泥態(tài)固化土材料組成及其工程性質研究進展

王新岐， 曾 偉， 王朝輝， 問鵬輝

（1.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064）

路基及管廊回填作為交通基礎設施建設的重要組成部分，需要大量的土工材料。傳統碾壓回填施工存在嚴重揚塵問題；同時，對施工空間狹小的位置進行碾壓施工，較難保證壓實質量，對工后整體穩(wěn)定性及耐久性保障造成不利影響。自流澆筑方式對特殊路段路基進行充填加固是解決上述問題的有效措施[1]。近年來泥態(tài)固化土作為一種可調可控、均質穩(wěn)定、施工便捷、環(huán)保低碳的新型建筑材料逐漸引起關注[2～3]，已逐漸被嘗試用于公路路基、橋頭臺背、管廊溝槽、地基基坑等土建基礎設施回填工程中并取得了較好效果。在當前綠色發(fā)展的大背景下，諸如淤泥等泥態(tài)物及工業(yè)廢渣等大宗固廢均被嘗試用于制備泥態(tài)固化土[4]；但目前我國采用淤泥等含水率及有機質含量較高的土質進行泥態(tài)固化土制備還處于室內研究階段，如何推動泥態(tài)固化土的綠色可持續(xù)發(fā)展及大規(guī)模應用仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

本文系統梳理國內外泥態(tài)固化土相關研究動態(tài)，對泥態(tài)固化土材料組成、性能影響因素、固化機理等方面進行綜述，全面分析不同固化劑材料對泥態(tài)固化土性能的影響，進一步明確泥態(tài)固化土的應用前景及面臨的挑戰(zhàn)，以期為泥態(tài)固化土制備原材料選用及工程推廣應用提供有益借鑒。

1 原材料組成及選用

與一般固化土相似，用于制備泥態(tài)固化土的原材料根據功能主要分為被固化材料、固化劑、外加材料及水。

1.1 被固化材料選用

早期進行泥態(tài)固化土制備時被固化材料較為單一，主要是集料、粉煤灰等。隨著人們環(huán)保意識增強及對泥科學理解的不斷深入，不同類型的泥土及固廢材料被嘗試用于制備泥態(tài)固化土，現階段被作為被固化材料的有疏浚淤泥、淤泥質土、泥炭土、建筑棄土、盾構渣土、煤礦廢棄物、珊瑚屑等[2,4～5]。陳偉等[4]采用大連灣海相疏浚淤泥制備泥態(tài)固化土，在固化過程中粒徑為11、45 μm 的淤泥出現明顯團?；F象且隨養(yǎng)護齡期的增加土質由黏性土向粉土轉變，無側限抗壓強度呈指數增長，固化后淤泥與固化劑能夠形成三維網絡狀結構，穩(wěn)定性優(yōu)良。邵鈺清等[6]在泥態(tài)固化土制備時引入了建筑垃圾細料，通過調整灰砂比和水固比實現了泥態(tài)固化土性能的可調可控。相比于集料作為被固化材料，采用淤泥等泥態(tài)物或固體廢棄物材料制備的泥態(tài)固化土強度較低，作為回填材料可用于部分非關鍵承重結構中[4]。

1.2 固化劑選用

泥態(tài)固化土的固化劑早期以水泥為主。隨著堿激發(fā)材料及地聚物等材料逐漸發(fā)展，越來越多含有活性硅鋁源物質的材料，特別是工業(yè)廢渣類材料被用來作為固化劑，以減少對水泥的依賴。目前用作泥態(tài)固化土固化劑的工業(yè)廢渣材料包括粉煤灰、赤泥、高爐礦渣、焚燒爐渣、鋼渣等?？紫檩x等[7]采用赤泥部分替代水泥制備了粉土泥態(tài)固化土，當控制赤泥替代水泥摻量為10%～15%時，有利于提升泥態(tài)固化土凝結硬化后的強度。張駿等[8]在泥態(tài)固化土制備時引入電石渣及鋼渣等材料，隨著電石渣和鋼渣摻量增加，泥態(tài)固化土強度先增后減，其比例為1∶1時抗壓強度最大。

不同固化材料主要化學成分包括SiO2、CaO、Al2O3及Fe2O3等，其中不同固化材料化學物質組成中SiO2和CaO 含量較高，占比之和基本可達到50%以上，而Al2O3和Fe2O3占比相對較小，除赤泥及粉煤灰外，二者占比之和基本在37.5%以下。見表1。

表1 泥態(tài)固化土常用固化材料及其組成 %

目前制備泥態(tài)固化土的固化劑主要以富硅鋁源物質為主，按照活性成分可分為硅鋁鹽、硅鋁酸鹽及硅鋁鈣氧化物等。由固化劑的化學組成可知，不同類型的無機固化劑強度形成機理較為接近，主要是生成水化硅酸鈣（CSH）及水化鋁酸鈣等膠凝產物，在工程中應結合被固化材料特性及工程要求選配合適的固化劑。黃新等[9]認為在對淤泥等高含水率材料進行固化時既需要膠凝性水化產物，同時還需要生成膨脹性水化物以填充土顆粒團聚后顆粒間的孔隙。郭印等[10]提出可從減薄雙電層厚度、添加膨脹組分、提高pH 值及裂解有機質大分子結構等方面提升淤泥等材料的固化效果。

1.3 外加材料選用

在確定被固化材料及主要固化劑的基礎上，部分研究者通過引入外加材料實現對泥態(tài)固化土性能的優(yōu)化。目前常用的外加材料包括減水劑、發(fā)泡劑及堿性材料等。減水劑的引入有利于保證流動性的同時降低用水量，但其含量過高會對固化后土體強度造成不利影響。發(fā)泡劑有利于降低泥態(tài)固化土的天然重度，可以促進其在軟基處理及臺背回填等工程中的應用。此外，部分研究者在泥態(tài)固化土制備時摻加了氫氧化鈉等堿性材料，楊愛武等[11]和陳萌等[12]研究發(fā)現氫氧化鈉及碳酸鈉等堿性外加劑的添加有利于提升固化土體的強度，在制備時可控制氫氧化鈉的摻量在0.4%左右。

1.4 配合比

泥態(tài)固化土配合比與被固化材料及固化劑類型均密不可分。目前仍以水泥作為主要固化材料，不同類型的工業(yè)廢渣被嘗試用于泥態(tài)固化土中，其中粉煤灰應用較多，其他固廢材料如鋼渣、礦渣、赤泥等材料也作為固化劑被用于制備中。為保證施工期間流動性，制備時泥態(tài)固化土體系中應有較高的含水率，因此采用渣土、砂、殘積土等低含水率材料時需摻入一定比例外加水；而淤泥等則無需額外加水，必要時還需要采取降水措施。在配合比設計時應確保泥態(tài)固化土和易性滿足施工要求，同時固化反應過程消耗足量的水分，以提升硬化后力學 性能。見表2。

表2 泥態(tài)固化土組成及配合比

現階段泥態(tài)固化土配合比設計仍多基于已有經驗及試錯試驗[13～14]，也有學者將膠漿體積比、水灰比及固化材料配比等獨立比例參數引入配合比設計中，以實現泥態(tài)固化土初期可塑性與后期服役性的有效調控。隨著全行業(yè)綠色發(fā)展理念的推進，綜合被固化材料類型、所在地大宗固廢類別及工程要求進行配合比設計及性能調控是今后泥態(tài)固化土研發(fā)制備的主要方向。

2 性能影響分析

現階段主要從工作性能、力學性能等方面調整泥態(tài)固化土的組成比例，以使得泥態(tài)固化土性能滿足不同應用場景的工程要求。

2.1 工作性能

泥態(tài)固化土主要考察的工作性能包括流動性、凝結時間及泌水率等。影響工作性能的主要因素包括被固化材料種類、固化劑類型及摻量和外加材料等。

2.1.1 流動性

日本建設省發(fā)布的《流動化處理工法》中規(guī)定，流動性滿足施工澆筑要求的流動值為180 mm±20 mm；美國規(guī)范ASTM D6103將泥態(tài)固化土性能擴展度分為三級，其中用于一般回填工程的泥態(tài)固化土流動性為150～200 mm。

含水率越高，泥態(tài)固化土流動性越好；但過高含水率不利于后期凝結硬化及強度形成。被固化材料對流動性的影響主要與土的顆粒類型、細度及有機質含量等因素有關。孔祥輝等[7]發(fā)現赤泥的加入會降低泥態(tài)固化土的流動度和泌水率并且能加快泌水速率。朱瑜星等[15]發(fā)現地鐵盾構渣土制備的泥態(tài)固化土，水固比為0.47～0.50 時流動性滿足工程要求且隨著固化劑摻量增加流動性呈增長趨勢。杜衍慶等[1]分析了濕密度及固化劑摻量對泥態(tài)固化土流動性的影響，隨著固化劑摻量及濕密度的增加，流動性均逐漸遞減且濕密度變化引起的流動度衰減更為突出。陳偉等[4]通過中試確定流動性要求的海相疏浚淤泥制備泥態(tài)固化土的水固比為0.75～1.00，與朱瑜星等[15]的研究結果相差較大；表明不同類型被固化材料用于制備泥態(tài)固化土時流動性差異較為明顯，顆粒更細且有機質含量高的淤泥類材料達到目標流動度需要的水分更多。王慶等[16]基于響應面方法建立了流態(tài)水泥土性能預測模型，發(fā)現水灰比一定時，隨著灰土比增加，流動性呈線性增長趨勢；而隨著水灰比的增加，流動性先降低后增加。丁建文等[17]提出包含初始含水率及固化劑摻量的廣義水灰比并建立了流動性與廣義水灰比的相關關系。

與傳統水泥混凝土通過調整水灰比控制流動性不同，泥態(tài)固化土體系中應考慮被固化材料含量對流動性的影響，因此在配合比設計時可將水固比作為客觀影響泥態(tài)固化土流動性的關鍵指標；水固比一定時，調整被固化材料或固化劑的摻量對流動度的影響主要與固體材料的吸水性、顆粒形狀、粒度等特征有關。此外，部分學者提出可通過引入減水劑等外加材料的方式提升泥態(tài)固化土流動性。張鳳錕等[18]發(fā)現當水泥摻量一定時，木鈣減水劑摻量高于0.8%，泥態(tài)固化土流動度隨木鈣減水劑摻量增加而呈階梯式增大；但也有研究認為減水劑主要通過改變水泥顆粒帶電特征促進水泥顆粒分散進而起到減水作用，當體系中含有被固化材料時，減水劑的作用并不突出，因此關于減水劑對泥態(tài)固化土流動性的影響仍有待進一步研究。

2.1.2 凝結時間

已有研究分析了固化劑摻量和類型對凝結時間的影響，固化劑摻量增加會加速體系的水化反應，進而促進泥態(tài)固化土的硬凝。泥態(tài)固化土拌和均勻后逐漸由可塑態(tài)轉化為凝結硬化狀態(tài)，根據固化材料的水化程度可將反應過程分為初始反應期、誘導期、加速反應期、減速反應期及慢速反應期。凝結時間主要與誘導期及加速反應期有關，堿性環(huán)境有利于加速可控低強度材料活性物質的膠凝反應。Wang L 等[19]研究發(fā)現相比于Na 系外加材料，Ca 系外加材料的引入有利于加速泥態(tài)固化土的硬凝。

隨著不銹鋼渣、粉煤灰、礦渣、鋼渣等材料替代比例的增加，凝結時間均逐漸增加，說明固化劑反應速率是影響泥態(tài)固化土凝結硬化的關鍵因素，其中鋼渣等材料的摻入降低了固化反應速率；在幾類廢棄材料中，粉煤灰摻入對凝結時間影響相對較小，而鋼渣影響則較為明顯[20～23]。見圖1。

圖1 不同材料替代水泥對凝結時間的影響

此外，固化劑摻量、被固化材料成分及水固比等參數同樣會影響泥態(tài)固化土的凝結固化。

2.1.3 泌水率

泥態(tài)固化土泌水率與其流動度相關性較強，流動度的提升會增加其泌水率，因此在泥態(tài)固化土工作性能調控時以流動性能為主；而對于泌水現象較為嚴重的泥態(tài)固化土，可在制備時引入適量羧甲基纖維素類增稠劑、泡沫劑、氯化鈣等材料，降低泌水率。

2.2 力學性能

力學強度是泥態(tài)固化土原位服役性中的重要性能之一。現有研究在評估泥態(tài)固化土力學性能時主要指標為齡期抗壓強度，美國規(guī)范ASTM D6024中推薦采用落球試驗進行泥態(tài)固化土承載力評估。一般認為，28 d抗壓強度為0.4～0.7 MPa時泥態(tài)固化土具有較好承載能力，用于承重部位的泥態(tài)固化土一般應結合現行規(guī)范對承載力作出具體要求；而對于如管廊等建成后期可能開挖的結構，采用泥態(tài)固化土回填時應控制強度不宜過高，當固化后強度低于0.35 MPa時以人工方式開挖，強度為0.7～1.4 MPa時則需要采用小型設備開挖。

影響泥態(tài)固化土力學性能的主要因素包括被固化材料類型、固化劑摻量及類型、養(yǎng)護齡期及環(huán)境溫度等因素。采用初始含水率及有機質含量較高的淤泥類土制備的泥態(tài)固化土強度相對較低，進而在相同承載力要求下淤泥制備泥態(tài)固化土消耗的固化劑摻量相對較高；而被固化材料為煤矸石渣等活性材料形成的泥態(tài)固化土強度則較高。在泥態(tài)固化土中加入適量粉煤灰有利于力學性能的提升，郝彤等[24]研究發(fā)現粉煤灰的加入對抗壓強度的影響較明顯，當水灰比為2.7時，隨著粉煤灰摻量從0增加到20%，7 d抗壓強度漲幅約61.5%，28 d 抗壓強度漲幅約為66.8%，粉煤灰的加入既可參與水化反應生成更多水化硅酸鈣凝膠，也可通過微集料效應優(yōu)化試樣內部微觀結構，進而保障強度的提升?？紫檩x等[7]的研究表明，隨著赤泥替代水泥含量增加，泥態(tài)固化土的強度先增大后減小，赤泥中含有的SiO2、Al2O3等活性物質及CaO 等堿性物質能與水泥水化產生的氫氧化鈣反應生產硅酸鈣及鋁酸鈣，有助于推動水化反應的進行。

不同廢棄材料的摻入對強度影響差異較為明顯，其中粉煤灰、廢紙污泥的摻入有利于提升抗壓強度；而廢渣的摻入則引起無側限抗壓強度下降。不同材料對泥態(tài)固化土力學性能影響可能與其活性成分含量有關：粉煤灰摻入對泥態(tài)固化土強度提升較為明顯；而摻入少量赤泥有利于增加力學強度，當赤泥替代量超過15%時強度逐漸下降[7,22～25]。因此可通過調整廢棄材料替代量或材料類型的方式實現對泥態(tài)固化土強度的調控。見圖2。

圖2 不同材料替代水泥對無側限抗壓強度的影響

無側限抗壓強度隨著灰土比的增加而增大，隨著水固比的增加逐漸降低且水固比超過一定值時下降幅度增大。灰土比的增加一方面加速了泥態(tài)固化土中自有水的消耗，一方面又促進了膠凝產物形成，隨著固化劑摻量增加生成的膠凝產物逐漸形成整體膠結骨架，提升了泥態(tài)固化土材料的強度與密實性。隨著養(yǎng)護齡期的增加，泥態(tài)固化土抗壓強度不斷上升，養(yǎng)護初期強度上升較為明顯，強度與養(yǎng)護齡期呈對數關系。此外養(yǎng)護溫度的提升同樣有利于加速固化過程及反應效率，進而對泥態(tài)固化土工后強度形成有促進作用。

3 固化機理

泥態(tài)固化土體系包括固化劑、被固化材料及外加材料等，相比于水泥混凝土，泥態(tài)固化土強度形成過程更為復雜，目前還沒有形成比較系統的理論，考慮到與傳統式固化土及堿激發(fā)類材料較為相似，從固化劑反應機理及土體強度形成方面對泥態(tài)固化土固化機理進行分析。

固化劑種類不同時，泥態(tài)固化土內部固化過程存在差異。采用水泥基材料制備泥態(tài)固化土時，主要會發(fā)生系列水化反應、火山灰作用、離子交換及碳酸化作用[4]，水化反應生成的CSH 凝膠會形成網狀結構，提高固化后泥態(tài)固化土的強度，生成的水化鋁酸鈣對泥態(tài)固化土的早期強度增長有促進作用；另外被固化材料中的活性SiO2、Al2O3會在堿性環(huán)境下與水泥水化產物發(fā)生火山灰反應，促進穩(wěn)定膠凝物的形成，該反應主要保障后期強度的繼續(xù)增長；離子交換生成的氫氧化鈣中的Ca會與土體表面的Na+、K+等發(fā)生交換，導致土顆粒的雙電層變薄并促進土顆粒的團聚及強度提升[12]；碳酸化作用指水化產物中的Ca(OH)2與水和CO2反應生成CaCO3，進而提高泥態(tài)固化土的強度。

在固化劑中引入粉煤灰和礦渣等材料有利于促進微集料反應及火山灰反應。當粉煤灰及礦渣與水泥共同參與固化反應時，首先發(fā)生的是水泥的水解水化反應，生成部分水化鋁酸鈣凝膠和針狀鈣礬石（AFt），此時混合物中同時存在空隙水和結合水，隨后粉煤灰及礦渣在堿性環(huán)境下活性被有效激發(fā)，混合物中空隙水被反應消耗，導致結合水量增多，水化鋁酸鈣凝膠絮凝化，最終形成網狀結構，能夠有效固結混合料中土顆粒。將鋼渣、赤泥、水泥窖粉塵等工業(yè)廢渣作為固化劑時主要反應機理與水泥等材料較為相似，在固化過程中不同物理化學反應相互促進，加速膠凝材料骨架形成及土粒團聚[8]。引入磷石膏等固化劑可為混合物的水化反應體系提供SO2-4，其可以與Al2O3離子、Ca2+和OH-直接化合生成AFt，同時將少量水化鋁酸鈣轉化為AFt并相互交錯地生成于泥態(tài)固化土內部孔隙中，起到提高無側限抗壓強度的作用。

不同被固化材料固化過程同樣存在差異。當被固化材料為渣土等活性成分較低的土時，其強度形成主要與固化劑的種類與摻量相關；活性硅鋁源含量較高的材料作為被固化材料時，會參與反應促進強度的發(fā)展。對于含水率及有機質含量較高的淤泥質土等，制備時需要從減薄雙電層厚度、引入膨脹組分、提高體系pH 值、裂解有機大分子結構及土顆粒表面活性等方面促進土體的固化[12]。泥態(tài)固化土凝結硬化既是膠凝產物生成固化的過程，也包括水分形態(tài)轉化及土粒團聚過程，因此制備時應充分結合被固化材料特征、固化劑種類及應用環(huán)境綜合調整配合比，確保泥態(tài)固化土體系充分發(fā)揮反應，滿足工程設計要求。

4 應用前景及面臨挑戰(zhàn)

泥態(tài)固化土作為回填材料已經在日本、美國等國家有了較多應用；近年來國內部分工程開始嘗試采用泥態(tài)固化土進行工程填筑。由于泥態(tài)固化土對原材料品相要求相對較低且具有高效、低碳、環(huán)保、便捷施工、高流動性及自密實性等特點，在解決傳統回填壓實工藝引起的揚塵及強度不足等問題方面具有顯著優(yōu)勢；因此在公路及城市道路路基工程、橋頭臺背、溝槽及地下綜合管廊工程中具有廣闊前景。隨著綠色發(fā)展理念的不斷貫徹推行，越來越多的固廢材料將被用于泥態(tài)固化土澆筑工程中，結合被固化材料類型、大宗固廢材料類型及施工環(huán)境要求進行配合比設計無疑是未來泥態(tài)固化土研發(fā)的主要思路。當前疏浚淤泥、污泥、工業(yè)廢泥等泥態(tài)物及不同類型工業(yè)廢棄物的處置均是環(huán)境治理的主要內容，而結合不同材料工程性質開發(fā)形成可用于工程澆筑的泥態(tài)固化土無疑是提升各類大宗廢棄材料的重要途徑。

在保障泥態(tài)固化土工程性質可調可控的基礎上實現各類廢棄材料的資源化、無害化及規(guī)?；瘧萌悦媾R巨大挑戰(zhàn)。此外，現階段針對泥態(tài)固化土澆筑工程效果及環(huán)境影響評估尚未形成統一的評價方法，適用于不同應用場景的泥態(tài)固化土一體化施工的澆筑設備仍有待進一步開發(fā)。

5 結論

泥態(tài)固化土是一種性能可調可控、均質穩(wěn)定、施工便捷、環(huán)保低碳的新型建筑材料；其流動性主要受水固比影響，力學性能主要受固化劑種類及摻量等因素影響。泥態(tài)固化土凝結硬化既包括膠凝產物生成固化的過程，同樣包含水分形態(tài)轉化及土粒團聚過程。采用淤泥等廢棄泥漿及工業(yè)廢渣等材料進行泥態(tài)固化土研發(fā)是實現廢棄資源減量化及交通基礎設施建設綠色發(fā)展的重要途徑，結合泥態(tài)固化土特征實現一體化澆筑施工設備的開發(fā)對泥態(tài)固化土技術的發(fā)展應用具有重要意義。