泥态固化土材料组成及其工程性质研究进展

王新岐， 曾 伟， 王朝辉， 问鹏辉

（1.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

路基及管廊回填作为交通基础设施建设的重要组成部分，需要大量的土工材料。传统碾压回填施工存在严重扬尘问题；同时，对施工空间狭小的位置进行碾压施工，较难保证压实质量，对工后整体稳定性及耐久性保障造成不利影响。自流浇筑方式对特殊路段路基进行充填加固是解决上述问题的有效措施[1]。近年来泥态固化土作为一种可调可控、均质稳定、施工便捷、环保低碳的新型建筑材料逐渐引起关注[2～3]，已逐渐被尝试用于公路路基、桥头台背、管廊沟槽、地基基坑等土建基础设施回填工程中并取得了较好效果。在当前绿色发展的大背景下，诸如淤泥等泥态物及工业废渣等大宗固废均被尝试用于制备泥态固化土[4]；但目前我国采用淤泥等含水率及有机质含量较高的土质进行泥态固化土制备还处于室内研究阶段，如何推动泥态固化土的绿色可持续发展及大规模应用仍面临巨大挑战。

本文系统梳理国内外泥态固化土相关研究动态，对泥态固化土材料组成、性能影响因素、固化机理等方面进行综述，全面分析不同固化剂材料对泥态固化土性能的影响，进一步明确泥态固化土的应用前景及面临的挑战，以期为泥态固化土制备原材料选用及工程推广应用提供有益借鉴。

1 原材料组成及选用

与一般固化土相似，用于制备泥态固化土的原材料根据功能主要分为被固化材料、固化剂、外加材料及水。

1.1 被固化材料选用

早期进行泥态固化土制备时被固化材料较为单一，主要是集料、粉煤灰等。随着人们环保意识增强及对泥科学理解的不断深入，不同类型的泥土及固废材料被尝试用于制备泥态固化土，现阶段被作为被固化材料的有疏浚淤泥、淤泥质土、泥炭土、建筑弃土、盾构渣土、煤矿废弃物、珊瑚屑等[2,4～5]。陈伟等[4]采用大连湾海相疏浚淤泥制备泥态固化土，在固化过程中粒径为11、45 μm 的淤泥出现明显团粒化现象且随养护龄期的增加土质由黏性土向粉土转变，无侧限抗压强度呈指数增长，固化后淤泥与固化剂能够形成三维网络状结构，稳定性优良。邵钰清等[6]在泥态固化土制备时引入了建筑垃圾细料，通过调整灰砂比和水固比实现了泥态固化土性能的可调可控。相比于集料作为被固化材料，采用淤泥等泥态物或固体废弃物材料制备的泥态固化土强度较低，作为回填材料可用于部分非关键承重结构中[4]。

1.2 固化剂选用

泥态固化土的固化剂早期以水泥为主。随着碱激发材料及地聚物等材料逐渐发展，越来越多含有活性硅铝源物质的材料，特别是工业废渣类材料被用来作为固化剂，以减少对水泥的依赖。目前用作泥态固化土固化剂的工业废渣材料包括粉煤灰、赤泥、高炉矿渣、焚烧炉渣、钢渣等。孔祥辉等[7]采用赤泥部分替代水泥制备了粉土泥态固化土，当控制赤泥替代水泥掺量为10%～15%时，有利于提升泥态固化土凝结硬化后的强度。张骏等[8]在泥态固化土制备时引入电石渣及钢渣等材料，随着电石渣和钢渣掺量增加，泥态固化土强度先增后减，其比例为1∶1时抗压强度最大。

不同固化材料主要化学成分包括SiO2、CaO、Al2O3及Fe2O3等，其中不同固化材料化学物质组成中SiO2和CaO 含量较高，占比之和基本可达到50%以上，而Al2O3和Fe2O3占比相对较小，除赤泥及粉煤灰外，二者占比之和基本在37.5%以下。见表1。

表1 泥态固化土常用固化材料及其组成 %

目前制备泥态固化土的固化剂主要以富硅铝源物质为主，按照活性成分可分为硅铝盐、硅铝酸盐及硅铝钙氧化物等。由固化剂的化学组成可知，不同类型的无机固化剂强度形成机理较为接近，主要是生成水化硅酸钙（CSH）及水化铝酸钙等胶凝产物，在工程中应结合被固化材料特性及工程要求选配合适的固化剂。黄新等[9]认为在对淤泥等高含水率材料进行固化时既需要胶凝性水化产物，同时还需要生成膨胀性水化物以填充土颗粒团聚后颗粒间的孔隙。郭印等[10]提出可从减薄双电层厚度、添加膨胀组分、提高pH 值及裂解有机质大分子结构等方面提升淤泥等材料的固化效果。

1.3 外加材料选用

在确定被固化材料及主要固化剂的基础上，部分研究者通过引入外加材料实现对泥态固化土性能的优化。目前常用的外加材料包括减水剂、发泡剂及碱性材料等。减水剂的引入有利于保证流动性的同时降低用水量，但其含量过高会对固化后土体强度造成不利影响。发泡剂有利于降低泥态固化土的天然重度，可以促进其在软基处理及台背回填等工程中的应用。此外，部分研究者在泥态固化土制备时掺加了氢氧化钠等碱性材料，杨爱武等[11]和陈萌等[12]研究发现氢氧化钠及碳酸钠等碱性外加剂的添加有利于提升固化土体的强度，在制备时可控制氢氧化钠的掺量在0.4%左右。

1.4 配合比

泥态固化土配合比与被固化材料及固化剂类型均密不可分。目前仍以水泥作为主要固化材料，不同类型的工业废渣被尝试用于泥态固化土中，其中粉煤灰应用较多，其他固废材料如钢渣、矿渣、赤泥等材料也作为固化剂被用于制备中。为保证施工期间流动性，制备时泥态固化土体系中应有较高的含水率，因此采用渣土、砂、残积土等低含水率材料时需掺入一定比例外加水；而淤泥等则无需额外加水，必要时还需要采取降水措施。在配合比设计时应确保泥态固化土和易性满足施工要求，同时固化反应过程消耗足量的水分，以提升硬化后力学 性能。见表2。

表2 泥态固化土组成及配合比

现阶段泥态固化土配合比设计仍多基于已有经验及试错试验[13～14]，也有学者将胶浆体积比、水灰比及固化材料配比等独立比例参数引入配合比设计中，以实现泥态固化土初期可塑性与后期服役性的有效调控。随着全行业绿色发展理念的推进，综合被固化材料类型、所在地大宗固废类别及工程要求进行配合比设计及性能调控是今后泥态固化土研发制备的主要方向。

2 性能影响分析

现阶段主要从工作性能、力学性能等方面调整泥态固化土的组成比例，以使得泥态固化土性能满足不同应用场景的工程要求。

2.1 工作性能

泥态固化土主要考察的工作性能包括流动性、凝结时间及泌水率等。影响工作性能的主要因素包括被固化材料种类、固化剂类型及掺量和外加材料等。

2.1.1 流动性

日本建设省发布的《流动化处理工法》中规定，流动性满足施工浇筑要求的流动值为180 mm±20 mm；美国规范ASTM D6103将泥态固化土性能扩展度分为三级，其中用于一般回填工程的泥态固化土流动性为150～200 mm。

含水率越高，泥态固化土流动性越好；但过高含水率不利于后期凝结硬化及强度形成。被固化材料对流动性的影响主要与土的颗粒类型、细度及有机质含量等因素有关。孔祥辉等[7]发现赤泥的加入会降低泥态固化土的流动度和泌水率并且能加快泌水速率。朱瑜星等[15]发现地铁盾构渣土制备的泥态固化土，水固比为0.47～0.50 时流动性满足工程要求且随着固化剂掺量增加流动性呈增长趋势。杜衍庆等[1]分析了湿密度及固化剂掺量对泥态固化土流动性的影响，随着固化剂掺量及湿密度的增加，流动性均逐渐递减且湿密度变化引起的流动度衰减更为突出。陈伟等[4]通过中试确定流动性要求的海相疏浚淤泥制备泥态固化土的水固比为0.75～1.00，与朱瑜星等[15]的研究结果相差较大；表明不同类型被固化材料用于制备泥态固化土时流动性差异较为明显，颗粒更细且有机质含量高的淤泥类材料达到目标流动度需要的水分更多。王庆等[16]基于响应面方法建立了流态水泥土性能预测模型，发现水灰比一定时，随着灰土比增加，流动性呈线性增长趋势；而随着水灰比的增加，流动性先降低后增加。丁建文等[17]提出包含初始含水率及固化剂掺量的广义水灰比并建立了流动性与广义水灰比的相关关系。

与传统水泥混凝土通过调整水灰比控制流动性不同，泥态固化土体系中应考虑被固化材料含量对流动性的影响，因此在配合比设计时可将水固比作为客观影响泥态固化土流动性的关键指标；水固比一定时，调整被固化材料或固化剂的掺量对流动度的影响主要与固体材料的吸水性、颗粒形状、粒度等特征有关。此外，部分学者提出可通过引入减水剂等外加材料的方式提升泥态固化土流动性。张凤锟等[18]发现当水泥掺量一定时，木钙减水剂掺量高于0.8%，泥态固化土流动度随木钙减水剂掺量增加而呈阶梯式增大；但也有研究认为减水剂主要通过改变水泥颗粒带电特征促进水泥颗粒分散进而起到减水作用，当体系中含有被固化材料时，减水剂的作用并不突出，因此关于减水剂对泥态固化土流动性的影响仍有待进一步研究。

2.1.2 凝结时间

已有研究分析了固化剂掺量和类型对凝结时间的影响，固化剂掺量增加会加速体系的水化反应，进而促进泥态固化土的硬凝。泥态固化土拌和均匀后逐渐由可塑态转化为凝结硬化状态，根据固化材料的水化程度可将反应过程分为初始反应期、诱导期、加速反应期、减速反应期及慢速反应期。凝结时间主要与诱导期及加速反应期有关，碱性环境有利于加速可控低强度材料活性物质的胶凝反应。Wang L 等[19]研究发现相比于Na 系外加材料，Ca 系外加材料的引入有利于加速泥态固化土的硬凝。

随着不锈钢渣、粉煤灰、矿渣、钢渣等材料替代比例的增加，凝结时间均逐渐增加，说明固化剂反应速率是影响泥态固化土凝结硬化的关键因素，其中钢渣等材料的掺入降低了固化反应速率；在几类废弃材料中，粉煤灰掺入对凝结时间影响相对较小，而钢渣影响则较为明显[20～23]。见图1。

图1 不同材料替代水泥对凝结时间的影响

此外，固化剂掺量、被固化材料成分及水固比等参数同样会影响泥态固化土的凝结固化。

2.1.3 泌水率

泥态固化土泌水率与其流动度相关性较强，流动度的提升会增加其泌水率，因此在泥态固化土工作性能调控时以流动性能为主；而对于泌水现象较为严重的泥态固化土，可在制备时引入适量羧甲基纤维素类增稠剂、泡沫剂、氯化钙等材料，降低泌水率。

2.2 力学性能

力学强度是泥态固化土原位服役性中的重要性能之一。现有研究在评估泥态固化土力学性能时主要指标为龄期抗压强度，美国规范ASTM D6024中推荐采用落球试验进行泥态固化土承载力评估。一般认为，28 d抗压强度为0.4～0.7 MPa时泥态固化土具有较好承载能力，用于承重部位的泥态固化土一般应结合现行规范对承载力作出具体要求；而对于如管廊等建成后期可能开挖的结构，采用泥态固化土回填时应控制强度不宜过高，当固化后强度低于0.35 MPa时以人工方式开挖，强度为0.7～1.4 MPa时则需要采用小型设备开挖。

影响泥态固化土力学性能的主要因素包括被固化材料类型、固化剂掺量及类型、养护龄期及环境温度等因素。采用初始含水率及有机质含量较高的淤泥类土制备的泥态固化土强度相对较低，进而在相同承载力要求下淤泥制备泥态固化土消耗的固化剂掺量相对较高；而被固化材料为煤矸石渣等活性材料形成的泥态固化土强度则较高。在泥态固化土中加入适量粉煤灰有利于力学性能的提升，郝彤等[24]研究发现粉煤灰的加入对抗压强度的影响较明显，当水灰比为2.7时，随着粉煤灰掺量从0增加到20%，7 d抗压强度涨幅约61.5%，28 d 抗压强度涨幅约为66.8%，粉煤灰的加入既可参与水化反应生成更多水化硅酸钙凝胶，也可通过微集料效应优化试样内部微观结构，进而保障强度的提升。孔祥辉等[7]的研究表明，随着赤泥替代水泥含量增加，泥态固化土的强度先增大后减小，赤泥中含有的SiO2、Al2O3等活性物质及CaO 等碱性物质能与水泥水化产生的氢氧化钙反应生产硅酸钙及铝酸钙，有助于推动水化反应的进行。

不同废弃材料的掺入对强度影响差异较为明显，其中粉煤灰、废纸污泥的掺入有利于提升抗压强度；而废渣的掺入则引起无侧限抗压强度下降。不同材料对泥态固化土力学性能影响可能与其活性成分含量有关：粉煤灰掺入对泥态固化土强度提升较为明显；而掺入少量赤泥有利于增加力学强度，当赤泥替代量超过15%时强度逐渐下降[7,22～25]。因此可通过调整废弃材料替代量或材料类型的方式实现对泥态固化土强度的调控。见图2。

图2 不同材料替代水泥对无侧限抗压强度的影响

无侧限抗压强度随着灰土比的增加而增大，随着水固比的增加逐渐降低且水固比超过一定值时下降幅度增大。灰土比的增加一方面加速了泥态固化土中自有水的消耗，一方面又促进了胶凝产物形成，随着固化剂掺量增加生成的胶凝产物逐渐形成整体胶结骨架，提升了泥态固化土材料的强度与密实性。随着养护龄期的增加，泥态固化土抗压强度不断上升，养护初期强度上升较为明显，强度与养护龄期呈对数关系。此外养护温度的提升同样有利于加速固化过程及反应效率，进而对泥态固化土工后强度形成有促进作用。

3 固化机理

泥态固化土体系包括固化剂、被固化材料及外加材料等，相比于水泥混凝土，泥态固化土强度形成过程更为复杂，目前还没有形成比较系统的理论，考虑到与传统式固化土及碱激发类材料较为相似，从固化剂反应机理及土体强度形成方面对泥态固化土固化机理进行分析。

固化剂种类不同时，泥态固化土内部固化过程存在差异。采用水泥基材料制备泥态固化土时，主要会发生系列水化反应、火山灰作用、离子交换及碳酸化作用[4]，水化反应生成的CSH 凝胶会形成网状结构，提高固化后泥态固化土的强度，生成的水化铝酸钙对泥态固化土的早期强度增长有促进作用；另外被固化材料中的活性SiO2、Al2O3会在碱性环境下与水泥水化产物发生火山灰反应，促进稳定胶凝物的形成，该反应主要保障后期强度的继续增长；离子交换生成的氢氧化钙中的Ca会与土体表面的Na+、K+等发生交换，导致土颗粒的双电层变薄并促进土颗粒的团聚及强度提升[12]；碳酸化作用指水化产物中的Ca(OH)2与水和CO2反应生成CaCO3，进而提高泥态固化土的强度。

在固化剂中引入粉煤灰和矿渣等材料有利于促进微集料反应及火山灰反应。当粉煤灰及矿渣与水泥共同参与固化反应时，首先发生的是水泥的水解水化反应，生成部分水化铝酸钙凝胶和针状钙矾石（AFt），此时混合物中同时存在空隙水和结合水，随后粉煤灰及矿渣在碱性环境下活性被有效激发，混合物中空隙水被反应消耗，导致结合水量增多，水化铝酸钙凝胶絮凝化，最终形成网状结构，能够有效固结混合料中土颗粒。将钢渣、赤泥、水泥窖粉尘等工业废渣作为固化剂时主要反应机理与水泥等材料较为相似，在固化过程中不同物理化学反应相互促进，加速胶凝材料骨架形成及土粒团聚[8]。引入磷石膏等固化剂可为混合物的水化反应体系提供SO2-4，其可以与Al2O3离子、Ca2+和OH-直接化合生成AFt，同时将少量水化铝酸钙转化为AFt并相互交错地生成于泥态固化土内部孔隙中，起到提高无侧限抗压强度的作用。

不同被固化材料固化过程同样存在差异。当被固化材料为渣土等活性成分较低的土时，其强度形成主要与固化剂的种类与掺量相关；活性硅铝源含量较高的材料作为被固化材料时，会参与反应促进强度的发展。对于含水率及有机质含量较高的淤泥质土等，制备时需要从减薄双电层厚度、引入膨胀组分、提高体系pH 值、裂解有机大分子结构及土颗粒表面活性等方面促进土体的固化[12]。泥态固化土凝结硬化既是胶凝产物生成固化的过程，也包括水分形态转化及土粒团聚过程，因此制备时应充分结合被固化材料特征、固化剂种类及应用环境综合调整配合比，确保泥态固化土体系充分发挥反应，满足工程设计要求。

4 应用前景及面临挑战

泥态固化土作为回填材料已经在日本、美国等国家有了较多应用；近年来国内部分工程开始尝试采用泥态固化土进行工程填筑。由于泥态固化土对原材料品相要求相对较低且具有高效、低碳、环保、便捷施工、高流动性及自密实性等特点，在解决传统回填压实工艺引起的扬尘及强度不足等问题方面具有显著优势；因此在公路及城市道路路基工程、桥头台背、沟槽及地下综合管廊工程中具有广阔前景。随着绿色发展理念的不断贯彻推行，越来越多的固废材料将被用于泥态固化土浇筑工程中，结合被固化材料类型、大宗固废材料类型及施工环境要求进行配合比设计无疑是未来泥态固化土研发的主要思路。当前疏浚淤泥、污泥、工业废泥等泥态物及不同类型工业废弃物的处置均是环境治理的主要内容，而结合不同材料工程性质开发形成可用于工程浇筑的泥态固化土无疑是提升各类大宗废弃材料的重要途径。

在保障泥态固化土工程性质可调可控的基础上实现各类废弃材料的资源化、无害化及规模化应用仍面临巨大挑战。此外，现阶段针对泥态固化土浇筑工程效果及环境影响评估尚未形成统一的评价方法，适用于不同应用场景的泥态固化土一体化施工的浇筑设备仍有待进一步开发。

5 结论

泥态固化土是一种性能可调可控、均质稳定、施工便捷、环保低碳的新型建筑材料；其流动性主要受水固比影响，力学性能主要受固化剂种类及掺量等因素影响。泥态固化土凝结硬化既包括胶凝产物生成固化的过程，同样包含水分形态转化及土粒团聚过程。采用淤泥等废弃泥浆及工业废渣等材料进行泥态固化土研发是实现废弃资源减量化及交通基础设施建设绿色发展的重要途径，结合泥态固化土特征实现一体化浇筑施工设备的开发对泥态固化土技术的发展应用具有重要意义。