硅鋁基淤泥固化劑應用現(xiàn)狀研究

路洋 ，樂紹林 ，王偉 ，陳偉

（1.武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北 武漢 430071；2.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護集團有限公司，北京 100011）

0 引言

我國海岸線遼闊，每年在港口和航道的建設(shè)維護工程中會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。疏浚淤泥具有含水率高、壓縮性強及孔隙比大等特征，部分還有有機質(zhì)和重金屬污染，不對其進行有效處理就無法資源化利用，甚至對周邊生態(tài)環(huán)境造成二次污染。目前，疏浚淤泥的處理方法主要包括海洋傾倒、吹填處理和再生利用3 類方法。海洋傾倒會對海洋生態(tài)環(huán)境造成難以估計的潛在影響。吹填淤泥排水固結(jié)處理費用高、工期長且易產(chǎn)生不均勻沉降。為了保護海洋環(huán)境和保證海洋經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，疏浚淤泥的再生利用逐漸成為研究的焦點。再生利用就是對疏浚淤泥進行改良，使其成為滿足性能要求的建筑或填方用土，其中淤泥固化處理是經(jīng)濟可行的技術(shù)手段之一[1-3]。

近年來，淤泥固化技術(shù)發(fā)展迅速，為克服傳統(tǒng)高鈣體系固化材料在實際應用中存在的固化土堿性高、早期強度低后期強度增長緩慢、干縮大易開裂及耐水性差等問題，國內(nèi)外學者對基于活性激發(fā)原理的硅鋁基固化劑開展了大量的研究工作，研發(fā)了一系列適用性的市場化產(chǎn)品。本文總結(jié)了該類固化劑的材料組成、功能特性及應用現(xiàn)狀，并對固化劑未來的研究方向做出展望。

1 傳統(tǒng)固化材料存在的問題及原因

土壤固化劑根據(jù)化學組成和作用機理的不同一般分為無機類、離子類、有機類以及生物酶類4 大類型。其中，離子類固化劑應用范圍較小，主要用于固化處理黏性膨脹土，且要求黏粒含量不少于25%。有機類固化劑具有老化性，影響固化土后期的強度和耐久性能。生物酶類固化劑具有生物降解性，不能達到長期固化的效果，從而影響固化土的使用壽命。無機類固化劑應用范圍較廣，適用于所有類型土壤的固化處理。

但是，在傳統(tǒng)的無機類固化材料中，水泥對于塑性指數(shù)高的黏土和有機質(zhì)含量高的土體固化效果較差，往往需要較大摻量才能滿足要求，而且水泥的溫縮系數(shù)和干縮系數(shù)較大，導致水泥固化土易開裂，影響使用性能。石灰固化土的強度增長緩慢，影響施工進度，而且固化土的強度不與石灰的摻量成正比，呈現(xiàn)先升后降的趨勢，存在理論上的限制，無法滿足較高的強度要求。此外，石灰固化土的水穩(wěn)性差，也限制了其應用范圍。究其原因，傳統(tǒng)無機類固化材料諸如五大水泥、水泥熟料、堿礦渣水泥以及石灰等屬于高鈣體系，CaO（/SiO2+Al2O3）的比值大，堿含量高，尤其是在水泥熟料的水化過程中，會生成大量的Ca（OH）2。當水泥和淤泥接觸時，部分淤泥中的黏土礦物會和Ca（OH）2反應，消耗一部分的堿度，由于水泥水化產(chǎn)物必須在一定堿度下才能穩(wěn)定存在，這會導致水泥水化產(chǎn)物的分解來產(chǎn)生Ca（OH）2用以保證體系的穩(wěn)定，結(jié)果影響了水泥固化土的強度。對于高含水率淤泥的固化，淤泥液相中的Ca（OH）2溶解濃度會相對降低，必須通過水泥水化產(chǎn)物的分解來補充，也會導致水泥膠凝性的降低，從而降低水泥固化土的水穩(wěn)定性。此外，受空氣中CO2的侵蝕，也會消耗水泥基體系固化土中的Ca（OH）2，促使水泥水化產(chǎn)物的分解來補充，從而導致水泥膠凝性的進一步降低，這也嚴重影響了水泥固化土的耐久性[4]。目前常用無機類固化材料CaO/（SiO2+Al2O3）特征如圖1 所示。

圖1 常用固化材料CaO/（SiO2+Al2O3）特征Fig.1 Characteristics of CaO/(SiO2+Al2O3)commonly used stabilized materials

2 硅鋁基固化劑作用機理與特征

硅鋁基固化劑多采用主固化劑添加各種激發(fā)劑或表面活性劑等添加劑配制而成。主固化劑主要為各類工業(yè)廢渣、水泥熟料、粉煤灰等，激發(fā)劑主要為各種酸、堿或鹽類，也包含少量的表面活性劑等其他有機材料。硅鋁基固化劑由于摻加了水泥熟料等，固化過程首先發(fā)生與水泥相同的反應。主固化劑中的活性物質(zhì)如C3S（硅酸三鈣）和C2S（硅酸二鈣）等首先與淤泥中的水發(fā)生反應，生成Ca（OH）2和C-S-H（水化硅酸鈣）凝膠。隨后在激發(fā)劑的作用下，灰渣中玻璃體Si-O、Al-O 長鏈斷裂，表現(xiàn)為SiO2聚合度降低和SiO2、Al2O3溶出量增大，顆粒反應率增大。此外，淤泥顆粒本身的SiO2和Al2O3的活性也被激發(fā)，與Ca（OH）2反應繼續(xù)生成C-S-H 凝膠和C-A-H（水化鋁酸鈣），C-A-H 繼續(xù)反應生成鈣礬石（AFt）。固化劑和淤泥顆粒作用形成交錯搭接的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，生成的C-S-H 凝膠和鈣礬石填充在內(nèi)部的空隙，最終形成具有整體強度的固化土。

另外，硅鋁基固化劑含有的堿性材料有利于硅鋁基玻璃體的化學鍵打開，增加了固化劑顆粒和淤泥顆粒之間的同相或類同相接觸面積，進一步提高了固化土的固結(jié)強度。由于同相或類同相接觸的產(chǎn)物是自然界穩(wěn)定存在的巖石礦物，也提高了固化土的耐久性。其次，硅鋁基固化劑中的鈣質(zhì)材料與石膏及淤泥中的活性鋁，或者原來固化劑本身硅鋁基材料中的活性鋁反應生成鈣礬石，該過程會消耗大量的水分，淤泥中水分的消耗會有利于減少淤泥顆粒之間的水膜，促進淤泥顆粒以及固化凝結(jié)材料的同相接觸，同時鈣礬石本身的膨脹效應會填充淤泥顆粒之間的空隙，起到強度支撐作用。此外，硅鋁基固化劑中添加了一些有益于淤泥顆粒結(jié)合作用的外加劑，在加快硅鋁酸鹽穩(wěn)定體系建立的同時，促進淤泥顆粒表面吸附離子被不同離子基團替代，減小土粒表面吸附水膜的厚度，使土粒更接近，分子引力和靜電引力也隨之增加，同樣有利于淤泥顆粒之間的類同相和同相接觸[5]。同相或類同相硅鋁酸鹽接觸反應原理如圖2 所示。

圖2 同相或類同相硅鋁酸鹽接觸反應原理Fig.2 Principle of in-phase or quasi in-phase aluminosilicate contact reaction

3 硅鋁基固化劑應用現(xiàn)狀

目前，關(guān)于硅鋁基固化劑的研發(fā)和性能試驗研究較多，已經(jīng)市場化且應用廣泛的主要包括HAS 固化劑、HEC 固化劑、Aught-Set 固化劑以及JCW 固化劑等。

3.1 HAS 固化劑

HAS 固化劑是以工業(yè)廢渣為主要原料，添加各種激發(fā)劑配制而成。主固化劑包括工業(yè)廢渣、水泥熟料和石膏等，激發(fā)劑主要為強堿類，也包含了少量的表面活性劑。應用項目主要包括江蘇南通如東淤泥地基處理工程、江蘇垞城電廠灰壩加固工程、廣州珠江堤岸軟基加固工程、武麻高速公路軟基處理工程、武漢漢南省級公路軟基處理工程以及武漢火車站西廣場的淤泥基礎(chǔ)支護工程等。

侯浩波等[6]研究了利用HAS 固化劑固化灰場原狀粉煤灰用以加高壩體，摻加3%固化劑可達到10%水泥的固化效果，固化灰的內(nèi)摩擦角達到36°，凝聚力超過100 kPa，滲透系數(shù)降低至1×10-5～1×10-6cm/s。涂潔等[7]利用HAS 固化劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)固化材料對電鍍污泥進行常溫固化處理，制備出性能優(yōu)良的免燒免蒸護坡磚。固化磚的機械性能、抗凍融性能及耐干濕性能均滿足護坡磚規(guī)范指標，并且浸出液中重金屬離子的濃度也達到標準要求。黃又清等[8]研究了利用HAS 固化劑穩(wěn)定高含泥量碎石做半剛性基層材料，解決了道路基層干縮裂縫問題，提高道路壽命，大幅降低了工程造價，并在多條城市道路和快速路進行施工驗證。

3.2 HEC 固化劑

HEC 固化劑由特制的核心材料復合兩種或兩種以上的活性礦物材料并加入適量石膏共同磨細而成。核心成分大體上可分為兩部分，其中一部分為促進材料活化的活化組分；另一部分為具有潛在活性的載體，本身具有膠凝作用，同時對活性組分起稀釋分散作用，使HEC 核心成分均勻分布。應用項目主要包括上海臨港新城道路、貨場基層淤泥淤沙固化項目、南通港狼山三期道路、堆場淤泥淤沙固化項目以及武漢市外沙湖清淤底泥脫水固化一體化處理工程等。

賀立軍等[9]進行了HEC 固化劑加固膨脹土試驗研究，在固化劑摻量8%時，固化土無側(cè)限抗壓強度達到了1.12 MPa，表明HEC 固化劑對膨脹土也具有良好的加固效果。呂桂軍等[10]對HEC 固化劑固化沙質(zhì)土和水泥固化沙質(zhì)土的特點進行了比較研究，結(jié)果表明HEC 固化劑的固土效果和經(jīng)濟性能均優(yōu)于水泥。王銀濤等[11]研究了HEC 固化劑對濕陷性黃土強度及持水性的影響，結(jié)果顯示隨著HEC 固化劑摻量的增加，黃土持水性降低，比水容量逐漸減小，黃土強度與比水容量之間呈負相關(guān)，隨著比水容量的減小，黃土的強度逐漸增加，表明HEC 對濕陷性黃土強度也有明顯的增強作用。安彥勇等[12]利用HEC 固化劑對閔行鐵路貨場工程地基進行地基改良試驗，在固化劑摻量6%的條件下，碾壓后平均地基承載力達到225 kPa，且積水浸泡后，未改良段路面均不同程度出現(xiàn)裂縫，而改良段仍保持了很好的完整性和足夠的強度，表明HEC 固化土具有極強的耐水性，有利于雨季施工和降雨頻繁的地區(qū)推廣使用。

3.3 Aught-Set 固化劑

Aught-Set 固化劑包含6 種主要成分，分別為S、T1、T2、P1、P2、P3。其中，S 與淤泥顆粒反應，構(gòu)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成早期強度；T1用于增強固化土的耐水性，保持固化土的強度穩(wěn)定；T2為激發(fā)劑，促進體系的膠凝反應形成早期強度；P1為表面活性劑，促進P2成分進入淤泥顆粒內(nèi)部；P2與淤泥顆粒發(fā)生反應，增強固化土強度，同時保持后期強度增長；P3參與體系反應，生成具有膨脹性的物質(zhì)，填充固化土空隙，提高抗?jié)B和抗縮性[13]。應用項目包括塔克拉瑪干沙漠公路、寧夏青銅峽大壩鎮(zhèn)南翻漿路段基層處理、北京中南海底泥固化工程、北京釣魚臺底泥固化工程、北京昆玉河淤泥固化項目、朔黃鐵路路基處理試驗段和京滬高速鐵路路基處理工程等。

朱步祥等[14]利用Aught-Set 固化劑對臨沂市葛溝灌區(qū)土渠底部淤泥進行固化處理，7 d 抗壓強度超過0.8 MPa、28 d 抗壓強度大于2.0 MPa，滲透系數(shù)由原狀土 1×10-5cm/s 固化后達到 5×10-7cm/s，抗凍融循環(huán)達到15 次，使用壽命遠大于三合土、水泥土等傳統(tǒng)材料，此外，可根據(jù)工程性質(zhì)和施工要求調(diào)整延遲時間，且固化土的收縮量小，解決了傳統(tǒng)固化材料固化淤泥時存在的早期強度低，水穩(wěn)定性差，疲勞強度低、干縮大、易開裂、延遲時間短的問題。石麗萍[15]通過試驗研究對比了Aught-Set 固化土和普通硅酸鹽水泥固化土在路基填土中的性能差異，結(jié)果表明Aught-Set 固化土呈良好的板體性能、穩(wěn)定性、不透水性及抗凍性，固化劑施工比傳統(tǒng)方法施工可節(jié)省費用30%。

3.4 JCW 固化劑

JCW 固化劑主要成分包括工業(yè)廢渣、偏高嶺土、硅酸鉀以及活化劑等，其中工業(yè)廢渣的占比達到65%以上。該固化劑適用于淤泥類細顆粒包括淤泥、淤泥質(zhì)土以及過濕土等。目前JCW 固化劑已經(jīng)成功應用于寧波天童莊綜合基地軟基處理項目、大連灣沉管基槽疏浚淤泥固化填筑人工島現(xiàn)場中試試驗、甌江北口大橋南錨碇地基處理工程以及西安灞河兩岸提升改造工程（國際港務區(qū)段）一期清淤工程等。

楊俊釗等[16]研究了水固比、固化劑摻量以及淤泥液限、塑限等因素對JCW 固化土的流動性、無側(cè)限抗壓強度的影響，結(jié)果顯示，固化土的強度隨JCW 固化劑摻量成二次函數(shù)增長，JCW 固化劑更適合固化高液限和高塑限淤泥。路洋等[17]使用JCW 淤泥固化劑在大連港大窯灣港區(qū)內(nèi)進行了關(guān)于沉管基槽疏浚淤泥固化處理填海筑島的現(xiàn)場試驗，并對澆筑后的地基進行了現(xiàn)場檢測。檢測內(nèi)容包括開挖取樣試驗、靜力觸探試驗以及平板載荷試驗。根據(jù)現(xiàn)場澆筑地基28 d 指標的檢測結(jié)果，對固化土的無側(cè)限抗壓強度和比貫入阻力兩者與地基承載力特征值的關(guān)系進行數(shù)值擬合，得到了經(jīng)驗公式。陳偉等[18]系統(tǒng)研究了JCW 固化劑固結(jié)淤泥的作用機理，結(jié)果表明，在淤泥固化的過程中，粒徑小于100 μm 的淤泥顆粒在粒徑為11 μm 和45 μm 處出現(xiàn)明顯的團粒化現(xiàn)象，隨養(yǎng)護齡期增長，液塑限呈指數(shù)增加，塑性指數(shù)呈指數(shù)減小，土的類別由黏性土向粉土轉(zhuǎn)變，土的狀態(tài)由流塑狀態(tài)逐漸變成硬塑和半固態(tài)；固化劑和淤泥作用形成交錯搭接的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出由固-水-氣三相體系的淤泥逐漸向固-晶（結(jié)晶態(tài)含水化合物）-氣準兩相結(jié)構(gòu)性體系的固化土轉(zhuǎn)變。

綜上所述，HAS、HEC、Aught-Set 和 JCW 均屬于典型的硅鋁基固化劑，相比于其他類型的無機類固化材料，最大的特征就是對基材和土壤中的潛在活性成分進行激發(fā)，讓土壤顆粒本身也參與到固化反應中，從而最大化的改善土壤結(jié)構(gòu)和力學性能。其中，HAS、HEC 和Aught-Set 固化劑由于本身摻加了水泥熟料等，通過水化反應可以明顯的形成固化土早期強度，但是也導致了固化土的堿性偏高，而JCW 固化劑本身未摻加水泥基材料，固化土早期強度相對略低，但由于充分激發(fā)和利用了地聚合物的活性反應，所以后期強度增長穩(wěn)定，整體強度較高。常用硅鋁基固化劑研究匯總?cè)绫? 所示。

表1 常用硅鋁基固化劑研究匯總Table 1 Research summary of commonly used silicon-aluminum-based silt stabilizer

4 結(jié)語與展望

淤泥固化處理技術(shù)效率高且施工簡便，具有廣闊的應用前景。硅鋁基固化劑大多以工業(yè)廢渣為主要原料，在處理工業(yè)固體廢棄物的同時，實現(xiàn)以廢治廢，使用硅鋁基固化劑代替水泥等傳統(tǒng)固化材料用于淤泥的固化處理，節(jié)能減排綠色環(huán)保，值得廣泛推廣。

目前，硅鋁基淤泥固化劑的研究主要集中在固化土的力學性能和水穩(wěn)定性方面，關(guān)于固化土的耐久性，尤其是長期耐久性研究不足。此外，固化土的道路應用需求日益增多，以固化土作為填料的路基需要承受來自行車的動載荷作用，路基的穩(wěn)定性也需要廣泛關(guān)注和深入研究。另外，淤泥固化技術(shù)在施工層面缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，由于施工中通過調(diào)節(jié)固化劑配比來控制的是固化土的無側(cè)限抗壓強度指標，而地基承載力卻只能在施工完成之后通過檢測取得，這就需要表征固化土無側(cè)限抗壓強度和地基承載力之間關(guān)系的規(guī)范來指導生產(chǎn)。雖然現(xiàn)階段許多學者都給出了相關(guān)的經(jīng)驗公式，但是出入較大，部分公式也因為處理淤泥的性狀差異而出現(xiàn)較大偏差。所以，制定統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范是亟需的。此外，淤泥固化處理后，由于滲透系數(shù)降低、孔隙率減小以及pH 值增大，會影響到固化土的植物生長性，如何提高固化土的植生性將是未來研究的重點內(nèi)容。