陳腐垃圾土固化的工程特性試驗(yàn)研究＊

張 平，林煥生，李 嘉，李 爽，丁前紳，劉 磊

（1.深圳市天健坪山建設(shè)工程有限公司，廣東 深圳 518118；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.污染泥土科學(xué)與工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071）

0 引言

陳舊型垃圾填埋場(chǎng)的原位修復(fù)與再利用一直是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重大戰(zhàn)略需求。垃圾填埋場(chǎng)搬遷和原位修復(fù)一體化處置技術(shù)逐漸成為制約我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)城市發(fā)展的一項(xiàng)難題［1-2］。

隨著垃圾填埋場(chǎng)服役時(shí)間的增加，垃圾土在微生物的降解作用下逐漸趨于穩(wěn)定，但降解反應(yīng)仍可持續(xù)數(shù)年甚至數(shù)十年之久。填埋場(chǎng)的存在仍對(duì)周邊的大氣、土壤和地下水構(gòu)成嚴(yán)重的環(huán)境威脅。為解除環(huán)境安全隱患，國(guó)內(nèi)外越來越多的垃圾填埋場(chǎng)被重新開挖，開挖產(chǎn)物多作為焚燒和回收的一種資源［3-4］。我國(guó)發(fā)達(dá)城市逐步對(duì)城市圈內(nèi)的陳舊型填埋場(chǎng)重新開挖篩分，篩上物（塑料、磚瓦、玻璃和織物等）多通過回收和焚燒處置，篩下的細(xì)顆粒腐殖土最多可占陳腐垃圾總量的50% 以上，一些學(xué)者相繼提出將細(xì)顆粒腐殖土用作生物填料、園林綠化和填埋覆蓋土等方面［5-7］，應(yīng)用的前提不僅需要滿足應(yīng)用場(chǎng)景所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，也需要滿足污染物浸出毒性的限值要求。

腐殖土的原位固化作為一種新型處理方式被提出［2，5］。腐殖土固化體的力學(xué)特性對(duì)固化體回填后場(chǎng)地穩(wěn)定性具有重要作用，若固化體因強(qiáng)度降低造成固化體被壓裂，滲透系數(shù)增大等力學(xué)性質(zhì)的改變，極可能導(dǎo)致腐殖土內(nèi)的污染物質(zhì)發(fā)生遷移。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于腐殖土的相關(guān)研究主要集中于垃圾土的土力學(xué)性質(zhì)、生活垃圾堆體的沉降變形與穩(wěn)定、腐殖土綠化用途等方面，對(duì)垃圾腐殖土固化后的工程特性研究較少［7-8］。Wanka 等［9］對(duì)開挖后的垃圾通過滾筒篩按照10 mm 以下、10～60 mm、60 mm 以上3 種粒徑尺寸進(jìn)行了篩選，并對(duì)10～60 mm 部分進(jìn)行了進(jìn)一步的篩選及處理，提出了一套濕法機(jī)械處理技術(shù)將該部分區(qū)分成惰性組分、輕質(zhì)組分、細(xì)粒組分，并指出細(xì)粒組分可再用于道路填料及土方工程等。Datta 等［10］研究了4座印度陳舊垃圾填埋場(chǎng)中4.5 mm 以下腐殖土的理化特性、環(huán)境特性以及土工特性，研究結(jié)果指出由于高有機(jī)質(zhì)問題，直接用作工程填料可能會(huì)由于發(fā)生降解而導(dǎo)致工程的后期沉降，同時(shí)腐殖土中的可溶性重金屬與可溶性鹽的問題也限制了其作為工程填料的應(yīng)用，建議應(yīng)用在非承載性用土的工程填料中。垃圾填埋場(chǎng)腐殖土作為混合垃圾土的篩下物，常伴隨著有機(jī)質(zhì)高、質(zhì)地松散、重金屬含量高等特性［11］。因此，對(duì)腐殖土固化體的力學(xué)特性的探究亟待填補(bǔ)。

針對(duì)垃圾腐殖土物理特性，眾多學(xué)者認(rèn)為腐殖土中＜15 mm 粒徑的中小顆粒組分占垃圾比例很大。其中，Jani 等［12］通過篩分發(fā)現(xiàn)超過50 a 填埋齡的垃圾腐殖土中＜2 mm 粒徑的小顆粒占腐殖土總量的80% 左右；Quaghebeur 等［13］發(fā)現(xiàn)30～40 a填埋齡的垃圾腐殖土＜10 mm 的細(xì)顆粒占腐殖土總量的40%～60%；而粒徑在10～20 mm 的腐殖土一般占廢棄物總量的40%～70%［14-15］。由此可見，垃圾組分中＜15 mm 的顆粒組分是腐殖土的主要部分，分析細(xì)顆粒組分的力學(xué)特性對(duì)于研究其工程特性起重要作用。

本研究選取普通硅酸鹽水泥及其他兩類自制固化劑，分別對(duì)腐殖土進(jìn)行固化/穩(wěn)定化處理，通過不同固化劑以及不同養(yǎng)護(hù)齡期下按工程實(shí)際比例混合而成的混合粒徑腐殖土開展固化試驗(yàn)，分析養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)固化體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)和加州承載比的影響。以上研究成果對(duì)開展腐殖土原位回填固化劑及相關(guān)工藝的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣本取自湖北省某陳舊型垃圾填埋場(chǎng)，該庫區(qū)垃圾填埋齡12～15 a，填埋氣體中甲烷濃度12%～19%，填埋深度約20 m。為了更具有代表性，分別將填埋深度3～5、7～9、12～15 m 的生活垃圾進(jìn)行人工篩分，每層垃圾土取樣不小于20 kg。垃圾土樣本烘干后剔除磚瓦、玻璃、織物和塑料等篩上物，取出其中的篩下物，即腐殖土進(jìn)行基本技術(shù)參數(shù)測(cè)定，測(cè)試結(jié)果：初始含水率為36%，有機(jī)質(zhì)含量為9.56%，重金屬含量如表1 所示。測(cè)試方法參考CJ/T 96—2013 生活垃圾化學(xué)特性通用檢測(cè)方法和HJ/T 299—2007 固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法。篩選出的腐殖土再次過20 mm 篩，篩上物集中儲(chǔ)存，篩下物進(jìn)一步過15、5、2 mm 篩，得到不同粒徑區(qū)間的樣品即為試驗(yàn)所需腐殖土基礎(chǔ)樣本。腐殖土樣品的物理指標(biāo)如圖1所示，其中小于2 mm 腐殖土的最優(yōu)含水率為26%，混合腐殖土最優(yōu)含水率為19%。采用X 射線熒光光譜儀測(cè)定腐殖土的主要成分，腐殖土的主要成分及含量見表1。

圖1 腐殖土物理指標(biāo)Figure 1 Physical indicators of humus soil

表1 腐殖土主要成分Table 1 Main ingredients of humus soil

固化劑材料主要采用目前常見的水泥基材料，包括普通硅酸鹽水泥（OPC 型）、自制硫鋁酸鹽固化劑（SAC 型）以及自制水泥-礦渣基固化劑（OG型）。根據(jù)前期凈漿試驗(yàn)結(jié)果，本研究中SAC 型固化劑的組成為硫鋁酸鹽水泥與磷石膏質(zhì)量比8∶2；OG 型固化劑的組成為水泥與礦渣質(zhì)量比6∶4。原材料的主要組成成分如表2 所示，試驗(yàn)用水為去離子水。

表2 固化劑原材料成分Table 2 Curing agent raw material composition

1.2 試件制備及養(yǎng)護(hù)

將風(fēng)干預(yù)處理后保存的腐殖土在60 ℃下烘干12 h，根據(jù)圖1（a）中粒徑分布的試驗(yàn)結(jié)果，＜2 mm 粒徑腐殖土比例約為50%，［2，5）mm 粒徑腐殖土比例約占22%，［5，15）mm 粒徑占比約21%?？紤]到［15，20）mm 組分占比不足5% 且多為塑料、織物、石粒等，為保證試驗(yàn)樣品的均勻性，將＜2、［2，5）、［5，15）mm 的腐殖土按照干土質(zhì)量比為2.50∶1.00∶1.00 進(jìn)行混合作為待固化混合粒徑腐殖土，固化劑摻量選用干土質(zhì)量的15%，混合粒徑腐殖土的試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)如表3 所示。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度及最優(yōu)含水率加入去離子水后攪拌3 min，待腐殖土與水混合均勻，再根據(jù)固化劑的設(shè)計(jì)摻量將固化劑混合均勻后加入攪拌好的腐殖土濕土中，隨即加入稱量好的去離子水，整體攪拌5 min，混合均勻后將固化土分3 次加入試樣筒中擊實(shí)制樣，將固化樣品放入密封袋后放入養(yǎng)護(hù)箱，溫度為（20±2）℃，養(yǎng)護(hù)濕度大于95%，養(yǎng)護(hù)至指定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。

表3 固化混合粒徑腐殖土試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)Table 3 Test mix ratio of solidified mixed particle size of humus soil

1.3 測(cè)試方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照文獻(xiàn)［16］的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，采用微機(jī)數(shù)控電子式萬能試驗(yàn)機(jī)（WDW-100E）施加荷載，加載速率為1 mm/min，每批測(cè)試3 個(gè)平行樣品取其強(qiáng)度平均值。測(cè)試過程中用數(shù)據(jù)采集電腦記錄其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，取應(yīng)力應(yīng)變曲線的直線段斜率作為固化腐殖土的彈性模量。

滲透試驗(yàn)方法參照美國(guó)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 5084，采用柔性壁滲透測(cè)試儀（PN3230M）進(jìn)行試驗(yàn)，圍壓設(shè)定為80 kPa、滲透壓力為60 kPa、室溫控制為（25±1）℃。

固化腐殖土的加州承載比依據(jù)GB/T 50123—1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、JTG 3430—2020 公路土工試驗(yàn)規(guī)程測(cè)定，承載比試件制件采用靜壓成型制件，首先將固化腐殖土材料按最佳含水率及最大干密度計(jì)算試樣量，分3 次倒入試筒并分層擊實(shí)，一次性靜壓成型。試件制成后泡水4 晝夜，根據(jù)百分表記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算膨脹率，如公式（1）所示。

式中：δe為試件泡水后膨脹率；H1為試件泡水終了的高度（mm）；H0為試件初始高度（mm）。

承載比貫入試驗(yàn)則將浸水試驗(yàn)后的固化腐殖土試件放到路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺(tái)上，加荷使貫入桿以1 mm/min 的速度壓入試件，同時(shí)測(cè)記3 個(gè)百分表的讀數(shù)。根據(jù)承載比公式分別計(jì)算貫入量為2.5 mm 和5.0 mm 時(shí)的承載比（CBR），取兩者的較大值作為腐殖土的承載比（CBR）。承載比公式如下：

式中：CBR 為承載比，計(jì)算至0.1%；c為測(cè)力計(jì)系數(shù)（N/0.01 mm）；R為量力環(huán)百分表讀數(shù)（mm）；A為貫入桿面積（m2）；p為單位壓力（kPa）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

固化混合粒徑腐殖土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖2 所示。SAC 型固化劑及OG 型固化劑均能針對(duì)混合粒徑腐殖土提供良好的固化效果，既滿足GB 50202—2018 建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)收需地基承載力≥300 kPa 的標(biāo)準(zhǔn)要求，也相比OPC 型固化劑有更高的抗壓強(qiáng)度以及良好的經(jīng)濟(jì)性。其中SAC 型固化混合腐殖土的28 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.79 MPa，明顯優(yōu)于OG 型固化劑和OPC 型固化劑的固化效果。根據(jù)規(guī)范T/CECS 737—2020 道路固化土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程中公路固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的限值要求，SAC 型固化混合腐殖土可滿足高速、一級(jí)公路及二級(jí)公路底基層的重交通級(jí)別荷載等級(jí)要求（2.5～4.5 MPa），以及二級(jí)公路基層中、輕交通級(jí)別荷載等級(jí)要求（2.0～4.0 MPa）。OPC 型固化劑、OG 型固化劑僅可滿足二級(jí)公路底基層中、輕交通級(jí)別荷載等級(jí)要求（1.0～3.0 MPa）。

圖2 固化混合粒徑腐殖土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Figure 2 Unconfined compressive strength of solidified mixed particle size of humic soil

2.2 彈性模量

不同固化劑固化混合粒徑腐殖土彈性模量如圖3 所示。從圖3 中可以看出3 種固化方案下的固化土的彈性模量相比原土壓實(shí)樣有顯著提高，說明固化劑的摻入能夠有效提升腐殖土的彈性模量。對(duì)比7 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)齡期下的固化土彈性模量可以發(fā)現(xiàn)，3 種固化方案下固化土的彈性模量隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，其中SACM-15 固化劑的提升效果最為明顯，在7 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)條件下使得彈性模量從原腐殖土壓實(shí)樣的2.84 MPa 分別提高至108.31 MPa 和161.57 MPa。另一方面，OG型固化劑的彈性模量提升效果優(yōu)于同齡期的OPC型固化劑。

摻入固化劑的固化土在7 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)條件下，其應(yīng)力峰值和應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率相比原土壓實(shí)樣均顯著提高（圖4）。隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率也越來越大，達(dá)到的峰值也有所提高，且破壞后應(yīng)力下降階段不斷變陡，試件更趨向于脆性破壞的現(xiàn)象。

圖4 混合粒徑固化體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 4 Stress-strain curves of solidified body with mixed particle size

2.3 滲透特性

混合粒徑固化體的滲透系數(shù)如圖5 所示。腐殖土混合固化的滲透系數(shù)在15% 摻量固化劑處理后，固化土的滲透系數(shù)都有不同程度的減小。在7 d 齡期時(shí)，SAC 型固化腐殖土的滲透系數(shù)（6.32×10-7cm/s）明顯小于原狀土（3.47×10-6cm/s）、OPC型（2.05×10-6cm/s）及OG 型（4.58×10-6cm/s）固化腐殖土。這是由于SAC 型固化劑具有早強(qiáng)特性，在固化體中能快速進(jìn)行水化反應(yīng)，與土體共同形成致密的骨架結(jié)構(gòu)，使得滲透系數(shù)顯著降低。在養(yǎng)護(hù)28 d 后，固化腐殖土的滲透系數(shù)均降低至1.09×10-6cm/s 以下，相對(duì)于原狀土優(yōu)化明顯，與其他關(guān)于水泥固化土滲透特性的研究具有近似的滲透系數(shù)，說明本研究中固化腐殖土同樣能夠較好地滿足應(yīng)用需求［16-18］。另一方面，OG 型固化腐殖土相比7 d 齡期時(shí)滲透系數(shù)降低明顯，說明隨著齡期的增長(zhǎng)，OG 型固化腐殖土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)展也逐步密實(shí)。而由于SAC 型固化劑早強(qiáng)高強(qiáng)的性質(zhì)，其7 d 和28 d 的滲透系數(shù)相差不大，甚至有小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，這可能是由于隨著齡期增長(zhǎng)，水化產(chǎn)物鈣礬石晶體的生長(zhǎng)使固化體內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一定程度的膨脹效應(yīng)。根據(jù)28 d 的試驗(yàn)結(jié)果，3 種固化劑處理后均能有效降低腐殖土的滲透系數(shù)，同時(shí)SAC 型固化土與OG 型和OPC 型固化土相比有更低的滲透系數(shù)，說明該固化劑與腐殖土混合固化后能形成更為致密性的結(jié)構(gòu)，而且也能保障固化體強(qiáng)度，在工程實(shí)施時(shí)建議優(yōu)先使用。

圖5 混合粒徑固化體的滲透系數(shù)Figure 5 The hydraulic conductivity of solidified body with mixed particle size

2.4 加州承載比

依據(jù)GB/T 50123—1999、JTG 3430—2020 進(jìn)行腐殖土固化7 d 齡期后的加州承載比（CBR）試驗(yàn)，得到試件浸水膨脹試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，加州承載比試驗(yàn)結(jié)果如表5 和圖6 所示。

圖6 固化混合腐殖土單位壓力與貫入量關(guān)系曲線Figure 6 Relation curve between unit pressure and penetration volume of solidified body

表4 固化混合粒徑腐殖土浸水膨脹試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of immersion swelling test of solidified body

表5 固化混合粒徑腐殖土承載比Table 5 Load bearing ratio of solidified body

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，固化后腐殖土浸水膨脹量明顯小于原混合腐殖土膨脹量，其中SAC 型固化腐殖土膨脹量最小，OG 型固化腐殖土次之，OPC 型固化腐殖土膨脹量最大。所有固化混合粒徑腐殖土的浸水膨脹量均小于3%，說明固化后腐殖土作為路基材料時(shí)，路基浸水破壞程度較小。

混合腐殖土原土承載比僅為3.4%，無法滿足路基填料工程應(yīng)用的CBR 控制標(biāo)準(zhǔn)，固化養(yǎng)護(hù)7 d后的固化腐殖土的承載比相比混合腐殖土原土均有明顯提升，其中OG 型固化腐殖土承載比最大（17.7%），SAC 型固化腐殖土次之（16.7%），OPC型固化腐殖土為13.8%。將以上固化后腐殖土的承載比結(jié)果與JTG D30—2015 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中路基的設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，腐殖土在固化劑的作用下，固化后腐殖土能滿足規(guī)范要求中的一級(jí)公路路基填料最小承載比限值8%的要求，說明固化處理后其可考慮作為路基填料進(jìn)行進(jìn)一步工程應(yīng)用。

3 結(jié)論

利用水泥基材料對(duì)垃圾填埋場(chǎng)腐殖土進(jìn)行了固化試驗(yàn)，從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量、滲透特性及加州承載比等多個(gè)方面進(jìn)行力學(xué)特性探究，為垃圾腐殖土作為路用回填材料提供了試驗(yàn)支撐，接下來將考慮進(jìn)行固化腐殖土的環(huán)境毒性浸出試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)等方面的研究，進(jìn)一步完善垃圾腐殖土工程應(yīng)用的研究，根據(jù)試驗(yàn)研究分析可以發(fā)現(xiàn)：

1）水泥基材料的固化處理對(duì)腐殖土力學(xué)特性有顯著的提升效果，固化混合粒徑腐殖土試件受壓后趨向于脆性破壞，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及彈性模量均有明顯提升，其中自制硫鋁酸鹽固化劑（SAC型）表現(xiàn)相對(duì)最優(yōu)，對(duì)應(yīng)固化垃圾腐殖土在強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)指標(biāo)上領(lǐng)先于其他固化劑。

2）與普通硅酸鹽水泥（OG 型）和自制水泥-礦渣基固化劑（OPC 型）固化土相比，SAC 型固化土具有更低的滲透系數(shù)，說明該固化劑與腐殖土混合固化后能形成更為致密性的結(jié)構(gòu)，保障了固化體強(qiáng)度及工程應(yīng)用性能，后續(xù)將繼續(xù)開展重金屬浸出濃度、含鹽量、耐久性試驗(yàn)等方面的測(cè)試，在滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的條件下建議優(yōu)先使用。

3）通過水泥基材料固化處理后，固化混合粒徑腐殖土可滿足高速、一級(jí)公路和二級(jí)公路底基層重交通級(jí)別荷載等級(jí)要求，承載比值可滿足一級(jí)公路路基填料最小承載比的限值要求，具有較好的工程應(yīng)用前景。