采用骨料架構(gòu)-固化技術(shù)對開挖淤泥加固試驗研究

摘要"為了對淤泥和建筑垃圾進行處置，實現(xiàn)二者的共同資源化利用，在室內(nèi)和現(xiàn)場分別對淤泥進行固化試驗。將建筑垃圾作為骨料按淤泥質(zhì)量比的15%添加到淤泥中，再向淤泥中加入淤泥固化劑，通過機械攪拌的方式將淤泥與建筑垃圾、固化劑混合均勻，然后對固化土進行養(yǎng)護。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，當固化劑摻量為8%時，固化淤泥土強度較高，養(yǎng)護28 d后，室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度可達320 kPa；在現(xiàn)場試驗中，靜力觸探試驗和平板荷載試驗表明，固化劑對淤泥的固化效果明顯。將低劑量固化劑添加到淤泥中，固化淤泥土強度較低，骨料的架構(gòu)作用不明顯；當固化劑摻量為8%時，固化土的強度較高，骨料的架構(gòu)作用有利于提升固化淤泥土的承載力，土體的承載力特征值可達325 kPa，架構(gòu)作用對固化淤泥土強度的提升率為71.05%，可實現(xiàn)淤泥和建筑垃圾的同步資源化利用。

關(guān)鍵詞"淤泥固化;"骨料;"資源化利用;"架構(gòu)作用;"承載力

浙江東南地區(qū)地下廣泛分布著全新世中近期沉積淤泥層，淤泥層厚度最高可達40 m，是中國著名的軟土區(qū)^[1]。因工程建設的開展，溫州市每年產(chǎn)生大量的地下開挖工程渣土，除淺部少量的雜填土、耕植土外，大部分開挖的工程渣土屬于軟弱淤泥。據(jù)統(tǒng)計，因工程建設的開展，2020年溫州市域產(chǎn)生的工程渣土超過1 200萬m³，其中淤泥產(chǎn)量約占工程渣土總量的80%。溫州地區(qū)地下開挖淤泥的含水率一般不低于60%，且開挖淤泥的黏粒含量高，質(zhì)地較軟，在工程中難以被直接利用^[2-3]，挖出的淤泥通常被運輸?shù)疆T飛消納場進行填埋。當前溫州市主要的消納場已閉氣飽和，市域周邊僅有少量小型消納場作為淤泥填埋用地，淤泥的處置問題一度成為溫州市乃至浙江沿海城市工程建設面臨的棘手問題。當前中國沒有適合的處置技術(shù)對地下開挖淤泥進行資源化處置，也很少有能夠大量消納利用這些開挖淤泥的工程項目，因此，以填埋為主的淤泥處置模式在短期內(nèi)不會改變^[4-5]。采用堆棄、填埋等方式對淤泥進行處置，不僅需要大面積的后場作為消納場地，造成大量的土資源的浪費，也會對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染^[6-8]。固化技術(shù)是實現(xiàn)淤泥資源化利用的一個重要方向，相較于其他處置技術(shù)，淤泥的固化技術(shù)具有處理量大、速度快、效果優(yōu)良等特點，近些年研究人員在國內(nèi)外開展了相關(guān)研究工作^[3，9]。楊愛武等^[10]將生石灰用于對海相軟土的固化，發(fā)現(xiàn)水化硅酸鈣、針狀鈣礬石、無定形文石、Ca（OH） ₂等生成物填充了軟土的孔隙，使土體強度得到提升，固化淤泥土的強度在較大程度上依賴于土顆粒之間的膠結(jié)作用。Pongsivasathit等^[11]采用水泥對黏土進行固化，為水泥固化淤泥土作為路基材料提供設計參數(shù)。Cai等^[12-14]采用活性氧化鎂對淤泥進行固化-碳化試驗研究，通過微觀表征技術(shù)分析出活性氧化鎂對黏土的固化機理，并提出活性延緩對黏土的碳化反應微觀模型。還有學者將鋼渣^[15-16]、礦渣^[17]、粉煤灰^[18-19]等工業(yè)副產(chǎn)品與相應的激發(fā)材料進行混合，再對軟土進行固化處理，不僅可以實現(xiàn)對淤泥的固化，而且對工業(yè)副產(chǎn)品進行資源化利用，達到“以廢治廢”的目的?；凇耙詮U治廢”的理念，可考慮將建筑拆除垃圾與地下開挖淤泥同時進行處置，實現(xiàn)兩種廢棄物的同步資源化利用。隨著城市建設的不斷開展，每年會產(chǎn)生大量的建筑拆除垃圾，除了少量的金屬、建材家具經(jīng)過分選利用以外，大量的建筑拆除垃圾通常直接堆放、填埋或經(jīng)簡單處理后作為路基填料，利用率較低。統(tǒng)計表明，中國建筑固廢的平均資源化利用率不足10%，而發(fā)達國家建筑固廢的平均資源化利用率可達90%以上，對于建筑拆除垃圾的資源化利用同樣是一項亟待解決的問題^[20-21]。

淤泥固化是實現(xiàn)其資源化利用的重要方向之一，但并未發(fā)現(xiàn)有將建筑垃圾和淤泥共同處置的報道。筆者選取溫州地下室開挖淤泥作為研究對象，在室內(nèi)對淤泥進行固化試驗研究，探究固化劑對溫州淤泥的固化效果；在現(xiàn)場對淤泥進行原位固化試驗，將淤泥和建筑拆除垃圾共同固化處置，并通過平板荷載試驗檢測固化淤泥土的承載力，探究建筑拆除垃圾對固化淤泥土承載力的提升效果。

1"試驗材料及方案

1.1"試驗材料

取溫州市地下開挖淤泥為試驗對象，參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）^[22]檢測淤泥的各項基本指標，結(jié)果如表1所示，淤泥含水率超過60%，是溫州地區(qū)具有代表性的地下開挖淤泥。淤泥固化劑原材料為多種工業(yè)廢棄物，輔以添加少量激發(fā)劑，以激活材料活性，采用X射線熒光光譜儀測得固化劑主要化學成分，詳見表2。建筑拆除垃圾取自溫州市某建材垃圾場，主要成分為廢棄混凝土、碎磚塊及少量砂漿碎塊，性質(zhì)見表3，粒徑大部分在2～10 cm之間，顆分曲線見圖1。

1.2"室內(nèi)試驗方案

淤泥的室內(nèi)固化試驗配比方案如表4所示。固化淤泥土的制樣及養(yǎng)護試驗參照相關(guān)標準^[23-24]執(zhí)行，將稱量好的固化劑倒入淤泥中并混合均勻，采用模具制作無側(cè)限抗壓強度試樣，試樣規(guī)格為Φ=39.1 mm，h=80 mm，試樣脫模后用保鮮膜包裹，在（20±1）℃、相對濕度95%的條件下進行養(yǎng)護。待試樣養(yǎng)護至相應齡期后，檢測固化淤泥的各項物性指標，包括土樣的含水率、壓縮模量、壓縮系數(shù)、孔隙比、密度以及土樣的無側(cè)限抗壓強度等指標，探究固化劑摻量對淤泥物性指標的影響，每組試驗制備3個平行樣，取平均值作為代表結(jié)果。固結(jié)試驗的設計荷載分別為12.5、25、50、100、200、400、800 kPa，儀器選用WG型單杠固結(jié)儀；無側(cè)限抗壓試驗加載速度為1.2 mm/min，儀器選用YYW-Ⅱ型無側(cè)限抗壓強度儀，其他試驗方法參照標準^[22]執(zhí)行。

1.3"現(xiàn)場試驗方案

以室內(nèi)試驗結(jié)果為參考，在現(xiàn)場將合適比例的固化劑與淤泥混合，并進行現(xiàn)場原位固化試驗。在進行現(xiàn)場試驗時，除了向淤泥中添加固化劑外，還將建筑拆除垃圾作為骨料添加到淤泥中，骨料比例按與淤泥質(zhì)量比的15%添加。將試驗區(qū)劃分出8塊單元區(qū)，試驗單元的長×寬×高為3.5 m×3 m×1.2 m，其內(nèi)部回填淤泥（淤泥來源同室內(nèi)試驗）。將一定比例的固化劑和建筑垃圾平鋪于淤泥表面，采用ALLU攪拌設備將材料與淤泥混合均勻，并自然養(yǎng)護（溫度為24～35 ℃，濕度為57%～74%）。在固化淤泥土養(yǎng)護28 d時對未加骨料的固化區(qū)域土體進行靜力觸探試驗，并采用平板荷載試驗檢測各單元固化淤泥土的承載力。圖2為各單元區(qū)固化劑添加比例。

2"室內(nèi)試驗結(jié)果及分析

2.1"含水率的變化

試驗采用的固化劑為干燥粉劑，與淤泥混合后，其自身重量對淤泥的含水率有一定的稀釋作用。根據(jù)固化劑摻入比，計算每組試驗中固化劑摻入后土體的理論含水率值，并測試各養(yǎng)護齡期下土體的實際含水率，結(jié)果如圖3所示。淤泥的原始含水率為66.3%，增加固化劑摻量，各齡期下固化淤泥土的含水率均呈明顯下降趨勢，且與理論含水率的差距也逐漸增加。表5為各試驗組固化淤泥含水率實際降低值與理論計算值的差值統(tǒng)計表，其差值表示固化作用對淤泥中的水分轉(zhuǎn)化量。

養(yǎng)護的前期主要發(fā)生水化反應，在養(yǎng)護1 d后，固化淤泥土含水率的實際降低值與理論計算值即出現(xiàn)較大的差距，表明固化劑的水化反應對淤泥中的水有較大的消耗作用，水化反應的生成物包括CSH、CAH和CASH等膠結(jié)物^[8，"15]；隨著養(yǎng)護時間的增加，固化劑水化產(chǎn)物中的Ca（OH）₂會繼續(xù)與淤泥中的礦物成分發(fā)生火山灰反應，進一步消耗淤泥土體中的水分，導致土體含水率持續(xù)下降^[11，13，25]。當固化劑摻量為8%時，固化淤泥土在養(yǎng)護1、7、28 d后，土體含水率降低值與理論計算值之差分別為5.55%、6.25%、6.6%，表明隨著養(yǎng)護齡期的增加，火山灰反應對淤泥中水分的消耗速度下降^[26]，且火山灰反應在養(yǎng)護的前7 d比較劇烈，后期仍有發(fā)生，但幅度較小。固化淤泥含水率的降低值反映出土體內(nèi)部水化反應和火山灰反應的劇烈程度，同時從一定程度上反映出其膠結(jié)物的生成量，對固化淤泥的強度有積極作用^[27]。

2.2"壓縮性的變化

固化淤泥土的壓縮系數(shù)和壓縮模量變化規(guī)律如圖4所示。對于高含水率淤泥，當固化劑摻量低于2%時，固化淤泥土的壓縮系數(shù)和壓縮模量變化不明顯；當固化劑摻量超過2%后，隨著固化劑摻量的增加，土體的壓縮模量出現(xiàn)較為明顯的增加趨勢，壓縮系數(shù)出現(xiàn)相應的降低趨勢，尤其是固化劑摻量從4%增加到8%時，土體的壓縮模量增加幅度較為明顯。此外，隨著養(yǎng)護齡期的增加，固化淤泥土的壓縮模量也呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，當固化劑摻量達到8%時，土體養(yǎng)護1 d后的壓縮模量為15.105 MPa，為中壓縮性土；當土體分別養(yǎng)護7、28 d后，其壓縮模量分別為19.621、23.745 MPa，為低壓縮性土。

固化劑水化反應生成的凝膠體對高孔隙率淤泥有很好的充填作用，并膠結(jié)、包裹淤泥表面，使土體結(jié)構(gòu)趨于緊實，并形成較為整體的結(jié)合體^[28-29]，尤其是CSH凝膠的產(chǎn)生，對土體有很好的膠結(jié)效果^[27-28，"30]，從而導致固化淤泥土的壓縮性呈現(xiàn)降低趨勢。此外，水化反應生成的高濃度的Ca²⁺與淤泥中K⁺、Na⁺發(fā)生離子交換作用，使土粒的結(jié)合水膜減薄并凝聚成團，改善了淤泥的力學性質(zhì)^[25-27，"29]。

2.3"孔隙比和密度的變化

固化淤泥土的孔隙比和密度如圖5所示。淤泥的初始孔隙比為1.82，隨著固化劑摻量的增加，土體的孔隙比呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，當固化劑摻量為8%時，養(yǎng)護28 d后，土體的孔隙比下降為1.5，降低率為17.58%。固化劑與淤泥混合后，顆粒充填在淤泥孔隙之間，并與孔隙水發(fā)生水化反應，凝膠體在淤泥表面、孔隙中生成并持續(xù)發(fā)展，使固化淤泥土體更加密實；此外，離子交換作用使土顆粒之間的間距縮小，土體趨于密實^[26，30-32]。相應地，當固化淤泥土趨于密實后，土體的密度呈現(xiàn)增大趨勢，當固化劑摻量為8%時，在養(yǎng)護28 d后，土體的密度為1.66 g/cm³，大于淤泥的初始密度1.58 g/cm³。固化劑的堆積密度為1 400 kg/m³，小于淤泥的密度，因此固化淤泥土體密度的增加不是由固化劑比重引起的，而是由淤泥土的孔隙率降低引起的。

2.4"強度的變化

固化淤泥土的各項物性指標的變化，最終在宏觀上體現(xiàn)為土體強度的變化。如圖6所示，當固化劑摻量不高于4%時，固化淤泥土強度較低。當固化劑摻量增加到8%，養(yǎng)護28 d后，土體的無側(cè)限抗壓強度迅速提高至320 kPa。隨著固化劑摻量的增加，各養(yǎng)護齡期下土體的無側(cè)限抗壓強度都呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，當固化劑摻量增加到16%時，固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強度為355 kPa，增長幅度趨于平緩。增加養(yǎng)護齡期，固化淤泥土體的強度也呈現(xiàn)增長趨勢^[32]，與前期關(guān)于固化淤泥土含水率的降低趨勢相對應。

在淤泥中加入固化劑后，對淤泥強度的提高主要體現(xiàn)在物理改性和化學膠結(jié)兩部分。物理改性由兩部分組成：1）固化劑對淤泥含水率的降低效果。含水率降低使淤泥在受力時孔隙水壓力降低，土顆粒之間的有效應力增加，使土顆粒之間更難出現(xiàn)滾動和滑移現(xiàn)象^[33-34]，這也是淤泥失水后強度增加的原因之一。2）離子交換作用。固化劑的水化產(chǎn)物Ca（OH）₂向淤泥中提供大量的Ca²⁺，與淤泥中的Na⁺、K⁺發(fā)生離子交換作用，導致淤泥的結(jié)合水膜變薄，土顆粒凝聚成團，土體的強度增加^[25-27，"29]。

固化劑對淤泥的化學膠結(jié)主要體現(xiàn)在兩個方面：1）固化劑水化反應生成CSH、CAH和CASH等凝膠產(chǎn)物，對淤泥有填充、膠結(jié)作用，使土體結(jié)構(gòu)更加密實，且增加淤泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是土體強度增加的主要原因^[2，25-27，29-30，35]；2）在固化淤泥土養(yǎng)護期間，Ca（OH）₂與淤泥中的礦物成分發(fā)生火山灰反應，其膠結(jié)物的生成是固化淤泥土強度隨養(yǎng)護時間增加的重要因素之一^[3，11，13，25-27，29，32，35]。

3"現(xiàn)場固化試驗結(jié)果及分析

建筑拆除垃圾主要為破碎的磚塊、混凝土塊、砂漿塊，其強度較高，大部分直徑在2～10 cm，是城市主要的固體廢棄物之一，通常將其用作路基回填料。在對淤泥的現(xiàn)場固化試驗中，將建筑拆除垃圾作為骨料添加到淤泥中，如圖7所示，塊狀骨料和淤泥一并被固化，骨料在固化淤泥土中形成高強度骨架，在固化淤泥土中形成架構(gòu)作用?，F(xiàn)場固化試驗的攪拌過程如圖8所示。

3.1"靜力觸探試驗結(jié)果

固化淤泥土中添加拆除建筑垃圾后，其內(nèi)部散亂地分布著高強度的骨料，若對其進行靜力觸探試驗，土體強度顯示出很大的隨機性和偶然性，結(jié)果并不客觀，因此，靜力觸探試驗僅對未添加骨料的試驗區(qū)域進行。單橋靜力觸探儀采購自武漢巖海工程科技有限公司，儀器型號為CLD–3型，儀器的錐頭面積為10 cm²，試驗方法參考規(guī)范^[36]，結(jié)果如圖9所示。當固化劑超過4%時，土體沿深度范圍內(nèi)的比貫入阻力值呈現(xiàn)一定的浮動，表明淤泥與固化劑的混合存在一定的不均勻性，但整體上表明固化劑對淤泥加固的效果較好。

對各試驗區(qū)域土體的比貫入阻力平均值進行匯總，結(jié)果如表6所示。未處理的淤泥強度較低，比貫入阻力平均值為0.04 MPa，淺部淤泥的比貫入阻力略大，這是由淺層淤泥水分蒸發(fā)導致的。當固化劑摻量為2%時，土體的比貫入阻力平均值為0.428 MPa，較原狀淤泥有明顯的提高作用。隨著固化劑摻量的增加，土體的比貫入阻力平均值也呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，當固化劑摻量為8%時，土體的比貫入阻力平均值為1.713 MPa，根據(jù)靜力觸探試驗結(jié)果估算地基承載力特征值為146 kPa，其他固化區(qū)域土體承載力預估值詳見表6。

3.2"平板荷載試驗結(jié)果

平板荷載試驗參照規(guī)范執(zhí)行^[22，"36]，現(xiàn)場的平板荷載試驗規(guī)格為0.5 m×0.5 m，根據(jù)土體的沉降量確定其承載力特征值和極限荷載，土體的承載力特征值按沉降量為板寬的1%（5 mm）對應的加載取值，極限荷載按沉降量為板寬的6%（30 mm）對應的加載取值，各試驗區(qū)土體平板荷載試驗結(jié)果如圖10所示。

將土體承載力特征值進行匯總，如圖11所示。當固化劑摻量為2%時，添加骨料和未添加骨料情況下，固化淤泥土體承載力特征值分別為44、47 kPa，表明骨料對固化淤泥并未起到架構(gòu)作用，反而使固化淤泥土體的承載力降低了6.4%。將固化劑摻量增加至4%后，添加骨料和未添加骨料的固化淤泥土的承載力特征值均為150 kPa，骨料的架構(gòu)作用對固化淤泥土的承載力特征值提升作用為0%。試驗結(jié)果表明，低劑量（≤4%）固化劑摻入時，由于固化淤泥土體強度較低，骨料的架構(gòu)作用并不明顯。

當固化劑摻量為8%時，固化淤泥土體的承載力特征值為190 kPa，明顯低于同等固化劑摻量下，添加骨料的土體承載力特征值（325 kPa），骨料的架構(gòu)作用對固化淤泥土體的承載力特征值提升率為71.05%。進一步將固化劑摻量提升至12%，添加骨料和未添加骨料的固化淤泥土的承載力特征值分別為400、250 kPa，骨料的架構(gòu)作用對固化淤泥土體的承載力特征值提升率為60%。各試驗區(qū)土體極限荷載如圖12所示，當固化劑摻量不低于8%時，骨料的架構(gòu)作用比較明顯。

不同于室內(nèi)試驗，在現(xiàn)場對淤泥進行固化攪拌時，通過ALLU機械攪拌的方式將淤泥與摻入材料進行規(guī)?；旌蠒r，淤泥與材料并不能達到理想的完全混合效果，土體內(nèi)部存在未與固化劑接觸的軟弱淤泥團體，其強度較接觸固化劑的固化淤泥團體低。對固化區(qū)域土體進行開挖，如圖13所示，開挖土體中仍有部分軟弱淤泥土，在土體中屬于薄弱區(qū)域。圖14為固化后的淤泥，其形狀不規(guī)則，強度較高，是固化劑與淤泥接觸、混合以及反應后的結(jié)果。圖15為固化淤泥土開挖溝槽的截面圖，骨料零散、均勻地分布于固化淤泥土中，與土體形成整體。

參考骨料在混凝土中的作用，骨料的種類、顆粒形態(tài)、表面性能以及骨料的級配均是影響混凝土強度的重要因素^[37-39]，粗骨料的架構(gòu)作用是提高混凝土強度的重要原因之一^[40]，混凝土強度高度依賴于粗骨料本身強度^[41]。在淤泥固化試驗中，對于未添加骨料的試驗區(qū)域，淤泥的固化示意圖如圖16所示，土體為固化淤泥團體與未固化淤泥團體的混合體，在外力作用下，未被固化的淤泥為薄弱區(qū)域。

當向土體中添加骨料時，土體中包含骨料、固化淤泥團體和未固化淤泥團體，如圖17所示。骨料的強度大，當固化劑摻量較高時，骨料與固化淤泥團體整體接觸面積較大，高強度的骨料在土體中散亂分布并形成架構(gòu)，與固化淤泥團體共同構(gòu)成受力結(jié)構(gòu)，可有效提高土體的承載力。當固化劑摻量較低時，固化淤泥團體的強度較低，土體中的薄弱區(qū)域較多，骨料的架構(gòu)作用無法發(fā)揮，其承載力基本等同于甚至低于未添加骨料的固化淤泥土。因此，在試驗中，固化劑摻量不超過4%時，骨料未顯示出架構(gòu)作用；固化劑摻量不低于8%時，骨料的架構(gòu)作用明顯。

根據(jù)平板荷載試驗結(jié)果計算各固化區(qū)域土體的壓縮模量，結(jié)果如圖18所示。當未添加骨料，固化劑摻量分別為2%、4%、8%、12%時，土體的壓縮模量分別為4.12、10.9、15.2、22.97 MPa，固化淤泥土的壓縮模量隨固化劑摻量的增加呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢。向淤泥中添加骨料，固化淤泥土體的壓縮模量也呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，當固化劑摻量較低（≤4%）時，添加骨料后，土體的壓縮模量并未出現(xiàn)較大的變化；當固化劑摻量為8%和12%時，添加骨料后固化淤泥土體的壓縮模量分別為23.76、38.13 MPa，相較于未添加骨料的固化淤泥土，骨架的提升率分別為55.2%和66%。

4"結(jié)論

1）室內(nèi)固化試驗表明，隨著固化劑摻量的增加，固化淤泥土體物性指標出現(xiàn)明顯變化，具體表現(xiàn)為含水率下降、壓縮性降低、孔隙比減小。

2）在淤泥中加入固化劑后，對淤泥強度的提高主要體現(xiàn)在物理改性和化學膠結(jié)兩部分。當固化劑摻量為8%時，固化淤泥土強度較高，其養(yǎng)護28 d后無側(cè)限抗壓強度可達320 kPa。

3）現(xiàn)場原位固化試驗顯示，當固化劑摻量為8%時，淤泥的固化效果較為明顯，根據(jù)靜力觸探試驗檢測土體的比貫入阻力平均值為1.713 MPa，估算地基承載力特征值為146 kPa。

4）向土體中添加骨料，固化淤泥土體為骨料、固化淤泥團體和未固化淤泥團體混合體，當固化劑摻量較高時，骨料與固化淤泥團體共同構(gòu)成受力結(jié)構(gòu)，可有效提高土體的承載力特征值。

5）當固化劑摻量較高（≥8%）時，在淤泥中加入建筑垃圾后，骨料的架構(gòu)作用使固化淤泥土的地基承載力增加，并降低固化淤泥土的壓縮性，可實現(xiàn)對淤泥和建筑垃圾的同步資源化利用。

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