土压平衡盾构废弃渣土固结物强度增长特性研究

2020-06-08王振宇阳军生王星华

铁道科学与工程学报 2020年5期

王振宇，阳军生，王星华

王振宇，阳军生，王星华

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

针对某市地铁3号线施工现场2种不同的土样，通过室内强度测试研究不同固化剂单独与混合添加时对这些废弃渣土固结物强度的影响。对于所添加的5种固化剂，其对废弃渣土固结物28 d强度都有着随固化剂掺量增加而呈现出先增加后减小的变化趋势，都存在一个最佳掺量。对于黏质废弃渣土固结物，固化剂的影响程度依次排序为：硫酸钙＞氢氧化钙＞氧化钙＞ZY-1＞碳酸钙；而对于砂质废弃渣土固结物，固化剂影响程度依次排序为：氢氧化钙＞硫酸钙＞氧化钙＞碳酸钙＞ZY-1，这2类废弃渣土固化剂的最佳比是不相同的，砂质渣土固结物的强度(3.45 MPa)远远大于黏质渣土的(1.11 MPa)。

土压平衡盾构；抗压强度；固化剂；固化；废弃渣土

在城市中心地区修建地铁隧道，盾构法施工是保证施工安全、提高施工进度的有效方法之一[1−3]，如何安全、环保、有效地处理土压平衡盾构施工过程中所产生的大量黏稠废弃渣土，是工程界关注的重点之一[4]，随着人们环保意识的加强，这些废弃泥浆的处理就成为盾构施工的关键[1]。应用固结的方法将这些废弃渣土加工成建材产品是目前比较先进、环保的处理方法之一，这种处理方法能够有效地减少环境污染、降低施工成本[3, 5−6]，其固结产品的强度指标是衡量产品质量的唯一标准[3]。由于不同的固化剂对废弃渣土具有不同作用机理[7−10]，为了充分了解废弃渣土固结物的力学性能，有必要对废弃渣土固结物的强度增长规律以及各种固化剂的影响规律进行研究。

1 试验技术

1.1 试验材料

试验用废弃渣土分别取自某市轨道交通3号线的A站与B站盾构施工的废弃渣土，土样的力学参数如表1所示[11]。水泥为32.5#普通硅酸盐水泥，固化剂为：氧化钙、氢氧化钙、硫酸钙、碳酸钙、自制的ZY-1专用固化剂。

1.2 试样的制备

试验样品的制作按照国家相关的规范[12]进行。首先，按比例称取相应数量的土样、固化剂、专用固化剂ZY-1与水，用砂浆搅拌机搅拌，方式为：慢搅120 s，停止15 s，再快搅120 s。将搅拌均匀的试样分成3份放入3个试模中成型，装满试模后，在振实台上振捣60 s进行振动压实。最后将试样送入标准养护室中进行养护，养护到规定时间进行强度测试。

2 试验结果分析

本文分2步进行废弃渣土固结物强度的试验研究：先是单个添加剂掺量影响因素的分析，研究其对废弃渣土固结物强度的影响规律，然后应用正交实验法研究多种固化剂的组合下的最佳配比，以分别得到砂质和黏质废渣固结物的最佳固化剂配比。

2.1 单掺试验

2.1.1 试验方案

单掺试验方案如表2所示。

表2 单掺试验方案

注：表中各添加剂的掺量均为添加剂质量与水泥质量之比。

2.1.2 废弃渣土单掺试验结果分析

1) 氧化钙与氢氧化钙掺量的影响

图1和图2给出了添加氧化钙与氢氧化钙养护龄期分别为7 d和28 d时2种废弃渣土固结物强度的变化规律。从图1(a)可以看出：黏质废弃渣土固结物28 d龄期时的抗压强度值最大为0.79 MPa，最小为0.52 MPa，氧化钙掺量有一极值(8%左右)。其7 d龄期的抗压强度值最大为0.31 MPa，也存在一极值。从图1和图2也可知道，随着龄期的增加，废弃渣土固结物的强度有大幅度的提高，由7 d增加到28 d时，强度由0.31 MPa提高到0.79 MPa，提高了约2.55倍。

由图2(a)也可以看出：砂质废弃渣土固结物28 d龄期时的抗压强度值最大为2.79 MPa，最小为2.45 MPa，氧化钙的掺量也存在一极值(6%左右)。其7 d龄期的抗压强度值最大为0.72 MPa，最小为0.55 MPa。随着龄期的增加，废弃渣土固结物的强度值会也会有比较大的幅度增加，28 d强度值2.79 MPa比7 d强度值0.72 MPa提高了约3.88倍。

在相同固化剂掺量的条件下，砂质废弃渣土固结物的强度要比黏质废弃渣土固结物的要高，这是因为废弃渣土中的砂颗粒在水泥的水化过程中，为水化结晶产物的生成提供了晶核，促进了水化结晶物的快速生成，加速了这些水化产物结晶体的长大[14−15]。

(a) 掺氧化钙；(b) 掺氢氧化钙

图2 砂质废弃渣土固结物强度曲线

图1(b)与图2(b)是加入氢氧化钙以后废弃渣土固结物强度随时间的变化规律。从图1和2中可以看出，废弃渣土固结物强度的变化规律类似于添加氧化钙时的强度变化规律，仅仅是具体的数值有所不同。如：对于黏质废弃渣土，氢氧化钙的最佳加量为22%，而砂质废弃渣土的最佳加量为16%。黏质废弃渣土固结物28 d龄期的最大强度值为0.78 MPa，最小强度值为0.575 MPa，7 d期的强度分别为0.32 MPa和0.25 MPa。砂质废弃渣土固结物28 d龄期的最大与最小强度值分别为3.0 MPa和2.65 MPa，7 d龄期的强度分别为0.9 MPa和0.60 MPa。砂质废弃渣土固结物28 d龄期的最大与最小强度值比黏质废弃渣土固结物的强度分别提高了3.85和4.61倍；7 d龄期的强度则分别提高了2.81和2.40倍。

2) 硫酸钙掺量的影响

图3和图4分别给出了硫酸钙对2种废弃渣土固结物抗压强度的影响规律，从图3和4中可以得出：随着硫酸钙掺量的增加，2种废弃渣土固结物28 d与7 d的抗压强度都呈现出先增加后降低的变化趋势，他们也存在一个最佳掺量的关系。对于砂质废弃渣土，硫酸钙的最佳掺量为12%，而黏质废弃渣土的最佳掺量为16%左右。从这2图中也可以看出：对于砂质废弃渣土，其固结物28 d的最大强度值为2.64 MPa，7 d的最大强度值为0.68 MPa，分别比黏质废弃渣土固结物28 d的最大强度值(0.89 MPa)大2.97倍，7 d(0.39 MPa)的大1.74倍。这进一步说明在废弃渣土中，砂颗粒的存在能够提高废弃渣土固结物的强度，其在水泥的水化过程中是起到一个晶核的作用，加快了废弃渣土固结物水化产物结晶体的生成。

图4 黏质废弃渣土固结物硫酸钙掺量的强度曲线

3) 碳酸钙掺量的影响

图5和图6分别是在2种废弃渣土中掺入碳酸钙后，7 d和28 d龄期废弃渣土固结物抗压强度随碳酸钙掺量的变化规律。从图5和图6可以看出，碳酸钙的掺量也存在一个最佳掺量。对于试验中的2种废弃渣土，碳酸钙的最佳掺量为16%，此时砂质废弃渣土固结物28 d的最大强度值为2.75 MPa，7 d期的最大强度值为0.70 MPa，而黏质废弃渣土固结物28 d的最大强度值仅仅只有0.69 MPa(为砂质的1/4左右)，而7 d的最大强度值为0.31 MPa(也仅仅为砂质废弃渣土的44.3%左右)。

图5 砂质废弃渣土固结物碳酸钙掺量的强度曲线

4) 特种固化剂ZY-1掺量的影响

图7和图8分别给出了特种固化剂ZY-1对2种类型废弃渣土固结物抗压强度的影响规律。从图7和图8中可以得出，对于28 d的砂质废弃渣土固结物，ZY-1的最佳掺量为8%，其最大强度值为2.81 MPa，7 d的最大强度值为0.81 MPa。而对于28 d的黏质废弃渣土固结物的最佳掺量为4%左右，其最大强度值为0.79 MPa，7 d的最大强度值为0.349 MPa。对于砂质渣，随着时间(龄期)的延长，废弃渣土固结物的强度也随之增加，28 d龄期的强度比7 d龄期的强度大了约3.47倍，由0.81 MPa提高到2.81 MPa。而对于黏质废弃渣土固结物，28 d的强度比7 d的强度仅仅大2.26倍(由0.349 MPa提高到0.79 MPa)。

图6 黏质废弃渣土固结物碳酸钙掺量的强度曲线

图7 黏质废弃渣土固结物ZY-1掺量的强度曲线

特种固化剂ZY-1作为一种自行研制的固化剂，是一种能够加速水泥水化反应的催化剂，其在水作用下迅速分解、电离出大量的特殊阳离子，不能分解和电离的部分则在水中成为微细的颗粒，这些微细颗粒在水泥水化结晶产物的生成过程中，起到一个晶核的作用[13−14]，使得水泥的各种水化产物能够很容易地在这些晶核的表面沉积、结晶，让这些晶核快速长大，成为结晶体，从而促进了水化结晶产物的快速生成。

图8 砂质废弃渣土固结物ZY-1掺量的强度曲线

2.2 正交试验

2.2.1 正交试验方案

通过对上述单掺试验结果进行分析并参考相关的文献资料[15]，可以得知：不同的固化剂对废弃渣土固结物的影响程度并不尽相同，并且固化剂的不同掺量对废弃渣土固结物的影响程度也不相同。为了获得不同废弃渣土固结物的最佳配合比，需要对废弃渣土固结物固化剂的掺量进行正交试验，以便通过对正交试验的结果进行分析处理从而得出适用于该废弃渣土固化剂的最佳配合比。本试验拟采用的是五因素五水平的试验方案，正交试验水平如表3所示，并以废弃渣土固结物28 d龄期时的抗压强度值作为试验指标,试验结果如表4和表5 所示。

2.2.2 黏土类废弃渣土固结物正交试验结果分析

根据表4中的强度试验数据，可知各固化剂掺量对黏质废弃渣土固结物28 d龄期抗压强度影响的主次顺序为：硫酸钙，氢氧化钙，氧化钙，ZY-1，碳酸钙，各固化剂对黏质废弃渣土固结物28 d龄期抗压强度的影响规律如图 9所示，是先上升后下降，有一个峰值的存在，黏质废弃渣土的最佳配合比为：氧化钙8%，氢氧化钙25%，硫酸钙14%，碳酸钙15%和ZY-1 4%。

表3 正交因素水平表

表4 黏质废弃渣土固结物28 d正交试验方案及试验结果

(a) 氧化钙掺量的强度曲线；(b) 氢氧化钙掺量的强度曲线；(c) 硫酸钙掺量的强度曲线；(d) ZY-1掺量的强度曲线；(e) 碳酸钙掺量的强度曲线

2.2.3 砂土类废弃渣土固结物正交试验结果分析

分析表5中数据可知：各固化剂影响程度从主到次的排序为：氢氧化钙＞硫酸钙＞氧化钙＞碳酸钙＞ZY-1，各固化剂对砂质废弃渣土固结物28 d龄期抗压强度的影响规律如图10所示：都是先上升后下降，有一个峰值，其最佳配合比为：氧化钙掺量6%，氢氧化钙掺量20%，硫酸钙掺量14%，碳酸钙掺量15%和ZY-1掺量8%。

通过以上试验数据分析，可以得出上述2种废弃渣土固结物的最佳配合比(见表6)，在最佳配合比下这2种废弃渣土固结物的抗压强度值都高于表4和表5中的各组抗压强度，所以可以认为所得出的最佳配比是适用的。

(a) 氧化钙掺量的强度曲线；(b) 氢氧化钙掺量的强度曲线；(c) 硫酸钙掺量的强度曲线；(d) 碳酸钙掺量的强度曲线；(e) ZY-1掺量的强度曲线

表5 砂质废弃渣土固结物28 d正交试验方案以及试验结果

64101020102.8319825103022.81 7415142523.0120830141043.06 8420183043.00211010202542.76 9425201062.5822101563062.78 1043061582.86231020101083.13 11610143083.132410251415102.94 126151810102.96251030182022.48 13620201523.36

表6 最佳配比的强度值

3 结论

1) 通过单掺试验，研究了不同固化剂对2类废弃渣土固结物强度增长的影响规律。对于氧化钙、氢氧化钙、硫酸钙、碳酸钙和ZY-1等5种固化剂，其对废弃渣土固结物28 d强度都有着随固化剂掺量增加而呈现出先增加后减小的变化趋势，都存在一个最佳掺量。

2) 通过正交试验，获得了各个固化剂对这2种废弃渣土固结物强度的影响规律，以及适用于这2种废弃渣土固结物的最佳配合比。对于黏质废弃渣土，固化剂的影响程度依次为：硫酸钙＞氢氧化钙＞氧化钙＞ZY-1＞碳酸钙，其最佳配合比为：氧化钙8%，氢氧化钙25%，硫酸钙14%，碳酸钙15%和ZY-14%；对于砂质废弃渣土，固化剂影响程度依次为：氢氧化钙＞硫酸钙＞氧化钙＞碳酸钙＞ZY-1，最佳配合比为：氧化钙6%，氢氧化钙20%，硫酸钙14%，碳酸钙15%和ZY-18%；砂质废弃渣土固结物的强度总是大于黏质废弃渣土固化物的强度。

3) 初步提出了特种固化剂ZY-1在水泥的水化过程中的催化作用机理，认为特种固化剂ZY-1在水中溶解以后，将提供大量的特殊阳离子，是这些阳离子对水泥的水化反应起到催化的作用。而ZY-1不能溶解的颗粒部分则为水泥的水化产物的结晶过程提供晶核，使得这些结晶产物能够快速生成。

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Research of consolidation strength growth characteristics of EPB waste residue

WANG Zhenyu, YANG Junsheng, WANG Xinghua

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In this paper, the effects of different solidification agents on the strength of two different types of waste residue of some city Metro 3# line were studied by indoor strength test. The 28 d strength of the waste residues were increased with the increase of the content of the five solidification agents. There is an optimal amount of admixture for them. The degree of influence of the curing agent for clay waste residue is as follows: calcium sulfate, calcium hydroxide, calcium oxide, ZY-1 and calcium carbonate. The degree of influence of the curing agent for sandy waste residue is as follows: calcium hydroxide, calcium sulfate, calcium oxide, calcium carbonate and ZY-1. Their optimum ratios for the waste resides were not same. The strength of sandy residue(3.45 MPa) was always higher than that of clay (1.11 MPa).

EPB; compressive strength; solidification agent; solidification; waste residue