基于荆江河段粘性弃土固化利用的土体特性研究

周谷城

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200063）

基于荆江河段粘性弃土固化利用的土体特性研究

周谷城

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200063）

为了对荆江河段护岸弃土实现再利用，将其固化处理后制备成水工材料，需对弃土的特性进行分析。以粘性弃土为样本，通过对其进行pH值测定、化学成分分析、矿物组成分析和颗粒级配分析，为固化材料的选择和配制提供依据。分析结果表明：粘性弃土的pH值为7.67，不适合选择离子类土壤固化剂；粘性弃土中SiO2、Al2O3含量比较高，其他物质及有机质含量较少，固化材料需能提供有效的OH根离子，促使活性SiO2、Al2O3溶蚀，从而提高火山灰反应的速度；粘性弃土中粘性矿物比重低，土样活性较差，固化材料中需添加一定量的碱性激发剂激活黏土中矿物的活性；依据化学成分和矿物组成的测定结果，同时考虑到固化制品的水稳性能，适合选择无机类土壤固化剂；粘性弃土的粒径分布范围窄，土的级配不良，固化材料中需要添加一定量粗骨料。

粘性弃土；固化；pH值；化学成分；矿物组成；颗粒级配

1概述

我国幅员辽阔，有着众多的江河湖泊，随着河流航道整治的推进，为保证航道岸坡的稳定性，需对岸坡进行削坡处理，或者对河流航道进行疏浚，工程中将产生大量弃土。弃土的转运、存储不仅花费巨大，而且会影响环境。如果将弃土资源通过固化技术制备成水工材料、建筑材料，就近应用于航道整治工程及城市建设中，在避免弃土转运的同时也减少土地占用、降低工程造价、解决固体废物的二次污染问题并能缓解航道整治工程对环境的影响，将产生巨大的经济效益和社会效益［1］。本文针对荆江河段整治产生的弃土，拟通过固化处理制备成水工材料就地使用。在进行固化材料的选择和配制之前对荆江河段护岸弃土的化学组成和颗粒级配等物理化学性质进行分析，为固化材料的组成和配制提供依据。

2 粘性弃土特性分析

2.1 土样的pH值

土的pH值常被看作土壤的主要变量，它对土的许多化学反应和化学过程有很大影响，对土中的氧化还原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反应起支配作用。由双电层理论可知，pH值可以影响双电层的厚度，从而改变土的结构。这是由于pH值改变了OH基的离解程度，pH值增大，OH基的离解程度增大，净负电荷数增加，双电层变厚，土结构更分散；反之，pH减小，OH基的离解度降低，净负电荷数减少，双电层厚度变薄，引起土结构絮凝。所以土的pH值会影响土的活性［2-3］。

依据JTGE40—2007《公路土工试验规程》采用电位法进行土样pH值测定［4］。试验方法如下：采用四分法取样，称取过1.18 mm筛的风干黏性土10 g，将试样放入烧杯中，加蒸馏水50 mL（土水比例为1∶5），搅拌5 min，静置30 min；将25～30 mL的土悬液盛于50 mL烧杯中，将该烧杯移至电磁搅拌器上，再向烧杯加一只搅拌子，然后将已校正完毕的pH计的电极插入杯中，开动电磁搅拌器2 min，从pH计数字显示器上直接读数，准确至0.01。

黏土土样的pH值测试结果为7.67，土样呈微碱性，OH基的离解程度较大，双电层较厚，说明土样的活性比较低［2］。该黏土不适合选择离子类土壤固化剂，此类固化剂对土壤有较强的选择性和针对性，不适用于pH值大于7.5的碱性土壤［5］。

2.2 土样的化学成分

本试验参考GB/T 16399—1996《黏土化学分析方法》进行［6］。分析试样全部通过孔径为0.088 mm筛，约取5 g试样平摊在称量瓶（直径为50 mm）中，在105～110 ℃烘箱中烘2 h以上进行化学成分检测。检测结果如表1所示。

表1　 黏性土化学成分分析结果

化学分析结果表明：粘性弃土中SiO2、Al2O3含量比较高，其次依次为CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O。土样中9种主要成分（SiO2、Al2O3、Fe22O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2和SO3）含量达99%，其中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O34种组分含量之和达到90%，说明其他物质及有机质含量较少。

SiO2和Al2O3的含量多，具有很大的化学潜能，土壤中的Si和Ca（OH）2发生火山灰反应，生成更多的C-S-H；土壤中的Al和Ca（OH）2反应生成具有黏性的C-A-H。固化材料需能提供有效的OH根离子，形成较强的碱性环境，促使活性SiO2、Al2O3溶蚀，从而提高火山灰反应的速度［7］。

2.3 土样的矿物组成

黏性土矿物组成分析依据SL237069—1999《土的矿物组成试验》进行［8］。黏性土自然风干后过2 mm筛后进行预处理。预处理过程如下：用稀盐酸去除碳酸盐，浓H2O2去除有机质，用0.5 mg/ml NaOH调节悬浮液pH为7.3左右，经过超声波分散，以自由沉降法提取＜2 μm粘粒并称重，计算土壤中＜2 μm粘粒含量，得到黏性土样品中＞2 μm粗粒含量为73%，＜2 μm粘粒含量为27%。因为细颗粒中含更多活性物质，所以分粗细颗粒分别检测。结果如表2所示。

表2　 黏性土矿物相对百分含量

（1）＜2 μm粘粒：＜2 μm粘粒用柠檬酸钠—碳酸氢钠—连二亚硫酸钠祛除游离氧化铁，Mg+饱和后，用10%甘油水溶液处理，制成定向薄膜，置于饱和Ca（NO3）2的干燥器（相对湿度为50%）中，放置过夜后进行X射线衍射分析如图2所示。

（2）＞2 μm粗粒：将样品在玛瑙研钵中磨细后，装入铝合金的样品盘中，轻轻压紧。直接进行X射线衍射分析如图3所示。

土样的X射线衍射图如图4所示，由图可知黏性土中主要矿物为石英、长石、水云母、绿泥石、蛭石及蒙脱石等。其中石英、长石类原生矿物的特征峰最为明显。土壤的活性主要来自粘性矿物的活性，非粘性矿物结构比较稳定，一般很难与其他物质发生化学反应［2,9］。黏性土中小于2 μm颗粒中的活性矿物高岭石、蒙脱石及绿泥石的含量分别为17%、4%和26%，占小于2 μm颗粒的47%，占总质量的12.7%，小于2 μm颗粒中活性矿物和非活性矿物比例相当，则小于2 μm黏性土活性较好。

图2　 黏性土小于2 μm试样XRD图

图3　 黏性土大于2 μm试样XRD图

图4　 黏性土试样XRD图

黏性土中大于2 μm颗粒中的非黏土矿物水云母、闪石、石英、长石的总含量为82%，占总质量的60%，粘性矿物蛭石和绿泥石含量为18%，占总质量的13%。较之于小于2 μm颗粒，大于2 μm颗粒中活性矿物含量少，活性差。

黏性土中粘性矿物与非粘性矿物相比约为3/7，粘性矿物比重低于非粘性矿物含量，土样活性较差。为了能够激活黏土中矿物的活性，使其也成为一种反应物质，大幅度提高固化效果，固化材料中还需添加一定量的碱性激发剂［10］。

依据化学成分和矿物组成的测定结果，又考虑到固化制品的水稳性能，适合选择无机类土壤固化剂［11-12］。

2.4 土样的颗粒级配

颗粒分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数的方法，以此显示颗粒大小分布情况，土粒表面的活性随着粒径的减小而增大，随着粒径的减小，有机物含量、阳离子交换量、最大吸湿量都随着急剧增大，因此研究黏性土的颗粒组成对分析土的活性有很大的意义。

黏性土的颗粒级配分析依据DL/T5355—2006《水电水利工程土工试验规程》采用激光粒度分析仪进行［13-14］。

称取500.0 g自然风干黏性土，进行水洗，发现大部分通过0.075 mm筛，剩余少量的颗粒部分为有机杂质（如草皮草根等）。因此根据规范，取黏性土试样采用激光粒度分析仪进行细分析。

采用LS603欧美克激光粒度分析仪进行激光粒度分析，试验参数如表3所示。

根据颗粒级配曲线，可按下式计算不均匀系数Cu，

式中：d60、d10分别为粒径曲线上小于某粒径的土粒含量分别为60%、10%时所对应的粒径。

黏性土粒度特征参数如表4所示，黏性土颗粒级配图如图5所示。

表3　 激光粒度仪测定黏性土颗粒分布参数设定

表4　 黏性土粒度特征参数

由以上结果可知，黏性土颗粒主要集中于0.002～ 0.05 mm。此区间的颗粒达92%左右。黏性土的粒径分布范围窄，小于0.02 mm颗粒含量为80%左右，0.02～0.05 m m的塑性颗粒含量为20%左右，没有0.05～ 1.2 mm的填充颗粒，也没有1.2～2 mm的粗颗粒，土的级配不良。

图5　 黏性土颗粒级配图

在固化制品生产工艺中，一般对原料颗粒级配进行如下控制：将粒径小于0.0 5mm的粉粒称为塑性颗粒；粒径为0.05～1.2 mm的称为填充颗粒；粒径为1.2～2 mm的称为粗颗粒。合理的颗粒组成为：塑性颗粒35%～50%，填充颗粒20%～65%，粗颗粒小于30%。

对于压制成型固化材料，细粒级的增加会使胶凝材料与土颗粒接触孔隙增多严重影响制品的强度，因此，固化材料需要添加一定量粗骨料。

3 结论

（1） 黏土土样的pH值测试结果为7.67，土样呈微碱性，双电层较厚，说明土样的活性比较低。该黏土不适合选择离子类土壤固化剂。

（2）弃土中9种主要成分（SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2和SO3）含量达99%，其中SiO2、Al2O3含量比较高，SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O34种组分含量之和达到90%，说明其他物质及有机质含量较少。固化材料需能提供有效的OH根离子，形成较强的碱性环境，促使活性SiO2、Al2O3溶蚀，从而提高火山灰反应的速度。

（3）由X射线衍射分析可知粘性弃土中粘性矿物与非粘性矿物相比约为3/7，粘性矿物比重低于非粘性矿物含量，土样活性较差。为了能够激活黏土中矿物的活性，使其也成为一种反应物质，大幅度提高固化效果，固化材料中需添加一定量的碱性激发剂。

（4）依据化学成分和矿物组成的测定结果，同时考虑到固化制品的水稳性能，适合选择无机类土壤固化剂。

（5）由颗粒分析可知粘性弃土的粒径分布范围窄，土的不均匀系数小，土的级配不良。对于非烧结固化材料，细粒级的增加会使胶凝材料与土颗粒接触孔隙增多严重影响制品的强度，因此，固化材料需要添加一定量粗骨料。

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Study on Soil Characteristics Based on Solidification Reutilization of Cohesive Spoil from J ingjiang River Segment

Zhou Gucheng
（Shanghai Water Engineering Design & Research Institute Co., Ltd, Shanghai 200063, China）

In order to realize the reuse of the spoil from Jingjiang River segment, it was feasible to get the preparation of material for water project through solidification treatment of the spoil, the characteristics of the spoil needed to be researched. Taking cohesive spoil as a sample, the analysis of the pH, chemical composition, mineral composition and particle size distribution were carried out to provide the basis for the selection and matching of the solidified materials. The results showed that: (1) the cohesive spoil's pH was 7.67, which was not suitable for selecting ion soil consolidating additive; (2) the total content of SiO2、Al2O3was higher. The other substances and organic matter content was less. The consolidating material must be able to provide effective OH-and promote the dissolution of active SiO2、Al2O3, so as to improve the speed of the ash reaction; (3) the proportion of clay mineral was low, so the activity of the soil sample was poor. A certain amount of alkali activator was needed to activate the activity of the clay minerals; (4) according to the determination results of chemical composition and mineral composition, at the same time, considering the water stability performance of the solidified products, it was suitable to choose inorganic soil consolidating additive; (5) the cohesive spoil had a narrow particle size distribution range, and the particle size mainly concentrated in the 0.002～0.05 mm, and the cohesive spoil is a poorly graded soil. So it needed to add a certain amount of coarse aggregate to the solidified materials.

cohesive spoil; solidification; pH; chemical composition; mineral composition; particle gradation

TV41

A

1672-9889（2016）04-0073-04

周谷城（1991-），男，湖南长沙人，助理工程师，主要从事港口航道、码头的设计研究工作。

2015-09-28）