丁慧　孫秀麗　劉文化　張志超　張偉　宋碧穎

摘要：

為了探討粉煤灰和工業(yè)礦粉固化疏浚淤泥作路基材料的可行性，通過一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了不同固化劑配比對(duì)固化淤泥擊實(shí)特性、水穩(wěn)定性、承載力和抗剪強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同固化劑配比下固化淤泥的最大干密度均超過1.50 g/cm3，最優(yōu)含水率約為20～21%；淤泥固化處理后浸水4 d的膨脹率均不超過1.1%，水穩(wěn)性大幅提升；礦粉含量越高，粉煤灰含量越低，CBR（California Bearing Ratio）值越高，土樣的承載力越高，抗剪強(qiáng)度也越高。不同工況浸水4 d的CBR值均達(dá)到了較高的水平，工況SD10FA20MP（淤泥∶粉煤灰∶礦粉=7∶1∶2）CBR值最高，達(dá)到了348%，是規(guī)范中高速、一級(jí)公路路基填料要求最低CBR值的4.35倍，作路基填料使用可行。

關(guān)鍵詞：

固化；疏浚淤泥；粉煤灰；礦粉； 抗剪強(qiáng)度；路基填料

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）02001108

Abstract：

To discuss the feasibility of using the fly ash and industrial slag solidified dredged sluge as roadbed material， a series of laboratory tests were performed to investigate the effect of curing agent ratios on the compaction properties， water stability， bearing capacity and shear strength. The test results showed that the maximum dry density of the solidified sludge with different curing agent ratios are higher than 1.50 g/cm3， and the optimum moisture content are about 20%～21%. The soaking induced expansion rate with the soaking time of 4 days are less than 1.1%， which indicates the water stability are ameliorated after solidification. With the decrease of fly ash and the increase of mineral powder， the CBR（California bearing ratio） and the shear strength are greatly increased. The solidified sludge with different curing agent ratios have high CBR after soaking for 4 days. The sample of SD10FA20MP has the highest CBR （34.8）， which is 4.35 times of lowest requirement of roadbed filling of highway. It is concluded that it is feasible to use the fly ash and industrial slag solidified dredged sludge as roadbed filling material.

Keywords：

solidification；dredged sludge ； fly ash； mineral powder； shear strength； roadbed filling material

隨著湖泊和河流的治理、航道疏浚等清淤工程的開展，疏浚淤泥的產(chǎn)量迅速增加[1]。傳統(tǒng)的吹填和拋泥處置淤泥會(huì)占地，引起環(huán)境問題，同時(shí)也會(huì)造成資源的浪費(fèi)?；谟倌嗪矢?、黏粒含量低、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，在開發(fā)利用前必須對(duì)其進(jìn)行處理。同時(shí)，燃煤發(fā)電廠排出的粉煤灰逐年增長(zhǎng)，不僅占用土地，而且污染大氣和水系，甚至還會(huì)對(duì)人體和生物造成危害。2015年，中國(guó)粉煤灰產(chǎn)量達(dá)到6.2億t，居世界首位。然而，對(duì)環(huán)境危害極大的粉煤灰綜合利用率目前實(shí)際只有30%左右。因此，如果將河湖淤泥和粉煤灰，礦渣等工業(yè)廢料再生資源化利用并將它作為路基等填土材料使用，在降低成本、保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，還能夠解決道路、橋梁等工程經(jīng)常遇到的構(gòu)筑物填筑材料短缺的問題。

化學(xué)固化淤泥是通過向淤泥中加入固化材料對(duì)其固化從而改善其工程特性的方法，具有處理量大，施工簡(jiǎn)便靈活的特點(diǎn)[23]。該技術(shù)可利用廢棄礦渣和粉煤灰等廢棄物的火山灰和潛在膠凝特性，既能保護(hù)環(huán)境，又能實(shí)現(xiàn)廢棄物的再生利用，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。很多學(xué)者已經(jīng)針對(duì)固化土的物理屬性、力學(xué)特性和變形規(guī)律等方面開展了對(duì)疏浚淤泥固化處理的研究，分析了強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)制和影響因素，還有學(xué)者給出了強(qiáng)度與固化劑摻量及齡期的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)關(guān)系式[47]。Lucena等 [8]采用水泥、石灰和乳化瀝青乳液固化污泥，通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明固化土可作為路基（路面）工程用土。Bai等 [9]采用石灰、礦渣和建筑垃圾粉作為固化材料固化河道淤泥，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)路基實(shí)驗(yàn)證實(shí)固化后河道淤泥滿足路基填料性能要求。OKELLY[10]研究了淤泥在不同含水率狀態(tài)下的干燥、擊實(shí)、抗剪強(qiáng)度、壓縮固結(jié)等物理力學(xué)特性。桂躍等[11]研究了磷石膏固化淤泥的強(qiáng)度和滲透性，得到了各組分的最佳摻量比例，是一種“以廢治廢”的方法。白興蘭等[12]采用水泥、粉煤灰和石灰固化淤泥，固化土后期強(qiáng)度滿足填土要求。陳萍等[13]采用焚燒底灰和疏浚淤泥混合做填土工程材料，30%的焚燒底灰摻量和4%水泥摻量對(duì)初始含水率為50%～70%的疏浚淤泥的固化效果可以滿足填土材料的強(qiáng)度要求。黃英豪等[14]研究了擊實(shí)對(duì)不同水泥添加量和不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化淤泥的密度、干密度、CBR和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。章培培等[15]通過對(duì)微觀構(gòu)造的觀察分析來研究淤泥混合土的強(qiáng)度特性和破壞機(jī)理。

目前研究中用粉煤灰作固化劑的相關(guān)數(shù)據(jù)很少，以致粉煤灰和礦粉在固化處理淤泥理論和工程應(yīng)用方面缺乏必要的土工參數(shù)。本著“以廢治廢”的原則，以太湖疏浚淤泥為研究對(duì)象，用粉煤灰、礦粉作固化劑，研究了固化淤泥的力學(xué)特性、水穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度，以及用于道路路基填筑的可行性。致力于實(shí)現(xiàn)廢棄淤泥與工業(yè)廢棄物雙重資源化利用，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

1試驗(yàn)材料及配比

1.1試驗(yàn)淤泥

試驗(yàn)所用淤泥取自無錫市太湖疏浚淤泥，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。淤泥的含水率達(dá)到68.9%，液限達(dá)到62.4%，根據(jù)土的分類方法，試驗(yàn)用泥屬于高含水率高液限黏土[16]。

1.2固化材料

試驗(yàn)采用粉煤灰和礦粉作淤泥固化材料。粉煤灰和礦粉的級(jí)配曲線如圖1所示。

由圖1可知，粉煤灰的顆粒粒徑主要集中在5～20 um，礦粉的顆粒粒徑主要集中在2～5 um，粉煤灰的平均粒徑較礦粉大。

粉煤灰和礦粉的主要化學(xué)成分見表2。粉煤灰主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，含量分別占總質(zhì)量的50.44%，32.14%和6.49%，且Al2O3與SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%，依據(jù)《用于波特蘭水泥混凝土摻合料的粉煤灰和原狀或煅 燒的天然火山灰》（ASTMC 618—2003），試驗(yàn)所用粉煤灰是 F 類粉煤灰。F 類粉煤灰本身不具水硬性，需要通過堿性激發(fā)劑激發(fā)潛在活性產(chǎn)生水硬性。

礦粉既可充當(dāng)固化劑與淤泥發(fā)生反應(yīng)，又可充當(dāng)堿活性劑與粉煤灰中的活性Al2O3、Fe2O3發(fā)生火山灰反應(yīng)。礦粉中的鋁、鈣、硅等氧化物可以作為土骨架的組成部分，CaO、SiO2、Al2O3 可以與土壤發(fā)生膠結(jié)作用，提高路基的承載力。水玻璃作堿激發(fā)劑，激發(fā)固化劑的活性。

1.3固化劑配比

以粉煤灰、礦粉的摻量為變量，設(shè)置4個(gè)工況，分別為SD25FA5MP、SD20FA10MP、SD15FA15MP、SD10FA20MP，各固化劑摻加量見表3，淤泥、水玻璃摻量不變，分別為混合料總干質(zhì)量的70 %和2%。

2試驗(yàn)方法

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[17]進(jìn)行液塑限實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)實(shí)驗(yàn)、承載比實(shí)驗(yàn)和直剪實(shí)驗(yàn)。通過液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行液塑限實(shí)驗(yàn)，求出各組工況的塑限值，并通過塑限值預(yù)估擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水量，按照表3所示設(shè)計(jì)配比添加粉煤灰、礦粉、水玻璃進(jìn)行干法制樣后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定各工況試樣的最優(yōu)含水量及干密度。在擊實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行最優(yōu)含水量條件下的承載比（CBR）實(shí)驗(yàn)和直剪實(shí)驗(yàn)。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1固化淤泥的液塑限

錐入度與含水率的關(guān)系曲線（h w）如圖2所示，取h=17 mm處含水率為液限，h=2 mm處含水率為塑限。最終測(cè)得4個(gè)工況的液塑限值如圖3所示。由圖可知，淤泥的液塑限和塑性指數(shù)大幅度降低，液性指數(shù)稍有降低，粉煤灰摻量對(duì)固化淤泥物理狀態(tài)的有一定的影響。按照土的分類方法，固化淤泥屬于硬塑態(tài)粘土。

3.2固化淤泥的擊實(shí)特征

固化淤泥擊實(shí)曲線，即干密度隨含水率的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，含水量低，土中的粘粒擴(kuò)散層不能夠充分發(fā)展，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)間作用力強(qiáng)，土體很難壓密；含水率高于最優(yōu)含水率時(shí)，含水量升高，粘粒擴(kuò)散層充分發(fā)展，粒間作用力減小，擊實(shí)作用使得團(tuán)粒被擠壓，顆粒趨于定向排列，孔隙比增大，密度減小。

固化淤泥最大干密度和最優(yōu)含水率的變化曲線如圖5所示。通過圖5可以直觀地看出，最大干密度幾乎沒有變化；在一定范圍內(nèi)，隨著粉煤灰含量升高，礦粉含量降低，固化淤泥的最優(yōu)含水率稍有增大。這是因?yàn)榉勖夯翌w粒中含有較多的碳粒，造成粉煤灰吸水性與礦粉相比相對(duì)較強(qiáng)，所以隨著粉煤灰含量增加，礦粉含量降低，固化土達(dá)到最優(yōu)含水率的需水量相對(duì)有所增加。

另外，還可以發(fā)現(xiàn)最大干密度和最優(yōu)含水率的變化幅度均很小，最大干密度保持在1.55±0.03 g/cm3，最優(yōu)含水率保持在20%～21%左右。Kamata等[18] 在現(xiàn)場(chǎng)用生石灰加固淤泥發(fā)現(xiàn)，雖然加固后的含水量降低了，但是固化淤泥的密度變化很小?？梢姽袒瘎┡浔葘?duì)固化土擊實(shí)特性的影響較小。

3.3固化淤泥的CBR值

3.3.1水穩(wěn)性當(dāng)浸水后試件發(fā)生剪切移動(dòng)時(shí)，并不是土體顆粒之間發(fā)生摩擦，而是通過顆粒周圍的水層相互摩擦。水層具有潤(rùn)滑作用，水層越厚，摩擦力越小，得到的CBR值越小。浸水4 d后得到的固化淤泥的CBR值對(duì)于地下水豐富或多雨地區(qū)的路基材料的水穩(wěn)性具有重要的指導(dǎo)意義。

固化淤泥膨脹率與粉煤灰摻量的關(guān)系如圖6所示，不同工況土樣的膨脹率均不超過1.1%，固化淤泥水穩(wěn)性良好，符合規(guī)范要求。隨著粉煤灰含量升高、礦粉含量降低，固化淤泥的膨脹率先增大后減小。這是因?yàn)榉勖夯椅詮?qiáng)，含量越高，吸水量越大，土體膨脹率越大，但由于粉煤灰含量增大，最優(yōu)含水量也稍有增大，可能引起粉煤灰吸水成分先期吸水膨脹，當(dāng)粉煤灰含量增大到一定值后，先期吸水率與膨脹率相互抵消，所以造成工況SD25FA5MP的膨脹率反而相對(duì)有所降低；礦粉活性較高，水化作用和火山灰反應(yīng)過程中生成了較多膠結(jié)物質(zhì)，顆粒間膠結(jié)力增大，土樣膨脹率降低，從而提高了固化土的穩(wěn)定性[19]。

3.3.2CBR與固化材料摻量的關(guān)系固化淤泥浸水4 d后的貫入曲線如圖7所示。固化淤泥的貫入度隨單位壓力的升高而增長(zhǎng)，且速率逐漸變大，這主要是因?yàn)閴毫ο魅跬亮ｉg物理化學(xué)作用力，土中貫入相同深度時(shí)所需力越小。

不同工況固化淤泥的CBR值如圖8所示。由圖8可知，粉煤灰和礦粉的摻量對(duì)試樣的CBR值影響很大，粉煤灰含量越低，礦粉含量越高，CBR值越高，土樣的承載力越高。從4.4中直剪試驗(yàn)的結(jié)果可以看出粉煤灰含量降低，礦粉含量升高引起土樣顆粒間黏聚力增大；吸水量減少，水膜厚度降低，摩擦力增大，因此，土樣CBR值升高。

3.3.3CBR與膨脹率的關(guān)系由圖9可見，隨著膨脹率升高，CBR值先快速降低后緩慢升高。這是因?yàn)橥馏w含水量增加，顆粒間水膜變厚，顆粒間距離增大，粘結(jié)力減小，并且水膜加厚使顆粒間的摩擦力減小。當(dāng)土體含水量達(dá)到一定值后，土體顆粒間填滿了水，土體原有結(jié)構(gòu)破壞，CBR值迅速減小。

隨著膨脹率變化，可以發(fā)現(xiàn)，CBR有一個(gè)下限值，從這點(diǎn)可以看出摻粉煤灰等固化劑對(duì)土體穩(wěn)定性的改良效果。根據(jù)土的膨脹變形規(guī)律，可以大致預(yù)測(cè)路基的變形情況，這為研究路基的變形提供了新的思路。

3.3.4固化淤泥作路基材料的可行性CBR值是路基和穩(wěn)定土路面底基層廣泛應(yīng)用的設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD 30—2004）[20]和公路路基施工技術(shù)規(guī)范（JTGF 10—2006）[21]中公路路基最小強(qiáng)度要求，對(duì)比試驗(yàn)所得CBR值（如圖8所示），可見所有配比下的CBR值均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。其中當(dāng)粉煤灰含量10%，礦粉含量20%時(shí)，固化淤泥的CBR值最高，CBR2.5達(dá)到34.8%，CBR5達(dá)到31.5%，是《規(guī)范》中高速、一級(jí)公路路基填料要求最低CBR值的4.35倍，是二級(jí)公路路基填料要求最低CBR值的5.8倍，作路基填料使用完全可行。

3.4固化淤泥的抗剪強(qiáng)度

不同軸向壓力下剪切力與剪切位移的關(guān)系曲線如圖10～13所示。由圖可知，在土體剪切破壞前，隨著剪切位移的增大，剪切力先增后減，產(chǎn)生相同剪切位移時(shí)所需的剪切力越來越小。礦粉含量越高，粉煤灰含量越低，抗剪強(qiáng)度越高。固化淤泥內(nèi)摩擦角與粘聚力的變化曲線如圖15所示，隨著礦粉含量升高，內(nèi)摩擦角變化很小，而黏聚力不斷增大，試樣SD10FA20MP的黏聚力達(dá)到試樣SD25FA5MP的3.3倍。

抗剪強(qiáng)度與軸向壓力關(guān)系曲線如圖14所示，土體的抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力和摩擦力組成，黏聚力主要為顆粒間靜電引力和膠結(jié)力，摩擦力主要為顆粒間的滑動(dòng)摩擦力。

礦粉含量增加，粉煤灰含量減少時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度增大，CBR值也逐漸增大。主要是礦粉的活性遠(yuǎn)大于粉煤灰的活性，礦粉含量增加，水化產(chǎn)物增多，增強(qiáng)了固化淤泥的膠結(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，表現(xiàn)為粘聚力顯著增大。

4結(jié)論

1）擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，固化劑摻量對(duì)固化淤泥的密度和最優(yōu)含水率的影響不大，最大干密度保持在1.55±0.03 g/cm3 ，最優(yōu)含水率在20%～21%之間。

2）CBR浸水試驗(yàn)結(jié)果表明，不同工況土樣的膨脹率均不超過1.1%，符合規(guī)范要求，固化處理能夠大幅度提升淤泥的水穩(wěn)性。

3）粉煤灰和礦粉作固化劑固化淤泥具有良好的固化效果，粉煤灰和礦粉的摻量對(duì)試樣的CBR值和抗剪強(qiáng)度影響很大，礦粉含量越高，粉煤灰含量越低，CBR值越高，土樣的承載力越高，土樣膠結(jié)強(qiáng)度也越高。

4）不同固化劑摻量下的固化淤泥均能夠滿足路基填土的強(qiáng)度要求，其中固化劑配比為粉煤灰10%，礦粉20%時(shí)CBR值最高，達(dá)到試樣SD25FA5MP的1.55倍，是《規(guī)范》中高速、一級(jí)公路路基填料要求最低CBR值的4.35倍，是二級(jí)公路路基填料要求最低CBR值的5.8倍，是較為理想的路基填料。

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（編輯胡玲）