干濕循環(huán)及固化工藝對(duì)固化土水穩(wěn)特性和強(qiáng)度特性的影響

胡海濤， 徐 潔， 景 嘯， 阮印輝， 張 立，5

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098； 2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；3.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092； 4.浙江臺(tái)州市沿海高速公路有限公司，浙江臺(tái)州 318000；5.江蘇省人民醫(yī)院，南京 210029）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)日益頻繁，因河道疏浚清淤工程大規(guī)模開展而產(chǎn)生的廢棄淤泥土也越來(lái)越多，若不及時(shí)處理這些廢棄淤泥土，不僅會(huì)占用大量土地，而且會(huì)影響生態(tài)環(huán)境［1］. 對(duì)廢棄淤泥土進(jìn)行固化后作為路基或地基填料利用，不僅是將廢棄淤泥土進(jìn)行資源化利用的有效途徑之一，還可以解決工程挖方棄土外運(yùn)難與路基填料宕渣需通過開山取石來(lái)獲取的現(xiàn)實(shí)矛盾. 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)淤泥固化的研究主要集中在固化劑的選擇和摻量［2-3］、固化土強(qiáng)度的影響因素和預(yù)測(cè)［4-5］等方面.

干濕循環(huán)是導(dǎo)致路基等基礎(chǔ)設(shè)施破壞的最主要原因之一［6］. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)干濕循環(huán)對(duì)固化土試樣的影響已開展了一系列深入研究. 張傳成和姜清輝［7］研究了石灰固化鎘污染高嶺土的干濕循環(huán)特征，結(jié)果表明干濕循環(huán)對(duì)固化土試樣的抗剪強(qiáng)度影響顯著，經(jīng)20 次干濕循環(huán)后固化土試樣的最大直剪強(qiáng)度降低了95.42%. 卿容秀等［8］研究了固化土試樣在干濕循環(huán)條件下的持水特性，結(jié)果表明在第5次干濕循環(huán)后，固化土試樣的脫濕曲線基本穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)明顯的土體結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象. 汪洪星等［9］通過宏觀試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)作用會(huì)導(dǎo)致固化土試樣的物理力學(xué)性能劣化，18次干濕循環(huán)后，固化土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低了13%. 孫樂樂等［10］研究發(fā)現(xiàn)向膨脹土中加入粉煤灰可有效抑制干濕循環(huán)造成的裂隙發(fā)展與強(qiáng)度衰減. 劉文化等［11］通過抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥固化土試樣的力學(xué)特性受干濕循環(huán)過程中由溫度引起的水化產(chǎn)物增加和裂縫發(fā)展兩個(gè)因素的共同影響. Roshan等［12］研究了木質(zhì)素磺酸鹽、穩(wěn)定劑及聚丙烯纖維對(duì)黏質(zhì)砂土耐久性的影響，結(jié)果表明干濕循環(huán)會(huì)使黏質(zhì)砂土剛度降低，孔隙率增大. 梁仕華等［13］研究了不同干濕循環(huán)次數(shù)及不同水泥粉煤灰摻量對(duì)南沙淤泥土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明固化土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先上升后下降的特點(diǎn). 吳燕開等［14］通過研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)會(huì)造成鋼渣微粉水泥改良的膨潤(rùn)土的強(qiáng)度損失. Salih等［15］通過掃描電鏡（SEM）發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，脫硫石膏粉煤灰改性赤泥土的孔隙率增大，而其密度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均降低.

需要注意的是，上述研究均是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制樣并進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)的，不能完全準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)固化土試樣的實(shí)際情況. 現(xiàn)場(chǎng)固化工藝主要有三種，即廠拌法、路拌法和就地固化法. 目前尚無(wú)學(xué)者對(duì)這三種現(xiàn)場(chǎng)固化工藝固化后的試樣進(jìn)行水穩(wěn)特性和強(qiáng)度特性研究. 因此，本研究通過試驗(yàn)分析了干濕循環(huán)對(duì)這三種固化工藝獲得的固化土試樣的水穩(wěn)特性及強(qiáng)度特性的影響.

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 試驗(yàn)用土

本研究依托浙江寧波西洪大橋及接線工程項(xiàng)目，路基全線采用淤泥固化土作為路基填料. 選取云飛路-北環(huán)快速路之間的保通道路作為試驗(yàn)段. 原狀淤泥土的基本物理性質(zhì)見表1.

表1 原狀淤泥土的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of undisturbed sludge

采用廠拌法、路拌法和就地固化法三種不同固化工藝對(duì)淤泥土進(jìn)行固化，通過鉆孔取芯方式取得固化后的原狀土試樣，如圖1所示. 在使用鉆孔注水取土?xí)r，H1及H2固化土有部分破碎現(xiàn)象，選取保存較完整的試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究.

圖1 鉆孔取土現(xiàn)場(chǎng)獲得的固化土試樣Fig.1 Solidified soil samples obtained from drilling site

1.2 固化劑及其配比選擇

固化劑選用石灰和水泥. 石灰選用三級(jí)生石灰，滿足《城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（CJJ 1—2008）規(guī)定的技術(shù)指標(biāo). 水泥選用海螺牌普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)42.5級(jí). 為了提高水泥水化反應(yīng)，添加礦渣粉. 礦渣粉滿足《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T 18046—2008）中的規(guī)定，其等級(jí)為S95.

將原狀淤泥土運(yùn)至室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，加入不同配比的固化劑，拌合悶料、破碎后晾曬，然后對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)及承載比（CBR）試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較分析，最終確定各固化工藝的最優(yōu)固化劑配比，結(jié)果見表2. 二次摻灰是指將最優(yōu)配比的固化劑分兩次先后摻入.二次摻灰的固化效果更好是因?yàn)榍捌诩尤胧铱梢越档陀倌嗤恋暮?，保證壓實(shí)性，在后期加入水泥與礦渣粉可以保證水泥的水化反應(yīng)，提高強(qiáng)度. 齊嘉煒等［16］通過擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二次摻灰后干密度對(duì)固化土試樣的含水率影響較小. 現(xiàn)場(chǎng)單靠固化劑來(lái)達(dá)到快速降低淤泥土含水率的目的比較困難，故結(jié)合打堆翻曬的方法來(lái)降低其初始含水率.

表2 各固化工藝所用的最優(yōu)固化劑配比及工藝Tab.2 Optimum curing agent ratio for each solidification process

1.3 試驗(yàn)儀器

本研究采用工程常用的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量固化土試樣的強(qiáng)度特性. 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，是三軸壓縮試驗(yàn)的一種特殊情況，即試樣在無(wú)側(cè)向壓力條件下，抵抗軸向應(yīng)力的極限強(qiáng)度. 試驗(yàn)時(shí)，在不加任何側(cè)向壓力的情況下對(duì)圓柱狀試樣施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞為止，以試樣破壞的軸向壓力表示其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

由于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取得的固化土試樣較大，難以在常規(guī)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀（圖2）上進(jìn)行測(cè)量，故本研究首先在常規(guī)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀的上下端加裝鐵板以對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，然后采用改進(jìn)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取得的固化土試樣進(jìn)行測(cè)量.

圖2 常規(guī)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀Fig.2 Conventional unconfined compression strength tester

2 試驗(yàn)方案與步驟

為了研究干濕循環(huán)對(duì)不同固化工藝獲得的固化土試樣的水穩(wěn)特性及強(qiáng)度特性的影響，本研究對(duì)固化土試樣進(jìn)行了浸水崩解試驗(yàn)及干濕循環(huán)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn). 試驗(yàn)方案見表3.

表3 試驗(yàn)方案Tab.3 Test program

2.1 固化工藝

本研究采用廠拌法、路拌法和就地固化法三種現(xiàn)場(chǎng)固化工藝對(duì)廢棄淤泥土進(jìn)行固化，各固化工藝的具體操作流程如下：

廠拌法：采用二次摻灰，先加生石灰以降低廢棄淤泥土的含水率，待廢棄淤泥土的含水率降低到最優(yōu)含水率附近時(shí)，再加水泥等固化劑來(lái)提高廢棄淤泥土的強(qiáng)度. 在固定的拌合工廠進(jìn)行拌合，土混合料在中心站用強(qiáng)制式拌和機(jī)等廠拌設(shè)備進(jìn)行集中拌合，然后將拌合后的灰土堆放悶料5 d，每天翻拌一次，再通過自卸車運(yùn)料到施工現(xiàn)場(chǎng)，用攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪. 然后使用鏵犁機(jī)進(jìn)行耕犁翻曬拌合，確保在拌合層底部不留有素土夾層，重復(fù)操作至廢棄淤泥土的含水率達(dá)到最優(yōu)含水率附近后進(jìn)行二次摻灰. 整平后進(jìn)行壓實(shí)，碾壓方式遵循靜壓-弱振-強(qiáng)振及先快后慢的原則. 最后進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn). 廠拌法的整體流程如圖3所示.

圖3 廠拌法流程圖Fig.3 Flow chart of plant mixing method

路拌法：路拌法根據(jù)其拌合方式分為一次摻灰和二次摻灰兩種. 本研究采用二次摻灰的方法. 路拌法的操作流程與廠拌法基本相同，兩種方法的區(qū)別在于悶料地點(diǎn)和拌合設(shè)備不同. 路拌法的悶料地點(diǎn)一般在路基旁或廢棄淤泥土所在地，采用挖機(jī)進(jìn)行拌合悶料.

就地固化法：外部設(shè)置圍堰，然后將原狀廢棄淤泥土放置于圍堰內(nèi)，鋪設(shè)厚度為1 m，采用就地固化技術(shù)［17］對(duì)廢棄淤泥土進(jìn)行固化（圖4）后，直接壓實(shí). 就地固化法的主要流程為：測(cè)量放線、設(shè)置圍堰、鋪設(shè)淤泥土、就地固化、整形壓實(shí)及質(zhì)量檢驗(yàn).

圖4 就地固化法Fig.4 In-situ solidification method

2.2 浸水崩解試驗(yàn)

固化土試樣的水穩(wěn)特性是指其遇水時(shí)的穩(wěn)定性及其因抵抗水分侵蝕而產(chǎn)生破壞的能力. 浸水崩解試驗(yàn)是評(píng)價(jià)固化土試樣水穩(wěn)特性優(yōu)劣的重要指標(biāo). 浸水崩解試驗(yàn)步驟如下：

1）將鉆孔取芯獲得的原狀固化土試樣切割成高度為10 cm的試樣，并稱取其質(zhì)量.

2）將試樣放入水中浸泡，控制水溫為（20±1）℃，記錄浸水后試樣的現(xiàn)象. 若試樣在浸水后較短時(shí)間內(nèi)崩解，記錄崩解時(shí)間并停止試驗(yàn).

3）浸水28 d后取出試樣，觀察其崩解情況.

2.3 干濕循環(huán)試驗(yàn)

干濕循環(huán)試驗(yàn)用于模擬路基填料在自然條件下長(zhǎng)期受干濕交替作用的工況. 試驗(yàn)步驟如下：

1）將固化土試樣放入溫度為（60±1）℃的烘箱中，烘至恒重，稱取其干質(zhì)量.

2）將烘干后的固化土試樣放入溫度為（20±1）℃的恒溫水箱中，恒溫水箱中的水面高出固化土試樣表面30 mm. 每間隔5 min稱取固化土試樣的質(zhì)量，直至其質(zhì)量保持恒定后取出.

3）將從恒溫水箱中取出的固化土試樣放置室內(nèi)晾干30 min，室溫保持（20±1）℃，稱取其濕質(zhì)量.

4）再放入（60±1）℃的烘箱中脫濕，模擬現(xiàn)實(shí)極端溫度，脫濕時(shí)間為12 h，稱取其干質(zhì)量.

5）步驟2～4為一次干濕循環(huán)，見圖5. 繼續(xù)重復(fù)步驟2～4，增加干濕循環(huán)次數(shù).

圖5 一次干濕循環(huán)示意圖Fig.5 Schematic diagram of a wetting-drying cycle

6）在干濕循環(huán)次數(shù)為1、5、10、20次后，分別測(cè)量固化土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 固化工藝對(duì)固化土水穩(wěn)特性的影響

圖6是固化土試樣浸水28 d后的水穩(wěn)特性情況. 將三種固化土試樣浸泡入水28 d后，三種試樣均未泡散，表明三種固化土試樣的水穩(wěn)特性良好. 已有研究［18］表明，在廢棄淤泥土中添加水泥固化劑后會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)會(huì)包裹土顆粒并填充顆粒間孔隙，其中對(duì)固化土強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大的是水化硅酸鈣（CHS）.也有研究［19］表明，在廢棄淤泥土中添加石灰固化劑后，一方面會(huì)生成新的膠結(jié)物質(zhì)，另一方面，Ca2+離子會(huì)置換土顆粒表面吸附的Na+離子，通過降低顆粒水膜的厚度間接加強(qiáng)土顆粒之間的連接. 因此，三種固化土試樣浸水后未被泡散是因?yàn)閺U棄淤泥土經(jīng)固化后，土顆粒的孔隙被填補(bǔ)，顆粒之間的膠結(jié)作用增強(qiáng)，可有效地阻止水進(jìn)入土樣內(nèi)部，而未經(jīng)固化改性的土樣在浸水后，表面會(huì)立即出現(xiàn)氣泡，接著表面開始剝落直至崩解.

圖6 浸水28 d后三種固化土試樣的水穩(wěn)特性情況Fig.6 Water stability of three kinds of solidified soil samples after immersion for 28 days

由于就地固化后的土常用作地基填料，在施工現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)處于地下水位之下，故應(yīng)考慮完全浸水條件下固化土試樣強(qiáng)度的變化. 對(duì)比G1 試樣完全浸水前后的強(qiáng)度可知，G1 試樣取芯后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為67.5 kPa，浸水28 d后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為69.7 kPa，強(qiáng)度差別不大，說(shuō)明G1試樣的水穩(wěn)特性較好.

3.2 干濕循環(huán)對(duì)固化土質(zhì)量的影響

圖7～9為干濕循環(huán)中三種固化土試樣的外觀變化. 由圖可知，干濕循環(huán)20次后，H1試樣的外觀依然完整，表面幾乎無(wú)裂縫，而H2試樣則出現(xiàn)細(xì)微裂縫及少量脫落. G1試樣質(zhì)量損失較大，在第6次干濕循環(huán)后G1試樣就發(fā)生嚴(yán)重脫落，到第10次干濕循環(huán)后G1試樣已嚴(yán)重破損且無(wú)法進(jìn)入下一次干濕循環(huán).

圖7 第1次與第20次干濕循環(huán)的H1試樣Fig.7 H1 samples of the 1st and 20th wetting-drying cycles

圖8 第1次與第20次干濕循環(huán)的H2試樣Fig.8 H2 samples of the 1st and 20th wetting-drying cycles

圖9 第1次與第10次干濕循環(huán)的G1試樣Fig.9 G1 samples of the 1st and 10th wetting-drying cycles

總的來(lái)看，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化土試樣的質(zhì)量均會(huì)發(fā)生變化，現(xiàn)用質(zhì)量衰減率與強(qiáng)度衰減率來(lái)表示固化土試樣的質(zhì)量與強(qiáng)度衰減程度，其計(jì)算公式分別如公式（1）和公式（2）所示.

如圖10和圖11所示，在干濕循環(huán)后，H1試樣的干、濕質(zhì)量均變化較小，最大質(zhì)量衰減率不到10%；H2試樣的濕質(zhì)量在前10次干濕循環(huán)中緩慢下降，后10次干濕循環(huán)中幾乎不變，脫濕后H2試樣的干質(zhì)量受烘箱功率的影響會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，但總體呈略微下降趨勢(shì). 如圖12所示，干濕循環(huán)對(duì)G1試樣的質(zhì)量折損影響很大，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其質(zhì)量衰減率趨于穩(wěn)定，最大的質(zhì)量衰減率為47.0%.

圖10 H1試樣浸水及脫濕后質(zhì)量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.10 Mass variations of H1 samples after immersion and dehumidification with the numbers of wetting-drying cycle

圖11 H2試樣浸水及脫濕后質(zhì)量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.11 Mass variations of H2 samples after immersion and dehumidification with the numbers of wetting-drying cycle

圖12 G1試樣浸水及脫濕后質(zhì)量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.12 Mass variations of G1 samples after immersion and dehumidification with the numbers of wetting-drying cycle

3.3 干濕循環(huán)對(duì)固化土強(qiáng)度的影響

圖13 為H1 和H2 試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度衰減率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系圖. 由于G1試樣受干濕循環(huán)影響較大，試樣破損嚴(yán)重，故無(wú)法對(duì)其進(jìn)行干濕循環(huán)后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)量. 如圖13所示，H1 試樣比H2 試樣的初始無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大約一倍，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，H1試樣與H2試樣的強(qiáng)度差異越來(lái)越大. 干濕循環(huán)對(duì)H1 試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不大，20 次干濕循環(huán)后H1 試樣的強(qiáng)度衰減率僅為6%. 干濕循環(huán)對(duì)H2試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大影響，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，H2 試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度持續(xù)衰減，第20 次干濕循環(huán)后其強(qiáng)度衰減率為39.6%. 相較于路拌法，廠拌法通常采用電腦來(lái)精確控制固化劑的配比，且多用攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪，所以固化劑的配比精度更高，固化劑的攪拌更均勻，因此通過廠拌法獲得的固化土的強(qiáng)度也更高，抗干濕循環(huán)能力也更強(qiáng). 總之，干濕循環(huán)后，各固化工藝獲得的固化土試樣的強(qiáng)度均有所降低，這是因?yàn)榻?jīng)干濕循環(huán)脫濕后，土顆粒之間的膠結(jié)物出現(xiàn)裂隙［11］，且干濕循環(huán)次數(shù)與裂隙面積率呈正相關(guān)［20-21］，所以固化土試樣在浸水后，水會(huì)通過裂隙進(jìn)入固化土試樣內(nèi)部，從而導(dǎo)致固化土試樣強(qiáng)度降低.

圖13 H1及H2試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.13 Variations of unconfined compression strength of H1 and H2 samples with the numbers of wetting-drying cycle

三種固化工藝獲得的固化土試樣的抗干濕循環(huán)能力從高到低依次為：廠拌法試樣＞路拌法試樣＞就地固化法試樣. 分析原因可能是：就地固化法是對(duì)廢棄淤泥土進(jìn)行原位拌合，即將固化劑通過儲(chǔ)料系統(tǒng)運(yùn)送至強(qiáng)力攪拌頭前端并對(duì)廢棄淤泥土進(jìn)行就地均勻攪拌，這就可能產(chǎn)生固化盲區(qū)［17］和固化劑噴灑不均勻的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致就地固化法試樣的抗干濕循環(huán)能力較低，而廠拌法和路拌法則是通過二次摻灰和現(xiàn)場(chǎng)攤鋪對(duì)廢棄淤泥土進(jìn)行固化的，攪拌均勻性較好，所以通過這兩種固化工藝獲得的固化土試樣的抗干濕循環(huán)能力均較好.

綜合來(lái)看，將廢棄淤泥土進(jìn)行路基填料化利用的最佳現(xiàn)場(chǎng)固化工藝為廠拌法.

4 結(jié)論

通過室內(nèi)浸水崩解試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)對(duì)不同固化工藝獲得的固化土試樣的水穩(wěn)特性和強(qiáng)度特性的影響，得到如下結(jié)論：

1）三種固化工藝獲得的固化土試樣的水穩(wěn)特性均較好，浸水28 d后均未發(fā)生崩解現(xiàn)象.

2）廠拌法試樣經(jīng)干濕循環(huán)后，其強(qiáng)度衰減率及質(zhì)量衰減率均較小. 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，路拌法試樣的質(zhì)量在前期發(fā)生折損，后期趨于穩(wěn)定，最大質(zhì)量衰減率為15.3%，最大強(qiáng)度衰減率為39.6%. 就地固化法試樣在經(jīng)過10次干濕循環(huán)后就發(fā)生較多脫落，質(zhì)量折損嚴(yán)重，最大質(zhì)量衰減率為47.0%. 三種固化工藝獲得的固化土試樣的抗干濕循環(huán)能力從高到低依次為：廠拌法試樣＞路拌法試樣＞就地固化法試樣.

3）廠拌法試樣的初始無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比路拌法試樣大約一倍，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，廠拌法試樣與路拌法試樣的強(qiáng)度差異越來(lái)越大. 綜合來(lái)看，將廢棄淤泥土進(jìn)行路基填料化利用的最佳現(xiàn)場(chǎng)固化工藝為廠拌法.