海相淤泥資源化制備路基填料試驗研究

沈爾卜，胡興龍，徐民主，張柏泉，楊 武

(1.中交二航武漢港灣新材料有限公司，武漢 430100，2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430100； 3.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430100)

引 言

隨著河湖水環(huán)境整治、航道港灣疏浚等清淤工程的大規(guī)模展開，大量清淤底泥應運而生。目前國內大部分淤泥進行棄置填埋處理，不僅占地大、滑坡風險高，還存在污染水環(huán)境、大氣環(huán)境等潛在二次風險，隨著生態(tài)文明建設發(fā)展，清淤底泥的資源化利用是大勢所趨[1]?，F(xiàn)階段清淤底泥資源化處置方式主要為建材利用，通過利用淤泥替代部分砂石制成砌塊、陶粒和管材等，該方式雖然能提升淤泥附加值，但消耗淤泥總量較小[2]。濱海地區(qū)主要為海積沖積平原，土質條件相對較差，土地資源相對匱乏，因而缺乏優(yōu)質的工程填料。將廢棄淤泥資源化轉化為新型環(huán)保土工材料再利用，既能大規(guī)模消納清淤底泥、解決淤泥處置環(huán)境污染問題，還能緩解濱海地區(qū)土地資源緊張趨勢。

海相淤泥具有液塑限高、顆粒細、異質性強和有機質含量高[3]等特點，采用傳統(tǒng)的水泥進行固化存在水泥摻量高、固化土強度低等問題[4]。近年來，國內外學者針對海相淤泥的道路應用展開了相關研究工作。朱偉[5]等采用復合固化材料改良海洋疏浚淤泥，固化淤泥的強度和變形滿足工程用土的要求。樂紹林等[6]通過以固化淤泥含水率、抗壓強度和抗剪強度為研究指標，研究JCW固化劑對淤泥的固化效果，結合現(xiàn)場試驗田進一步佐證固化土路用可行性。王偉光[7]等采用復合固化劑處理浙江溫州某淤泥，路基填料力學性能、路用性能和耐久性能等能力得到提升。

前人研究驗證了海相淤泥用于制路基填料的技術可行性，但仍存在以下不足：首先，選用高摻量水泥進行固化，缺乏經濟性；其次，現(xiàn)有研究主要集中在固化土力學性能，未深入探討固化淤泥現(xiàn)場路用性能和環(huán)境安全性。本研究以浙江甌河入?？谑璩练e淤泥為對象，針對現(xiàn)有研究中的不足，對海相淤泥進行資源化路基填筑。主要研究內容如下：(1)研究不同固化劑對淤泥基本力學性能的影響，探索適用于海相淤泥的固化材料；(2)優(yōu)化固化淤泥路用性能，考察固化淤泥環(huán)境安全性，為濱海地區(qū)海相淤泥資源化固化筑路大規(guī)模工程應用提供技術指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1.1.1 疏浚海相淤泥

試驗淤泥為浙江甌河入?？谑璩练e淤泥經“環(huán)保清淤-絮凝調理-帶式壓濾”工藝處理后的海相淤泥。海相淤泥含水率為51.2%，液限為48.6%，塑性指數為29，黏粒含量高，有機質(主要為腐殖酸)含量為8.2%，屬于高液限有機粉質黏土，表1為海相淤泥基本物理性能。

表1 海相淤泥物理性能指標Tab.1 Physical property indexes of marine silt

1.1.2 復合固化劑

試驗采用P42.5普通硅酸鹽水泥、浙江某煉鐵廠磨細水渣和浙江某磷肥廠中的工業(yè)廢料石膏，其主要化學成分見表2。

表2 固化劑化學組成Tab.2 Chemical composition of curing agent (%)

1.2 試驗過程與方法

1.2.1 無側限抗壓強度試驗

經濾網濾除甌海底泥中的貝殼、樹枝等雜質，向處理后淤泥中添加固化劑強制攪拌5min，隨后立即裝入70.7mm×70.7mm×70.7mm模具中振動密實，在溫度20 ±2℃，濕度>90%環(huán)境中養(yǎng)護24h脫模，繼續(xù)養(yǎng)護至設計齡期。依照《土工試驗規(guī)程》(GB/T 50123-2019)，采用YSH-2 型無側限壓力測試儀參照規(guī)程測定無側限抗壓強度。

1.2.2 混料試驗

本試驗含有水泥、水渣和石膏三種變量，采用單形重心設計的方法，考察各種混料成分的含量與固化土7d無側限抗壓強度之間的關系。假設水泥、水渣和石膏的含量分別為xl、x2、x3，所得到的無側限抗壓強度為y，則該實驗是為了建立y與三個變量之間的回歸關系，其約束條件為式(1)：

(1)

從節(jié)約成本出發(fā)，結合單因素試驗結果，本試驗采取12%的總固化劑質量分數比。通過Design Expert 8.0軟件進行設計，具體試驗組別設計見表3，其中A、B、C分別為水泥、水渣和石膏的真實質量分數，x1、x2、x3分別代表水泥、水渣和石膏的相對百分含量。

表3 混料試驗組別設計Tab.3 Mixture design by group

1.2.3 路用性能試驗

依照《公路路基設計規(guī)范》，以加州承載比、液塑限和壓實度為固化土路基填筑主控指標，參照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)進行土樣液塑限、加州承載比和重型擊實試驗。

1.2.4 環(huán)境安全性試驗

參照GB 5085.3-2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》檢測固化前后淤泥中重金屬含量，淤泥污染程度依照內梅羅綜合污染指數法[8]進行判斷。有機質參照GB 9834-1988《土壤有機質測定方法》，采用重鉻酸鉀容量法進行測定。

2 試驗結果

2.1 單因素試驗結果分析

從圖1(a)可知，隨著水泥、水渣和石膏摻量增加，固化土強度逐漸增大，其中水泥固化土強度最高，在摻量為15%情況下7d強度達到1.88MPa，而水渣和石膏固化土的7d強度僅為0.89MPa和1.09MPa，由此推斷水泥可能是提升海相淤泥固化土強度性能的主要材料。但水泥原材料成本相較于水渣和石膏更高，單摻水泥在工程應用中經濟可行性較差。加州承載比是評價路基承載能力和抵抗局部荷載壓入變形的綜合性指標，壓實度是評價路基填料現(xiàn)場碾壓整體性的重要指標。在固化劑摻量和其他實驗條件相同情況下，水泥、水渣和石膏固化土的CBR值和壓實度如圖1(b)所示，僅有水泥固化土CBR值滿足《城市道路路基設計規(guī)范》(CJJ 194-2013)快速路和主干路路床填料CBR≥8%的要求，僅有石膏固化土填料壓實度滿足≥96%的要求。這可能是因為水泥的水化凝膠作用是提升淤泥強度性能的主要固化材料，但淤泥中含有的腐殖酸等有機質抑制了水泥和水渣的水化凝膠，而石膏反應產生鈣礬石的膨脹作用受腐殖酸影響較小，石膏固化土結構更為密實[9]。固化土作為路基填料使用需具有較高的承載能力和較好的壓實性能，單獨使用水泥、水渣或石膏，各種可能存在缺乏經濟性、路用性能不足等問題。

圖1 摻量和齡期對固化土強度的影響Fig.1 Impact of dosage and age on strength of cured soil

2.2 混料試驗結果分析

(2)

式(2)中，bi為xi的一階系數，bij為xi、xj交互作用的二階系數，rij為xi、xj交互作用的三階系數，bijk為xi、xj、xk作用的三階系數。

表4 混料試驗結果 Tab.4 Results of mixture test (MPa)

從混料試驗結果表4可以看出，固化土在7d齡期時已具有較高的無側限抗壓強度，說明淤泥經所配制的復合固化劑固化后具有較為穩(wěn)定的強度增長趨勢。分析原因，可能是因為水泥在早期充分水化，而石膏能與水泥水化產物水化鋁酸鈣反應生成具有膨脹填充作用的鈣礬石，提升固化土早期強度；在反應后期水渣顆粒表面的CaO與活性成分進行化合，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，保障海相淤泥質固化土后期強度[10]。

圖2 固化土7d無側限抗壓強度3D圖Fig.2 3D graph of 7-d unconfined compressive strength of cured soil

試驗組中固化強度等高線如圖2所示，處于峰值強度時水泥的含量偏多，水渣與石膏的含量近似相同，說明水泥依舊是保障淤泥固化早期強度的核心組分，而水渣和石膏起輔助作用。

該模型剔除不顯著項，修正后R2為0.9981，模型回歸方程為：

y7d=1.55x1+0.77x2+0.88x3+1.63x1x2+1.71x1x3+1.27x2x3+10.79x1x2x3+1.69x1x2(x1-x2)+1.49x1x3(x1-x3)-1.07x2x3(x2-x3)

從強度3D圖中選取最大強度峰值時作為7d齡期下的復合固化劑最優(yōu)配方。通過模型計算，當xl=0.62，x2=0.18，x3=0.2時，固化土7d強度最高，達到2.12MPa。此時，轉換為固化材料絕對摻量，得到水泥含量為7.44%，水渣摻量為2.16%，石膏摻量為2.4%，在此摻量條件下進行試驗驗證，得到固化土7d強度為2.36MPa，與模型預測結果較為接近。

2.3 路用性能實驗結果分析

根據室內試驗和模型構建結果，從滿足工程設計要求和經濟性出發(fā)，在固化劑配合比不變條件下(水泥62%，水渣18%，石膏20%)，分別采用未經固化海相淤泥、海相淤泥水泥固化土和海相淤泥復合固化土進行試驗驗證。

2.3.1 液塑限

土的稠度界限對土體現(xiàn)場施工有很大影響，本研究采用土樣的液限和塑性指數來表征土體的稠度[11]。如圖3所示，參照JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》，未經固化處理的海相淤泥液限大于50%，塑性指數大于26，不得直接作為路基填料，經水泥和復合固化劑固化后的海相淤泥適用于工程應用，這是可能是因為膠凝材料中產生的Ca2+與黏粒表面的Na+、K+等低價陽離子發(fā)生離子交換，引起淤泥微顆粒團聚，從而減小土顆粒比表面積[12]。

圖3 固化土液塑限Fig.3 Liquid-plastic limit of cured soil

2.3.2 最大干密度與最佳含水率

重型壓實試驗結果如圖4所示，海相淤泥最佳含水率為16.3%，最大干密度為1.653g/cm3；當添加12%的水泥時，水泥固化淤泥最佳含水率增加到19.1%，最大干密度增加到1.789 g/cm3；當添加12%的復合固化劑時，復合固化淤泥最佳含水率增加到18.5%，最大干密度增加到1.753 g/cm3。水泥、水渣和石膏的水化會消耗一定量的水，使得固化淤泥最佳含水量升高，水化產物使得淤泥顆粒膠結成具備一定空間結構的整體，同時石膏參與水化反應生成鈣礬石，膨脹填充淤泥顆粒間的空隙，使淤泥結構更為緊密，固化土最大干密度增加。

圖4 固化土擊實試驗結果Fig.4 Results of compaction test of cured soil

2.3.3 加州承載比

圖5為不同固化劑固化前后海相淤泥加州承載比及膨脹量情況，原狀海相淤泥CBR值僅為1.2%，經水泥固化后提升至18%，而經復合固化劑固化后提升至36%，海相淤泥復合固化土膨脹量也顯著降低，結構更加致密、結構強度更高，抵抗變形的能力和承載能力均優(yōu)于水泥固化土。

圖5 固化土加州承載比Fig.5 California bearing ratio of cured soil

2.4 環(huán)境安全性試驗結果分析

圖6為海相淤泥固化前后重金屬污染含量變化情況及《綠化種植土》(GB/T 340-2016)規(guī)定淤泥土地利用重金屬含量Ⅰ級限值。淤泥中Cd和Hg均低于檢出限，Cr、Pb、Ni和Zn四類重金屬濃度低于標準限制，而As和Cu兩類重金屬濃度存在超標問題。經固化處理后的海相淤泥重金屬浸出濃度顯著降低，這是因為固化前Cr、Cu等重金屬以游離態(tài)或吸附在黏粒表面形態(tài)存在[13]，二次污染風險高，經固化處理后，重金屬離子在堿性環(huán)境下沉淀穩(wěn)定下來，經固化劑凝膠包裹二次穩(wěn)定[14]，大大降低其二次污染風險。

圖6 固化土重金屬濃度Fig.6 Concentrations of heavy metals in cured soil

經內梅羅指數法計算結果如圖7所示，固化前海相淤泥重金屬綜合污染指數P綜=1.3，所以海相淤泥污染等級為輕污染。經固化穩(wěn)定處理，海相淤泥路基填料的重金屬綜合污染指數P綜=0.3，海相淤泥污染等級由輕污染變?yōu)榘踩４送?，淤泥中有機污染物主要為腐殖酸，有毒有機物含量均低于檢出限。

圖7 固化土污染等級Fig.7 Pollution levels of cured soil

2.5 固化機制分析

通過分別對未經固化的海相淤泥、水泥固化的海相淤泥和復合固化的海相淤泥進行SEM微觀分析，結果如圖8所示。由圖可知，未經固化處理的海相淤泥結構松散，土顆粒之間存在大量的固有空隙，海相淤泥自身強度性能極低。水泥水化產物無定形水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)包裹在淤泥微顆粒表面，未能有效填充淤泥微顆粒之間的孔隙結構，同時淤泥中的腐殖酸等有機質可能抑制水泥水化，導致微顆粒之間孔隙增加，進而間接降低固化淤泥強度。經復合固化劑處理后的海相淤泥，大量的C-S-H、C-A-S-H等地聚物水化凝膠產物均勻分布在淤泥微顆粒表面，石膏反應產物鈣礬石膨脹填充了淤泥微顆粒之間存在的固有孔隙和受腐殖酸侵蝕造成的結構孔隙，形成更為致密的微觀結構[15]，進而宏觀上表現(xiàn)為固化海相淤泥力學性能和路用性能的顯著提升。

圖8 固化土SEM分析Fig.8 The SEM analysis of cured soil

3 結 論

本文通過采用水泥和水渣、石膏等大宗工業(yè)廢渣，結合混料試驗設計研制復合固化劑，資源化利用海相淤泥制備路基填料，對固化海相淤泥進行路用性能和環(huán)境安全性評價，并對未經固化、水泥固化和復合固化海相淤泥的微觀結構進行對比表征分析，得到以下結論。

(1)單獨摻入水泥等傳統(tǒng)膠凝材料時海相淤泥固化效果一般，在水泥摻量為7.44%，水渣摻量為2.16%，石膏摻量為2.4%時，海相淤泥固化土無側限抗壓強度達到2.36MPa，與混料試驗模型計算結果相近，能較好地滿足工程施工要求。

(2)經復合固化后的海相淤泥液塑限、壓實性能和CBR等路用性能均滿足相關規(guī)范要求，且相較于傳統(tǒng)水泥固化具有更好的壓實性能和承載能力。

(3)海相淤泥中的重金屬經復合固化劑沉淀穩(wěn)定、凝膠包裹后實現(xiàn)了無害化，根據內梅羅綜合指數法評價，淤泥污染等級由輕污染轉變?yōu)榘踩?/p>

(4)淤泥微顆粒經復合固化凝膠聯(lián)結成整體，生成鈣礬石填充顆粒間的孔隙，提升固化土密實度，進而提升固化土路用性能。