淤泥質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 嚴佳佳 張明明 張白羚

摘 要：為解決軟弱的淤泥質土無法直接用于路基填筑的問題，需要探索優(yōu)良的固化劑配 方.首先選取工業(yè)廢料高爐礦渣、粉煤灰和電石渣為固化原材料，對臺州淤泥質土進行加固.利用混料試驗分析的方法，得到14 d和28d齡期下無側限抗壓強度的回歸方程，分析得到最 佳配比下固化劑質量分數比為高爐礦渣∶粉煤灰∶電石渣=42.1∶11.5∶46.4，取名 ZX20，并得到 ZX20 固化土在28 d齡期下強度為1479.32 kPa;然后對ZX20 固化土與二灰土進行無側限試 驗、水穩(wěn)性試驗和干濕循環(huán)性試驗，發(fā)現 ZX20 固化土滿足路基填筑強度要求，并比傳統二灰 土有更好的路用性能;接下來討論了ZX20 固化土強度和齡期的關系，并用對數函數對固化土的強度與齡期進行擬合，發(fā)現具有較好的擬合度;最后通過SEm方法和PCAS 軟件對ZX20 固 化土的微觀機理進行定性和定量分析，發(fā)現隨齡期變化固化土中生成大量絲狀物、針狀物和絮凝狀物，分割大孔隙為小孔隙并填充部分孔隙，以此提高固化土的強度.

關鍵詞：工業(yè)廢料;路基土;淤泥質土;無側限抗壓強度

中圖分類號：TU447? 文獻標志碼：A

Experimental Study on Solidification and Road Performance ofmucky Soil

XU Riqing1，4?，ZHU Kunlong1，4，HUANG Wei2，YAN Zihai3，ZHANG Gangping3，YAN Jiajia3，ZHANGmingming3，ZHANG Bailing1，4

（1.Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou310058，China;

2.management center of themunicipal infrastructure construction of Hangzhou，Hangzhou311103，China;

3.Power China Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou311122，China;

4.Engineering Research Center of Urban Underground Development of Zhejiang Province，Hangzhou310058，China）

Abstract：In order to solve the problemthat the weakmucky soil cannot be directly used for subgrade filling， it is necessary to explore an excellent curing agent formula.First，blast furnace slag， fly ash， and calciumcarbide slag were selected as curingmaterials to reinforce the Taizhoumucky soild.Next， by texting unconfined compressive strength， the regression equations of14 d and 28 d ages were obtained using themethod ofmixture test analysis.It was found that themass fraction ratio of the curing agent which is called ZX20 at the best ratio was as blast furnace

slag ∶fly ash ∶calciumcarbide slag =42.1∶11.5 ∶46.4.The strength of ZX20 solidified soil at 28 d age was1479.32 kPa.Then， by texting unconfined test， water stability test， and dry-wet cycle test on ZX20 solidified soil and lime-lime soil， the results showed that ZX20 solidified soilmet the requirements of subgrade filling strength and had higher strength， better road performance water stability and dry-wet cycle than traditional lime-lime soil.Next， it was found that the logarithmic function had a good fit for the relationship between the strength of ZX20 solidified soil and age.Finally， by using the SEMmethod and PCAS software， themicroscopicmechanismof ZX20 solidified soil was analyzed qualitatively and quantitatively.It was found that a large number of filaments， needles， and floccules were generated in the solidified soil with age， and the large pores were divided into small pores and filled partial pores， thereby increasing the strength of the solidified soil.

Key words：industrial waste;subgrade soil;mucky soil;unconfined compressive strength

隨著國內各類基礎設施的不斷擴建，在我國沿 海地區(qū)及河道分布地帶，每年都會產生大量的淤泥和淤泥質土.淤泥質土具備含水率高、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，開始了對淤泥質土固化后用于就近路基的研究.

以往對淤泥質土的固化，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]，然而傳統材料價格昂貴，而且生產過程中容易產生CO2 等溫室氣體.根據工信部統計，2019 年我國工業(yè) 廢料產量約為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)廢料加入淤泥質土中，研究符合路用性能的固化材料.

當前有不少學者研究工業(yè)廢料固化淤泥質土，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)現其凝結時間和強度可以滿足42.5 普硅水泥的技術要求.黃煜鑌 等[11]發(fā)現摻入20% 左右的流化床燃煤固硫灰渣可以顯著提高淤泥質土強度，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 淤泥質土，并摻入部分固體激發(fā)劑，通過室內強度試 驗發(fā)現該體系下固化土14 d 強度大幅提升，其固化 機理為新生成聚合物的膠結作用.Yadu 等[13]通過無側限抗壓強度試驗發(fā)現 9%的?；郀t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) 劑燒堿加入淤泥質土中，通過試驗發(fā)現固化土無側 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土，發(fā)現 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土的固 化效果，發(fā)現淤泥質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試驗設計

1.1試驗材料

1.1.1淤泥質土

本試驗土壤取自臺州淤泥質軟土，該土壤屬于海相軟土，基本參數見表1.

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作用，主要包括水化反應、火山灰反應[18-20]、脹填充作用、離子交換作用和碳化反應.為充分利用火山灰反應，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，發(fā)揮其活性，達到一定固化效果，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.電石渣是電石水解制取乙炔的過程中產生的廢渣，其成分絕大部分是氫氧化鈣，為火山灰反 應提供充足的堿性物質，充分發(fā)揮反應物的活性.

1.2試樣準備

實際工程中，淤泥質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 泥質土，烘干碾碎后，按照35%的含水率配制試驗原 料土.

試樣準備即制樣過程.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，應當重新制樣.

1.3試驗過程

1.3.1無側限試驗

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

測量無側限抗壓強度前，用游標卡尺測得試樣的直徑與高度，用于應變的計算.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歸零.然后使上加壓板以1mm/min的速率下降，對試樣施加壓應力，并自動采集該試樣應力應變數據.在應力達到峰值后再進行3%～5%的軸向變形即可停止加壓，觀察試樣破壞形狀，對數據處理得到應力應變的關系.若試樣偏應變硬化的特性，其應力-應變曲線無峰值，則試驗應進行到軸向 應變達到 20%為止.獲取采集的數據，繪制試樣的應力-應變曲線，取軸向應力的峰值作為所測試樣的無側限抗壓強度qu，無峰值則取軸向應變?yōu)?0%所對應的軸向應力為qu.

1.3.2 混料試驗

對于各添加劑的質量分數相加為1的試驗設計，可以考慮采用混料試驗設計.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，采用單形重心設計的方法，考察各種混料成分的質量分數與試驗指標之間的關系.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.

假設高爐礦渣、粉煤灰和電石渣相對總添加劑的質量分數分別為x1、x2、x3，所得到的無側限抗壓強 度為y，則該試驗為了建立強度與3個變量之間的回歸關系，其約束條件為：

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

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條件的影響，需要考察其水穩(wěn)性.可以采用水穩(wěn)系數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限抗壓強度;Y為試樣養(yǎng) 護至相應齡期后，測得的無側限抗壓強度.

制取 ZX20 固化的固化土與石灰土的試樣，測定無側限抗壓強度并計算在7 d、14 d和28 d3種齡期 下的水穩(wěn)性.結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量比為3∶1.

1.3.4 干濕循環(huán)試驗

由于路基填筑現場天氣變化劇烈，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.

制作標準試樣，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3h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，得到試樣的應力-應變曲線.

2 試驗結果

2.1無側限試驗結果分析

根據所設計的試驗，測量各個試樣的無側限抗 壓強度，得到的結果如表4所示.

通過觀察數據，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到 700 kPa以上，在28 d齡期時強度高達1.3mPa，說明該種固化材料早期強度較低，后期強度上升大.

分析出現該種現象的原因，可能是由于該種淤 泥質土含水率偏高，在短時間內固化劑無法和水充分反應，即使生成部分膠凝劑粘接部分土體，固化土 也呈現部分流塑狀態(tài)，強度不高;而隨固化劑和土內的水分充分反應，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軟件對混料試驗結果進行分析，考慮7d齡期強度偏低，遠不能滿足固化土路基的強度要求，故不再分析7d 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 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 到 826.464 kPa.此時，計算得到高爐礦渣質量分數為7.75%，粉煤灰質量分數為2.16%，電石渣質量分數為5.09%.該強度勉強達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.

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 添加劑的質量分數.

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 x1=0.421，x2=0.115，x3=0.464時，固 化 土 在28 d 齡 期的強 度最高，達 到1479.32 kPa.此時，計算得到高爐礦渣質量分數為6.32%，粉煤灰質量分數為1.72%，電石渣質量分數為6.96%.

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 添加劑的質量分數.

2.2.2 最佳配比的確定

根據給出的各齡期對應的固化土強度回歸方 程，分別計算14 d和28 d 齡期相應的最優(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，對比兩個齡期的數據，在實際工程應用中，以提高28 d時固化土所能達到最大強度的優(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、電石渣的質量分數比為42.1∶11.5 ∶46.4，28 d的強度為1479.32 kPa，取名 ZX20.該配比滿足路基填土強度要求.

2.3水穩(wěn)性試驗結果分析

根據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)性數據見表5.

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 大于傳統二灰土.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)系數高達0.86，滿足工程實際要求.

2.4 干濕循環(huán)試驗結果分析

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系，表6為兩種土經過不同次數干濕循環(huán)后的峰值強度.

分析得到，二灰土和ZX20 固化土的強度峰值均 隨干濕循環(huán)次數的增加而呈現下降的趨勢.而在相同干濕循環(huán)次數情況下，相比于二灰土，ZX20 固化 土的無側限抗壓強度較高，對應的軸向應變更小.這 表明在復雜氣候下，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 數據養(yǎng)護 28 d，水中浸泡 24 h后強度為1212.83 kPa，而經過一次干 濕循環(huán)后其強度僅為825.13kPa，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，測量其無側限抗壓強 度，試驗所得結果如圖4所示，其中14 d、28 d的結果 與預測值十分接近.

利用對數函數對該曲線進行擬合，可得下式：

式中：y為固化土的無側限抗壓強度;x為齡期.

該曲線 R2=0.978，相關性很好.但該方程僅能預測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，后期的強度才是關鍵因素，所以該曲線可以用于預測固化土無側限抗壓強度與齡期之間的關系.

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構，得到圖像如圖5所示，放大倍數為10 000倍.

加固前，圖5（a）中黏粒結合體組成的絮狀結構，有較多凹進去的孔隙且孔隙較大，因此土體之間的聯系較少，總體呈現比較分散的狀態(tài);在7d 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，使土體結構更為致密;在14 d 齡期下，圖5（c）中這些細絲狀膠 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 反應而產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構進行定量分析，該軟件可以自動識別并統計SEm圖像中的孔 隙或者裂隙，并導出各種幾何參數，在微觀圖像處理 上具有很大的便捷性.

由于放大倍數過大不具備代表性，選用2 000倍放大倍數的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、孔隙面積比和不同孔隙的分布規(guī)律，具體數據見表7.

表7中，0 d齡期表示未加固的土樣，微孔占比為小于50像素點的孔隙數量所占比例，超大孔占比為1000像素點的孔隙數量所占比例.

分析表7中孔隙數的數據，從未固化土到14 d 齡期固化土，土體內孔隙不減少反而增多，而在28 d 齡期下固化土的孔隙數量急劇下降，且少于最初未 固化土土壤的孔隙個數.其主要原因為：3.2節(jié)定性分析已經討論固化土之間的火山灰反應將產生不同 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不減少反 而增加;而在28 d 齡期下，火山灰反應已經基本完 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，實現土體強度性能的提升.該結論與孔隙數的結論相互映襯.

通過從微觀角度對這4個微觀參數的分析，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，以臺州淤泥質土為對象，通過混料試驗設計的方法，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、電石渣的質量分數比為42.1∶11.5 ∶46.4為最佳配方，28 d的強度為1479.32 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關系，其強度主要來源于火山灰反應生成的水化物.

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.

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