水泥改性固化脱水淤泥路用性能试验

张俊峰，戴小松，邹维列，徐顺平，李子优

（1.碧桂园集团，广东 顺德528311；2.中建三局投资发展有限公司，湖北 武汉430070；3.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉430072；4.中南勘察设计院（湖北）有限责任公司，湖北 武汉430072）

随着我国工程建设的发展，河流湖泊疏浚淤泥、市政污水处理淤泥等日益增多，以抛填处置不仅形成软弱地基，难以利用，而且占用大量土地，容易形成二次污染［1］.然而，道路建设中的填方路基却又常常面临填料缺乏的问题.目前国内外最常采用的“固化处理方法”在有效处置淤泥的同时，还将固化淤泥作为工程建设材料.即通过向淤泥中添加固化材料，使淤泥中的水、黏土矿物与固化材料发生一系列物理化学反应，以改善淤泥的工程性质，从而达到资源化利用的目的.

已有研究采用的固化剂种类主要包括粉煤灰［1-2］、石 膏［3］、砂［4］、水 泥［5-10］以 及 化 学 合 成 固 化剂［11］；考虑的主要因素包括固化剂掺量、养护龄期以及压实度等.研究结果表明不同改性材料对固化淤泥力学特性的影响不同，各有优劣.总体来看，现有研究大多集中于单一改性材料的固化效果，仅有少数研究探讨了掺加2 种无机材料“粉煤灰＋水泥／砂／石灰”［2，12］的综合改性效果，而采用多种方法相结合的“复合固化法”尚未见报道.

本文介绍以规范对路基填料的相关规定为依据，采用“化学固化＋机械挤压脱水＋水泥改性”的“复合固化法”处理武汉东湖通道工程疏浚淤泥用作路堤填料的研究成果.即通过一系列室内试验，测试淤泥经过固化处理以后的加州承载比（CBR）、无侧限抗压强度（qu）、压缩系数（a1-2）和水稳定性，重点研究了压实度、水泥掺量和养护龄期等主要因素对脱水固化土强度、变形以及水稳定性的影响规律，进而确定了改性固化土施工填筑控制指标，为实现疏浚淤泥在路基填筑中的资源化利用提供了有益参考.

1 淤泥处置方案

武汉东湖通道工程为城市一级主干道路，北起二环线红庙立交与二环线水东段对接，南止于喻家湖路喻家山北路道口（见图1），全长约10.63km，主线双向6 车道，设计时速为60km／h.其中穿湖隧道长约7km，设计采用围堰挡水、堰内明挖施工方案.围堰总面积约为55 万m2，围堰内湖底淤泥平均深度约1.5m，淤泥总处理量达82.5 万m3，体量巨大.原状淤泥呈流塑状态，但有机质含量不高（平均值为0.99%），基本物性指标如表1所示.表1中wo为天然含水率，wL为液限含水率，wp为塑限含水率，Ip为塑性指数，a1-2为100～200kPa下的压缩系数.

武汉东湖为国家首批4A 级风景区，环评要求本工程对疏浚淤泥进行固化处理后，不能长期就地堆存，必须外运处置.但由于方量太大，既费时，代价也难以承受.考虑到本工程工期紧张，决定采用“复合固化法”对疏浚淤泥进行快速处理后用作本工程路堤填料的处置方案，实现资源化利用.

图1 东湖通道工程平面示意图Fig.1 Plan sketch for east lake tunnel engineering

表1 基本物性指标Tab.1 Basic physical property indexes

具体处置方案为

1）脱水固化

首先使用专利技术［13］“清淤泥浆脱水固结一体化处理方法”，即在疏浚泥浆中分别加入微量无机和FSA 有机2 种高分子调理剂使泥沙聚沉后，加入HEC 高强高耐水土体固结剂均混，再送入压滤机挤压脱水得到含水率不大于30%的泥饼（以下简称“固化土”，其物性指标见表1），可临时堆存于工程场区.由于该技术采用大规模机械挤压脱水，生产效率高，明挖围堰内全部疏浚淤泥的固化处理时间只用了不到5个月时间.由重型击实试验得到该固化土的最优含水率和最大干密度分别为24.6%和1.56g／cm3.

2）路用性能判定

由表1可见，东湖固化土的液限wl＝54.85%＞50%，塑限指数Ip＝24.9%.按《公路土工试验规程》［14］的塑性图进行分类，该固化土为高液限粉土（MH）.能否直接用作路堤填筑材料，必须以我国相关规范为依据，从强度、压缩性、水稳定性等方面判断其适宜性.

1）CBR 强度随压实度变化曲线如图2所示.由图2可见，在最优含水率下制作的固化土压实试样，当压实度D 达到93%时，CBR 接近5.5%，可以满足《城镇道路工程施工与质量验收规范》CJJ1-2008［15］对城镇主干路“路基”不同层位填料强度要求下限的最大值（5%）.但即使压实度达到99%（事实上施工难以做到），仍不能满足城镇主干路对“路床”填料的CBR 要求（8%）.

2）压缩性.如表2所示为最优含水率下，不同压实度的东湖固化土试样的压缩系数（a1-2）.根据《公路路基设计规范》［16］中对路基填料压缩性方面的规定，东湖固化土不能直接用于大于6m 的路堤填筑.

图2 固化土加州承载比随压实度变化曲线Fig.2 CBR VS degree of compaction relationship

表2 固化土的压缩系数Tab.2 Compression coefficient of solidified sediment

3）水稳定性.如图3 所示为直径70 mm×高140mm、压实度从上至下分别为92%、94%、96%和98%的4个固化土试样泡水后的崩解过程.试样遇水即开始崩解，并且泡水6.5h后完全崩解（而压实度92%的试样仅在0.5h内即完全崩解），水稳定性极差.

综合以上根据规范对路堤填料强度、压缩性以及水稳定性等几个方面要求的试验结果，必须进一步对东湖固化土开展改性处理的试验研究，并提出“改性固化土”的路用填筑控制指标.

图3 固化土泡水崩解过程Fig.3 Disintegration progress of soaked solidified sediment specimen

2 试验内容与方案

选用华新PC 32.5复合硅酸盐水泥作为改性材料，水泥矿物成分：硅酸三钙48.7%、硅酸二钙26.6%、铝酸三钙12.1%、铁铝酸四钙8.7%.以CBR、无侧限抗压强度、压缩性、水稳定性为主要指标，对于压实度、掺量和养护龄期3个影响因素设定如下：

1）水泥掺量（ζ）.定义为水泥质量占“固化土”干重的百分比，分别控制为2%、4%、6%和8%；

2）养护龄期.分别控制为7、14、28d.养护环境条件为相对湿度98%±1%、温度25°C±1°C；

3）压实度（D）.分别控制为92%、94%、96%、98%.

此外，对改性固化土进行扫描电镜试验，辅以分析水泥二次改性固化土路用特性的微观机理.

试样制作过程如下：

1）将化学机械方法脱水后的“固化土”风干后，使用橡皮锤碾磨，过筛以满足《公路土工试验规程》中对各试验土粒径相关规定；

2）根据土体干重以及预设掺量掺入相应量的水泥，拌合均匀，然后加水至不同水泥掺量二次固化土所对应的最优含水率（由重型击实试验得到），在塑料袋中密封24h以保证含水量均匀；

3）对于水稳定性试验、无侧限抗压试验和压缩试验使用“击样法”分层进行制样，层间刨毛，完成后将试样至于养护箱中养护，CBR 试验将击实完毕的土连同击实筒（未脱模）一起放置于养护箱内进行养护.制样的同时复核备土的含水率，误差不超过±0.5%为符合要求；

4）养护至预定的天数后取出进行相应的试验.

3 试验结果与分析

3.1 最优含水率和最大干密度

如图4所示为固化土和不同水泥掺量ζ的二次改性固化土的重型击实曲线.从图中可以看出，改性固化土的最优含水率总体上比固化土（24.6%）稍低，大致在24.0%左右；水泥改性固化土的最大干密度ρd 均比固化土（1.56g／cm3）的要低，介于1.50～1.55g／cm3之间.

图4 固化土和改性固化土的击实曲线Fig.4 Compaction curves of both solidified and modified solidified sediments

3.2 CBR

如图5 所示为不同水泥掺量和不同养护龄期下，改性固化土CBR 随压实度的变化曲线（说明：图5中“2%-7d”的“2%”是指水泥掺量，“7d”指养护龄期）.可以看出：

（1）改性固化土的CBR 在养护初期（7d）较固化土已有十分显著的增加.随着养护龄期的延长，即使水泥掺量仅为2%，改性固化土的CBR 也得到了5～15 倍的提高；

图5 加州承载比随压实度的变化曲线Fig.5 CBR vs degree of compaction relationship

（2）当压实度达到90%以上时，CBR 不仅能达到城镇道路“路基”填料的要求，也已完全达到“路床”填料的要求；随着压实度的增加，CBR 近似线性增大，没有减缓趋势.当压实度从92%提高到98%时，CBR 增大了1～2倍，没有反映出《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）［17］中所提到的特殊土超压现象.

（3）水泥掺量越高，压实度对CBR 的影响越明显.如图6所示为不同击实次数N 和不同养护龄期下CBR 随水泥掺量的变化曲线，从图中可以看出，随着水泥掺量的增加，CBR 增大，但增幅逐渐减小，拐点出现在4%左右，当水泥掺量从6%增加到8%后，CBR 几 乎 不 变.

图6 加州承载比随水泥掺量的变化曲线Fig.6 CBR vs cement content relationship

3.3 无侧限抗压强度qu

如图7所示为不同压实度、不同养护龄期改性固化土的无侧限抗压强度随水泥掺量的变化曲线，“7d-92%”中“7d”表示养护时间，“92%”表示压实度，3.4和3.5节中图8～9与此相同.

可以看出：

（1）固化土（水泥掺量为0）本身已经具有很高的无侧限抗压强度，其值在500kPa以上.

图7 无侧限抗压强度随水泥掺量变化曲线Fig.7 Unconfined compression strength vs cement content relationship

（2）改性固化土的无侧限抗压强度较固化土有明显的增加，总体上无侧限抗压强度随养护龄期的增加而增大，但掺量大于2%后，当压实度小于96%养护龄期小于28d时，养护龄期对无侧限抗压强度的影响并不明显.

（3）在受压剪切过程中，固化土试样与改性固化土试样的破坏应变有较大区别：固化土试样的破坏应变在2%～3%之间，而改性固化土的破坏应变仅为0.5%～1%（个别试样达到1.5%），表现出了明显的脆性.Bahar等［10］也得到相似的结果：水泥改性试样模量增大、破坏应变减小，脆性增强.

综上可见，CBR 对应的水泥掺量拐点为4%，而无侧限抗压强度对应的水泥掺量拐点仅为2%.究其原因，主要在于CBR 试验中经历了“泡水”这一过程，水泥改性固化土仍有较强的“水敏性”.

图8 压缩系数随水泥掺量的变化曲线Fig.8 Compression coefficient vs cement content relationship

3.4 压缩性

图9 泡水后开始崩解时间随水泥掺量变化曲线Fig.9 Original collapse time vs cement content relationship

压缩系数（a1-2）随水泥掺量的变化曲线如图8所示.从图中可以看出，水泥对固化土压缩性的改善是十分明显的.当水泥掺量达到2%时，养护龄期达到7d，改性固化土的压缩系数已小于0.1 MPa-1，为低压缩性土，可以用于本工程15 m 以下路堤填筑.同时可以看到，水泥掺量从2%增加到8%，压缩系数的变化并不明显；同时养护龄期和压实度对压缩系数也未表现出明显的影响.

3.5 水稳定性

不同压实度、不同养护龄期改性固化土泡水后开始崩解时间（t）随水泥掺量的变化曲线如图9所示（由于大部分试样的崩解时间在10h左右，而部分试样达到1 000h左右，为了使数据能够更加清晰的呈现，表示时间的纵坐标使用对数坐标）.由于所有养护28d后泡水的试样在30d内均没有开始崩解，所以图9中并没有列出28d养护龄期试样开始崩解时间的数据.

3.6 不同因素的影响

从图8中可见：

（1）在相同养护龄期和水泥掺量条件下，压实度越高，水稳定性越好.但在城镇主干路的路床和路基压实度标准范围内（90%～95%）［15］，这种改善作用是有限的，而且提高压实度的方法并不经济.

（2）在相同压实度和养护龄期条件下，水泥掺量在6%以下时，水稳定性只是近似线性地缓慢改善.即以增加水泥掺量的方法效果不佳，而且也不经济.尽管水泥掺量从6%增大到8%、养护龄期达到14d时，水稳定性有最为明显的改善，其中压实度达到94%以上的试样，在泡水30d后也一直没有出现崩解现象.

（3）相对于压实度和水泥掺量2个因素，养护龄期对水稳定性的影响最为明显.在养护龄期达到28 d后，所有水泥掺量和压实度的试样泡水30d内均没有产生崩解.从图8可见，以水泥掺量2%、养护龄期7d为参照点，养护龄期从7d增大到14d与水泥掺量从2%增大到8%对水稳定性的改善效果是相当的.但2%和8%这2种掺量，在经济性上差别巨大.可见，适当延长养护龄期比增大水泥掺量对水稳定性的改善更为有效.

综合以上从强度、压缩性与水稳定性几个方面的分析，东湖固化土用于路堤填筑时掺加4%的水泥，并控制填土施工含水率为（24±2）%，养护28d是可行的.

4 崩解现象与改性机理

在水泥改性前后，试样泡水崩解现象有较大的区别：未经水泥改性的固化土试样泡水后，表面立即出现气泡，同时发生软化，状如蜂窝，继而表面逐渐开始剥落，直到试样完全崩解（未超过6.5h）；而改性固化土在泡水后，需经历较长时间才在试样表面出现肉眼可见的裂缝（多出现在因分层制样而形成的分层处），之后试样成块剥落.随着水泥掺量的增大和养护龄期延长，试样的整体性不断增强，裂缝减少、变宽，剥落的土块体积更大.

水泥改性之所以能够提高固化土的水稳定性，是因为水泥在土中水化产生了胶结物质，增强了固化土中颗粒之间的相互黏结.在一定时间内，这种胶结作用会随着养护龄期的延长而不断增长，所以改性固化土试样泡水后并不出现蜂窝状的崩解现象.但在水泥掺量较小、养护龄期较短时，由于水泥水化物尚不能在土中相互连通形成整体黏结，试样泡水后就会形成裂缝，发生成块崩解；随着水泥掺量和养护龄期的增加，水泥水化物在土中相互贯通的区域不断扩大，泡水后产生崩解的土块也越来越大，直到水泥掺量达到一个临界值后，足够的养护龄期可以使水泥的硬化和硬凝反应充分进行［18］，便不再产生崩解.

为了证实上述水泥改性固化土水稳定性的微观机理，对压实度同为96%的固化土和不同养护龄期的改性固化土试样（水泥掺量为8%，分别养护7、14和28d），进行了扫描电镜试验.如图10所示为电镜扫描形貌图，放大比例为6 000 倍.从图中可以看出，固化土颗粒间（尤其是体积小的土颗粒与大的土颗粒之间）联结较弱，而改性固化土中小的土颗粒和大的土颗粒之间形成了明显的胶结，并且随着养护龄期的延长，胶结形成的聚集体更加趋于均匀，因而整体性更强.

5 结 论

图10 固化土和不同养护龄期改性固化土SEM 形貌图Fig.10 SEM pictures of both solidified sediment and modified sediment with different curing period

采用“清淤泥浆脱水固结一体化处理技术”与水泥改性相结合的“复合固化法”，对武汉东湖通道工程疏浚淤泥开展了用作路堤填料的探索性研究.在判定东湖淤泥固化土不能直接用于路堤填筑的基础上，重点研究了改性固化土的路用性能，得到了以下结论：

（1）采用专利技术，可实现疏浚淤泥的快速脱水固结，为主体工程施工赢得时间.

（2）对淤泥固化后仍表现为高液限的土，掺入适量水泥，能够有效改善其强度与变形特性及水稳定性，使之达到用作路堤填料的要求.

（3）随着水泥掺量的增加，固化土的强度指标CBR、qu均表现出非线性增长特征.当水泥掺量超过某一值时，CBR、qu及压缩性指标a1-2的增长不再明显.本次试验果表明，2%的水泥掺量并养护7d已满足将东湖固化土用作路堤填料的强度与压缩性要求.

（4）在压实度、水泥掺量和养护龄期3个水稳定性的影响因素中，延长养护龄期对改性固化土水稳定性的改善最为有效和经济.

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