石灰改良弃置泥浆土的三轴试验研究

程沁灵， 韩 博， 周文静， 朱旭飞， 陈晓清

(1.浙江省道桥检测与养护技术重点实验室，杭州 311305；2.浙江省交通运输科学研究院，杭州 311305；3.绍兴市科技产业投资有限公司，绍兴 312000)

工程废弃泥浆是指在工程建设过程中所产生的高含水率废弃土方，由于其含水率高、强度低，难以直接应用于工程，如何处置一直是土木工程建设中的难点问题[1]。面对体量巨大的建筑废弃泥浆，传统的排放和处理方式存在着处理周期长、成本昂贵、占用大量土地资源等问题[2- 4]。因此科学合理地对建筑泥浆进行综合利用是急需面对和解决的问题。

与常用路基土相比而言，一般脱水后的泥浆仍然存在孔隙比大、压缩性高和强度低等缺点，需通过固化处理方能满足路基填筑的要求。现阶段，常用的无机固化剂主要为水泥、石灰、粉煤灰、水玻璃、石膏和其他工业废料等[1,5-9]。

王东星等[6]利用大掺量低钙粉煤灰、水泥和石灰固化剂进行淤泥固化处理，结果表明，淤泥固化后最佳含水率降低，最大干密度则略有增加；弹性模量、无侧限抗压强度和抗拉强度均有不同程度的增加；水泥掺量越大，养护时间越长，强度和弹性模量越大。

丁慧等[7]研究了粉煤灰和工业矿粉固化疏浚淤泥作为路基材料的可行性；试验结果表明，矿粉含量越高，粉煤灰含量越低，土样的承载力越高，抗剪强度越高；当淤泥:粉煤灰:矿粉=7:1:2时，加州承载比(California bearing ratio，CBR)达到了34.8%，是规范中高速、一级公路路基填料要求最低CBR的4.35倍，作为路基填料使用是可行的。

Zhang等[8]研究表明，随着龄期的延长，有效内凝聚力减小，养护7、28 d的固化土的强度随着围压增大而减小。因此在固化土处理的初始阶段施加堆载预压，可以显著提高强度，减少养护时间。

Chen等[9]探讨了钻孔灌注泥浆的性能和其应用于路基的可行性，采用现场固化处理系统固化泥浆、铺筑路基，在密实度和挠度值上均表现出良好的性能，确定了CBR与固化时间的线性关系；同时发现粉煤灰在此过程中并未发生化学反应，仅起到填充作用。

以绍兴市越城区为例，2019年预计将产生废弃泥浆(180～200)×104m3。2019年绍兴市路基填筑所需宕渣约为1 200×104m3，但受开山采石的限制，传统的路基填筑材料宕渣、塘渣的开采量减小，将产生约800×104m3的缺口。为了解决弃置泥浆占用土地资源、优质路基填料紧缺的问题，采用生石灰对弃置泥浆土进行改良，并对固化后的弃置泥浆土开展三轴试验研究。

1 试验研究

1.1 原材料

试验用土样取自绍兴建设工程产生的弃置泥浆，经工厂初步脱水处理，处理流程如图1所示。

试验石灰为杭州宏鑫钙业有限公司生产，主要化学成分如表1所示。

图1 弃置泥浆脱水处理流程Fig.1 Dehydration process of disposal mud

表1 石灰化学成分Table 1 Chemistry component of lime

1.2 试验方法

选取石灰掺量8%时固化土的最佳含水率，采用分层击实，成型三轴试样。制备方法参照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[10]中T 0145—1993，试样直径为39.1 mm，高80 mm。在(20±2) ℃、相对湿度95%的条件下养护。试样采取抽气和反压联合饱和，当试样饱和度达到95%时，进行等压固结。试验采用应变控制，剪切速率为0.075 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 物理特性研究

试验所用弃置泥浆土的基本物理指标如表2所示。

表2 弃置泥浆土的基本物理参数Table 2 Basic physical parameters of disposal mud soil

由表2中数据可知，土样为低液限黏土，土中水主要包含弱结合水和少部分自由水。弃置泥浆干化土土样处于软塑至可塑状态，需要对其进行处治后方能作为路基填筑的材料。土样的塑性指数为20，一般石灰适用于稳定塑性指数为15～20的黏性土，对于塑性指数小于10的土不宜用石灰稳定。因此，选取8%掺量的石灰对弃置泥浆土进行固化处理。

2.2 化学成分分析

对处理后的弃置泥浆土样品的有机质含量、水溶性盐含量、铅含量、镉含量以及pH进行测定，试验结果如表3所示。

表3 弃置泥浆土的化学检测指标Table 3 Chemistry test index of disposal mud soil

经验证明，对于硫酸盐类含量超过0.8%或腐殖质含量超过10%的土，不宜直接采用石灰稳定。由表3中数据可知，脱水处理后的弃置泥浆土呈碱性，有机质含量<10%含量水溶性含盐量<0.3%，无溶陷、盐涨、腐蚀等工程特性，可直接采用石灰固化改性。

土样的镉、铅含量均低于《土壤环境质量标准 建设用地土壤污染风险管控标准》(GB 36600—2018)中建设用地土壤风险管控的筛选值，说明其对人体健康的风险可以忽略。因此，弃置泥浆土在路基填筑的应用过程中无需进行无害化处理。

2.3 矿物成分分析

对处理前后的弃置泥浆土进行X射线衍射(diffraction of X-rays，XRD)分析，获得其晶体的原子和分子结构信息，测试结果如图2所示。图2中，样品a为处理前的弃置泥浆，b为经工厂处理后的弃置泥浆土。由图2可知，泥浆处理前后的矿物组成基本相同，主要是α-石英、伊利石和钠长石。α-石英的主要成分是二氧化硅，属于六方晶系。SiO2结构中Si—O键的强度很高，键力分别在三维空间比较均匀，因此SiO2晶体的熔点高、硬度大、化学稳定性好，无明显解理。伊利石的硅氧四面体中大约1/6的Si4+被Al3+取代，其层间靠分子力结合，晶格固定，属于非膨胀性黏土矿物。钠长石属于三斜晶系，与石英同为架状结构。长石结构的四节环链内结合牢固，链平行于a轴伸展，故沿a轴晶体不易断裂；而在b轴和c轴方向，链间虽然也有桥氧连接，但有一部分是靠金属离子与O2-之间的键来结合，较a轴方向结合弱得多。因此，长石在平行于链的方向上有较好的解理性。

图2 泥浆的XRD图谱Fig.2 XRD spectrum of disposal mud soil

因此，弃置泥浆土的矿物组成主要为二氧化硅和非膨胀性黏土矿物，弃置泥浆土久置水中，体积基本不产生膨胀，性质稳定。

2.4 击实特性研究

取烘干后的弃置泥浆土料颗粒和掺入8%石灰的弃置泥浆土，分别制备5个不同含水率的试样，进行室内击实试验，击实曲线如图3所示。

图3 击实曲线Fig.3 The compaction curve

由图3可知，石灰的掺入使得弃置泥浆土的最佳含水率增大，最大干密度减小，掺入8%石灰的弃置泥浆固化土的最佳含水率为18.8%。

2.5 三轴试验研究

2.5.1 围压的影响

为研究围压对石灰固化土强度特性的影响，按最佳含水率制备石灰掺量8%的试样，养护7 d后，分别选取25、50、100、200、400、800 kPa六个不同的围压，对试样进行固结不排水三轴剪切试验，试验的应力-应变曲线和孔压-应变曲线分别如图4、图5 所示，三轴数据如表4所示。

图4 固化土的应力-应变关系Fig.4 Stress-strain relationship of stabilized soil

图5 固化土的孔压-应变关系Fig.5 Pore pressure-strain relationship of stabilized soil

表4 固化土三轴试验结果Table 4 Triaxial test results of stabilized soil

由图4可知，试样在不同围压下均表现出相似的曲线特征，曲线显示为应变软化型。在试样变形的初始阶段，应力与应变呈现出近似线性的关系，石灰固化土表现出弹性特征，并且初始阶段的应力增长速率随着围压的增大而不断增大。

由图5可知，当围压较低时，在起始阶段，孔隙水压力不断增大，超过一定的值后，呈现出减小的趋势，之后保持稳定，在整个加载过程中，存在着明显的峰值。

当围压较高时，孔隙水压力随着加载过程的进行呈现出增长的趋势，当达到一定的值后趋于稳定，峰值并不明显。当围压低于100 kPa时，试样出现负的孔隙水压力，说明试样出现剪胀。

由表4数据可知，试样的初始变形模量随着围压的增大而提高。当围压小于200 kPa时，峰值强度的变化并不明显，即当围压小于屈服应力时，峰值强度变化较小，此时强度基本不受围压的影响。在高围压下，随着围压的增大，石灰固化土的峰值强度显著提高。围压越高，固化土的峰值强度、残余强度和达到峰值强度时的破坏应变越大。

围压的增大使得试样所受侧向约束力相应提高，在产生相同轴向变形量时，试样的侧向变形量相对较小，土体的压缩更为密实。因此围压的提高有利于固化土强度的增大，土体的力学性能越好。

当试样围压较高时，裂纹斜向发展，出现了明显的滑移现象，呈现剪切破坏，如图6所示。当试样围压较低时，试样发生剪胀。剪应力的存在引起土颗粒间相互位置的变化，使其排列发生变化，改变了颗粒间的孔隙，从而引起了试样体积的变化。

图6 试样破坏形式Fig.6 Specimen failure mode

2.5.2 龄期的影响

将三轴试样在(20±2)℃、相对湿度95%以上的条件下分别养护7 d和28 d，在100、200、400 kPa的围压下进行固结不排水剪切试验，试验结果如图7、图8所示。

图7 不同龄期固化土的应力-应变关系Fig.7 Stress-strain relationship of stabilized soil of different ages

图8 不同龄期固化土的孔压-应变关系Fig.8 Pore pressure-strain relationship of stabilized soil of different ages

由图7可知，随着龄期的延长，相同围压下的应力-应变和孔压-应变曲线的形态和变化规律相同。

三轴试验结果如表5所示。由表5可知，随着养护时间的增加，石灰稳定土的初始变形模量提高。

表5 不同龄期固化土的三轴试验结果Table 5 Triaxial test results of stabilized soil at differenr ages

通过比较相同围压下，不同养护龄期的试样主应力差与轴向应变的关系可知，28 d龄期的试样峰值强度、残余强度和破坏应变均高于7 d龄期的试样，且其破坏应变也高于7 d的试样。随着龄期的延长，土体内部不断生成具有胶结作用的凝胶产物，孔隙不断被填充，土体密实度逐渐提高，使得土体的胶结结构体系更为稳定，综合表现为土体峰值强度的提高。

不同养护龄期下，固化土的三轴剪切试验的强度包络线如图9所示，抗剪强度指标统计如表6所示。

图9 固化土的强度包络线Fig.9 Strength envelope of stabilized soil

表6 固化土的抗剪强度指标Table 6 Index of shear strength of stabilized soil

由表6可知，内摩擦角φ和黏聚力c随着养护龄期的延长而相对增大。由于土体的胶结作用，凝胶物质的产生使得其黏聚力提高。

3 结论

采用石灰对弃置泥浆土进行固化处理，开展了一系列试验研究，得到如下结论。

(1)通过对弃置泥浆土的物理指标、化学成分、矿物组成等进行试验分析可知，弃置泥浆土适宜采用石灰进行稳定，且其膨胀性小，性质稳定，无需进行无害化处理。

(2)石灰固化土的应力-应变曲线为应变软化型。随着围压的提高，固化土的峰值强度、残余强度和达到峰值强度时的破坏应变均增大。

(3)随着龄期的延长，固化土内部的凝胶产物不断生成，孔隙填充逐渐密实，综合表现为土体峰值强度、峰值点应变和残余强度的提高，且土体的黏聚力和内摩擦角也随之增大。