰為原材料進(jìn)行單摻與雙摻試驗，研制出復(fù)合固化劑DL-1，分析電石渣與草木灰的固化機(jī)理，最后通過現(xiàn)場試驗驗證了DL-1固化淤泥作為路基填料的適用性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用土樣取自寧波某電力隧道的工程廢棄淤泥，其物理指標(biāo)見表1，試驗采用原狀土作為待固化土樣，摻入工農(nóng)業(yè)廢料作為原料的固化劑對其加固處理。

表1 廢棄淤泥的物理指標(biāo)

電石渣是電石在水解制取乙炔的過程中產(chǎn)生的廢渣，其主要成分是氫氧化鈣，呈堿性。目前電石渣大部分處于堆放狀態(tài)。由于電石渣呈堿性，渣液滲入土體后，會污染地下水，對周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。但電石渣主要成分與石灰大致相同[17]，因此可將電石渣代替石灰進(jìn)行固化土，實現(xiàn)以廢治廢。隨著農(nóng)村新能源工程的迅猛發(fā)展，秸稈發(fā)電后會產(chǎn)生大量的草木灰。草木灰的直接扔棄會造成環(huán)境污染并占有大量土地資源。草木灰的成分以碳酸鉀、二氧化硅為主，可在淤泥中會發(fā)生一定的火山灰反應(yīng)生成凝膠狀固化產(chǎn)物。同時草木灰由于優(yōu)良的吸水性以及粒徑普遍小于0.1mm，可以達(dá)到改善土體物理特性以及填充其內(nèi)部孔隙的效果。電石渣和草木灰的化學(xué)組成如下表2所示，電石渣主要成分是CaO，可為淤泥固化提供堿性環(huán)境；草木灰主要活性二氧化硅組成，在堿性環(huán)境下極易與水化CaO發(fā)生火山灰反應(yīng)。

表2 固化劑原材料化學(xué)組成%

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備

選取寧波某電力隧道工程廢棄淤泥，挑出碎石后密封保存。根據(jù)試驗方案稱取一定比例的電石渣和草木灰將其充分拌和均勻后形成固化劑，加入至稱量好的淤泥中充分混合攪拌至均勻，分四層裝入靜壓模具中，裝填過程中采用反力架分層壓實至限高，將試樣從制樣筒中推出后用刮土刀將試樣上下表面刮平，制作成直徑為39.1mm，高為80.0mm的圓柱體土樣，用保鮮膜包裝完畢，將試樣移至養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期，養(yǎng)護(hù)溫度控制在20±1℃，濕度設(shè)置在95%。

1.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是固化土材料最基本、最具代表的性能指標(biāo)，試驗采用南京泰克奧科技有限公司研發(fā)的TKA-TTS-1S型全自動應(yīng)力路徑三軸儀進(jìn)行無側(cè)限抗壓測試。試驗每組3個平行樣，取平均值。

1.2.3 SEM試驗

電鏡掃描試驗（SEM試驗）是用掃描電鏡觀察材料表面的微觀形貌、斷口、顆粒排列等特性。試驗中利用SU-70型電鏡掃描儀將噴金后的樣品進(jìn)行掃描分析。

1.2.4 XRD試驗

XRD是一種通過晶體的X射線衍射測量物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)而分析物相的方法。試驗利用D8ADVANCE型X射線粉末衍射儀對固化劑原材料以及固化土進(jìn)行礦物組成分析。

1.2.5 施工現(xiàn)場固化效果測試

取寧波某電力隧道施工現(xiàn)場固化淤泥進(jìn)行密封保存，按照J(rèn)TG 3430-2020《公路土工試驗規(guī)程》進(jìn)行擊實試驗，確定固化淤泥的最優(yōu)含水率和最大干密度后，設(shè)置90%、95%和100%三種壓實度進(jìn)行加州承載比試樣制樣，將試樣在養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28d后浸水4d，利用多功能路面材料強(qiáng)度試驗機(jī)進(jìn)行貫入試驗，養(yǎng)護(hù)7d后于施工現(xiàn)場進(jìn)行固化土彎沉試驗測試彎沉值是否達(dá)標(biāo)。

1.3 試驗方案

為分別探究不同摻量的電石渣與草木灰對寧波某電力隧道廢棄工程淤泥固化試樣力學(xué)性質(zhì)的影響，設(shè)置8組不同摻量和原材料的單摻固化試樣；為確定電石渣與草木灰的最佳配比，設(shè)置5組電石渣與草木灰不同配比的雙摻固化試樣；確定最佳配比后，為探析最佳配比復(fù)合固化劑不同摻量對固化淤泥的力學(xué)性質(zhì)的影響，設(shè)置3組不同摻量的最佳配比固化淤泥試樣見表3。每種配比制備3個平行試樣。

表3 試樣分組及參數(shù)設(shè)置

2 單摻試驗

2.1 不同電石渣摻量下固化廢棄淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

圖1是摻量在5%～20%的范圍內(nèi)單摻電石渣固化廢棄淤泥7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線圖，隨著電石渣摻量的增加，固化淤泥的強(qiáng)度逐漸增大，這是因為電石渣在淤泥中會與淤泥中的水分發(fā)生水化反應(yīng)形成C-S-H凝膠，同時電石渣中含有大量火山灰活性材料（SiO2、Fe2O3、Al2O3等），在堿性環(huán)境刺激下會生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等產(chǎn)物，上述固化產(chǎn)物一方面把松散的土顆粒聯(lián)結(jié)在一起，形成骨架，另一方面會不斷填充孔隙從而提高土體的均質(zhì)性與整體性，因此無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著電石渣摻量的增加逐漸提高；其中，當(dāng)電石渣摻量在5%～10%范圍內(nèi)固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅明顯小于摻量在10%～15%范圍內(nèi)的強(qiáng)度增幅，這是因為少量的電石渣并不足以全面改善淤泥的固化效果，當(dāng)電石渣摻量適度增加，固化產(chǎn)物逐漸增多，單元體的整體性與結(jié)構(gòu)性持續(xù)增強(qiáng)，強(qiáng)度也大幅度上升。當(dāng)電石渣摻量大于15%時，固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅開始減小，因為電石渣水化反應(yīng)的發(fā)生需要足夠的水，當(dāng)電石渣摻量持續(xù)增加，淤泥中的水分無法滿足所有電石渣完成水化反應(yīng)，在一定程度上抑制了固化反應(yīng)，但火山灰反應(yīng)仍在進(jìn)行，因此后期隨著電石渣摻量的持續(xù)增加固化土強(qiáng)度雖然仍在增長但增長幅度明顯減小。

圖1 不同電石渣摻量下淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2 不同草木灰摻量下固化廢棄淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

圖2是摻量在5%～20%的范圍內(nèi)單摻草木灰固化廢棄淤泥7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化曲線圖，隨著草木灰摻量的增加，固化淤泥的強(qiáng)度先增大后減小。適量草木灰的加入，會提升固化淤泥的強(qiáng)度，草木灰粒徑均小于0.1mm，能有效填充淤泥中的小孔隙，草木灰也通過吸取水分，改善淤泥的液塑限增強(qiáng)土體的結(jié)構(gòu)性，從而提升固化土的強(qiáng)度，草木灰中的活性成分也會在淤泥中生成固化產(chǎn)物實現(xiàn)一定程度的化學(xué)固化。但當(dāng)草木灰摻量超過10%時，固化淤泥強(qiáng)度增長緩慢甚至隨著草木灰摻量的持續(xù)增加，固化淤泥的強(qiáng)度會逐漸降低，這是因為，當(dāng)草木灰摻量超過10%以后，大量草木灰附著在土顆粒表面，會較降低土顆粒之間黏結(jié)力從而破壞固化土的整體性，因此隨著草木灰摻量過度增加，固化淤泥強(qiáng)度就會出現(xiàn)不增反降的情況。

圖2 不同草木灰摻量下淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

結(jié)合圖1、圖2，相同摻量下單摻電石渣固化淤泥強(qiáng)度明顯大于單摻草木灰固化淤泥強(qiáng)度，這是因為電石渣的摻入生成了大量凝膠狀固化產(chǎn)物，而草木灰的加入主要起到了填充、改善淤泥物理性質(zhì)以及較弱的膠結(jié)作用。

3 雙摻試驗

3.1 最佳配比

圖3是10%摻量下草木灰與電石渣在不同配比下（1：1，1：2，1：3，2：1，3：1）固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度條形圖。

圖3 不同電石渣-草木灰配比下10%摻量固化劑淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖3可知，所有配比下的雙摻固化土強(qiáng)度均高于單摻草木灰固化土強(qiáng)度，這是因為電石渣以化學(xué)固化為主的固化效果優(yōu)于草木灰以物理加固為主的固化效果，由圖2與圖3單摻試驗下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比也證明了上述結(jié)論；適量草木灰配合電石渣固化土的強(qiáng)度高于相同摻量下單摻電石渣的固化土強(qiáng)度，其中DC2比D2強(qiáng)度高出67.399%，這是因為適量草木灰的摻入一定程度填補(bǔ)了淤泥內(nèi)部孔隙以及改善了淤泥的物理性質(zhì)，提高了固化淤泥的整體性，在電石渣不斷發(fā)生固化反應(yīng)的前提下提高了試樣內(nèi)部整體強(qiáng)度，從而也提高了試樣內(nèi)部出現(xiàn)薄弱面需要的壓力下限。

從圖3可知，電石渣與草木灰復(fù)合固化劑最優(yōu)配比為m（草木灰）：m（電石渣）=1：2，將該配比命名為DL-1。

3.2 DL-1復(fù)合固化劑在不同摻量下固化廢棄淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

采用DL-1復(fù)合固化劑進(jìn)行摻量分別在5%、10%、15%、20%下的單元體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。圖4是摻量在5%～20%的范圍內(nèi)DL-1復(fù)合固化劑固化廢棄淤泥7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化曲線圖，隨著固化劑摻量的增加，固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，這是因為固化劑中的電石渣發(fā)生水化反應(yīng)與火山灰反應(yīng)生成了大量凝膠狀固化產(chǎn)物，配合主要起填充孔隙和改善土體物理性質(zhì)作用的草木灰，固化淤泥力學(xué)性能實現(xiàn)明顯改善，然而當(dāng)摻量大于15%，固化淤泥強(qiáng)度增幅顯著降低，因為隨著固化劑摻量的增加，淤泥中的水分無法滿足所有電石渣充分反應(yīng)，草木灰的持續(xù)增加也一定程度削弱淤泥的整體性。從圖3、圖4可知相同摻量前提下，DL-1復(fù)合固化劑固化寧波某電力隧道廢棄淤泥的效果最好，這證明電石渣與草木灰合適的配合可從化學(xué)固化與淤泥物理性能改善兩方面對淤泥進(jìn)行加固處理，效果十分明顯。

圖4 不同DL-1固化劑摻量下淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.3 DL-1固化土微觀分析

淤泥固化前后的微觀結(jié)構(gòu)對比圖見圖5。

圖5 寧波某電力隧道廢棄淤泥與固化淤泥SEM圖

如圖5（a）所示為天然土的電鏡掃描圖，圖中明顯存在大量松散土顆粒，顆粒之間普遍存在點(diǎn)對點(diǎn)接觸與點(diǎn)對面接觸，因此天然土孔隙較大。如圖5（b）所示為20%DL-1復(fù)合固化劑養(yǎng)護(hù)28d后的電鏡掃描圖，孔隙被固化產(chǎn)物與草木灰填充，并且土顆粒表面明顯附著有大量絮凝狀固化產(chǎn)物，顆粒間接觸表面逐漸增多，顆粒結(jié)構(gòu)越發(fā)密實，孔隙面積明顯減小，顆粒間的機(jī)械咬合程度增加，這也驗證了圖4所示的淤泥在DL-1復(fù)合固化劑的作用下力學(xué)性能得到明顯改善。

3.4 DL-1固化土XRD分析

如圖6（a）所示，寧波某電力隧道廢棄淤泥主要由石英（SiO2）組成，并含有少量的鈉長石Na（AlSi3）O8、鉀長石K（AlSi3）O8以及伊利石KAl2（AlSi3O10）（OH）、蒙脫石（Na，Ca）0.33（Al，Mg）2[Si4O10]（OH）2·20H2O等礦物。加入20%的DL-1型固化劑并而養(yǎng)護(hù)28d后，其XRD圖如圖6（b）所示。

圖6 寧波某電力隧道廢棄淤泥與固化淤泥XRD圖

主峰主要有石英（SiO2）衍射峰、方解石（CaCO3）衍射峰、鈉長石Na（AlSi3O8）衍射峰、伊利石KAl4Si2O9（OH）3衍射峰、鈣礬石Ca6Al2（SO4）3（OH）12·26H2O衍射峰。其中石英衍射峰大部分來自工程棄土和草木灰；鈉長石主要來自工程棄土；方解石主要是Ca（OH）2和孔隙中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3。另外，量針狀固化產(chǎn)物（C-S-H膠體）的生成是固化淤泥結(jié)構(gòu)密實性得到提高的重要原因。但由于C-S-H膠狀結(jié)構(gòu)性弱，無法采用X-ray衍射儀進(jìn)行識別，因此使得圖6（b）的XRD圖譜中沒有出現(xiàn)C-S-H膠體的衍射峰。

4 工程應(yīng)用

4.1 固化淤泥現(xiàn)場施工

寧波市某電力隧道洞身主要位于海相淤泥質(zhì)軟土地層中，在電力隧道建設(shè)過程中產(chǎn)生大量工無法直接進(jìn)行工程應(yīng)用的工程廢棄淤泥。采用DL-1復(fù)合固化劑對施工現(xiàn)場廢棄淤泥進(jìn)行固化并作為路基填料。在現(xiàn)場計算土方并配置5%摻量的DL-1復(fù)合固化劑，分四次均勻灑入施工現(xiàn)場，每次潑灑后利用挖土機(jī)均勻攪拌并壓實。

4.2 現(xiàn)場固化效果測試

薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)7d后現(xiàn)場取樣進(jìn)行擊實試驗，圖7是固化淤泥的擊實曲線，易知固化淤泥的最優(yōu)含水率為15.2%，最大干密度為1.88g/cm3。

圖7 固化淤泥擊實曲線

利用擊實試驗獲得的最優(yōu)含水率、最大干密度進(jìn)行承載比試樣制樣，完成承載比試驗。得到單位壓力與貫入量關(guān)系結(jié)果如圖8所示。

圖8 單位壓力與貫入量關(guān)系

圖9是不同分層擊實次數(shù)下的CBR值曲線圖，根據(jù)公路路基施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定，對于JTG/T 3310-2019《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》中最高要求路基承載比規(guī)定是大于8%，從圖可知工程固化淤泥滿足各種壓實度要求的承載比均遠(yuǎn)大于8%，最小值達(dá)39.41%，折算成貫入強(qiáng)度為2.759MPa，滿足各級路基工程應(yīng)用。

圖9 不同分層擊實次數(shù)下的承載比試驗值

利用路面回彈彎沉儀，對改良后的路段進(jìn)行檢測，試驗車后軸重為100kN。根據(jù)JTGE 40-2019《公路土工試驗規(guī)程》要求的彎沉值上限為3.1mm，表4所示的5個檢測點(diǎn)最大彎沉值為2.8mm（1號試驗點(diǎn)），因此合格率為100%。由此可見，DL-1復(fù)合固化劑固化效果有效。

表4 彎沉值測試結(jié)果

5 結(jié)語

（1）單摻電石渣固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在5%～20%的摻量范圍內(nèi)隨著摻量的增加而增大，電石渣在淤泥中發(fā)生火山灰反應(yīng)與水化反應(yīng)生成的膠凝狀固化產(chǎn)物改善了淤泥力學(xué)性能，但隨著摻量持續(xù)增加，淤泥中水分無法滿足所有電石渣完成水化反應(yīng)，強(qiáng)度增幅減小。

（2）單摻草木灰固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在5%～20%的摻量范圍內(nèi)隨著摻量的增加先增大后減小，強(qiáng)度峰值位于10%～15%范圍內(nèi)，適量草木灰通過填充孔隙、吸取水分改善淤泥物理性能提高淤泥的強(qiáng)度，同時草木灰也會進(jìn)行一定程度的化學(xué)固化，但過量草木灰會削弱固化淤泥的整體性。

（3）雙摻試驗中固化劑最優(yōu)配比m（草木灰）：m（電石渣）=1：2，將該配方命名為DL-1，DL-1復(fù)合固化劑固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在5%～20%的摻量范圍內(nèi)隨著摻量的增加而增大，電石渣和草木灰聯(lián)合固化效果明顯優(yōu)于兩種原材料單摻的固化效果。

（4）SEM和XRD試驗表明，DL-1復(fù)合固化劑固化淤泥的主要產(chǎn)物是C-S-H凝膠、鈣礬石及少許方解石，固化產(chǎn)物提高了淤泥結(jié)構(gòu)的密實性，填充了淤泥的孔隙，增加了土顆粒間的機(jī)械咬合程度，最終使得固化淤泥的強(qiáng)度與剛度得到了顯著改善。

（5）在DL-1復(fù)合固化劑固化淤泥施工現(xiàn)場取樣完成的加州承載比試驗結(jié)果滿足各級路基建設(shè)所設(shè)定的承載比規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，且彎沉值結(jié)果也符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。