卞 夏,葉迎春,劉 凱,李曉昭,樊朱益,郭光澤,張 偉

1)河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州 221116;3)龍游縣林業(yè)水利局,浙江衢州 324400;4)中國地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037; 5)江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司,江蘇南京 210028

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施修建、地鐵線路站點施工、隧道開挖建設(shè)在如火如荼的進(jìn)行。據(jù)交通部數(shù)據(jù),截止至2021年1月,我國共有44座城市開通了地鐵線路,總運(yùn)營里程達(dá)到7 623.3 km。更多的城市地鐵項目正在規(guī)劃當(dāng)中,南京市未來的地鐵規(guī)劃里程就有632.0 km。除地鐵建設(shè)外,橋梁、隧道、房建項目更是不計其數(shù)。各類工程建設(shè)過程中,特別是基礎(chǔ)建設(shè)階段不免會產(chǎn)生體量較大工程泥漿。工程泥漿包括盾構(gòu)泥漿、樁基泥漿、地連墻泥漿,其中盾構(gòu)泥漿為工程泥漿的主要部分(楊凱,2020)。工程泥漿含水率較高,不便移動,往往在施工現(xiàn)場沉淀池中堆積,對施工現(xiàn)場安全性,設(shè)備進(jìn)出等都具有重要影響。因此對于工程泥漿的資源化利用已經(jīng)成為亟需解決的重要課題之一。

目前,國內(nèi)外資源化處理工程泥漿的主要方式是化學(xué)固化處理,水泥作為一種常見的膠凝材料備受青睞,諸多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的研究(鄭少輝等,2018; Zhang et al.,2020)。研究表明,當(dāng)水泥摻量一定時,水泥固化土強(qiáng)度會隨著土體初始含水率的升高而降低,這是因為初始含水率的增加使得固化土中單位體積內(nèi)水化膠凝產(chǎn)物數(shù)量減少,導(dǎo)致土體間難以形成高強(qiáng)度骨架來抵抗變形破壞。張春雷指出,水泥固化土強(qiáng)度與初始含水率之間呈冪指數(shù)關(guān)系下降(張春雷等,2010),即初始含水率的提高會極大降低水泥固化劑的固化效果。因此一些研究利用添加吸水材料降低含水率來提升固化效果。王東星等(2012)基于傳統(tǒng)水泥和石灰固化處理方法,提出了利用大摻量低鈣粉煤灰、水泥和石灰固化劑進(jìn)行淤泥固化處理的方法; 丁建文等(2010)通過添加磷石膏固化處理高含水率疏浚淤泥并且效果顯著。但是這些方式對土體中的水分消耗是有限的,固化成本上的改善也微乎其微。Bian et al.(2018)將高分子吸水樹脂(SAP)應(yīng)用于高含水率泥漿土資源化處理中,發(fā)現(xiàn)SAP顯著提高固化土的強(qiáng)度性狀,被證明可以作為高效處理高含水率泥漿土的外加劑之一。

然而,已有研究大多針對單一泥漿開展資源化試驗研究,實際工程中工程泥漿的性狀隨著地層的變化會有著顯著的改變,不同泥漿性狀對資源化處理后強(qiáng)度有著顯著影響。因此亟需探討不同土性對泥漿固化效率影響研究,從而實現(xiàn)工程泥漿高效處理。本文基于高分子吸水樹脂固化方法,研究了土體液限和高嶺土摻入對工程泥漿土固化強(qiáng)度影響規(guī)律,并探究其微觀機(jī)理。研究成果可以為實際工程中,提升高含水率泥漿土資源化利用效率提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與試樣制備

試驗所用土樣為南京地鐵S6號線麒麟門站盾構(gòu)泥漿土,取于地鐵開挖土沉淀池中。取回的土樣自然風(fēng)干后破碎并過2 mm篩從而保證試樣粒徑大小的均勻性。表1列出了各不同液限值盾構(gòu)泥漿土基本物理性質(zhì),其中土樣D是由土樣A添加40%高嶺土配置而成的。本文使用的水泥、石灰、高嶺土均購自惠灰實業(yè),水泥為42.5#普通硅酸鹽水泥,石灰為生石灰,含鈣90%以上。

表1 土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of soil

高分子吸水樹脂是一種含有羧基、羥基等強(qiáng)親水性基團(tuán)并具有一定交聯(lián)度的新型高分子材料。本文所用高分子吸水樹脂粒徑大小在30～60目之間,外觀為純白顆粒,該高分子吸水樹脂最大理論吸水率為400 g/g(g/g表示吸水質(zhì)量/SAP質(zhì)量)。

試樣制備: ①調(diào)節(jié)土樣初始含水率為2倍液限值,調(diào)節(jié)完成后使用攪拌器將泥漿土攪拌均勻。②將SAP顆粒分批、緩慢倒入并攪拌,攪拌完成后靜置5分鐘使SAP充分吸水。③將SAP與泥漿混合物和水泥石灰混合攪拌10 min以保證試樣的均勻性。④將水泥、石灰、泥漿、SAP混合體裝入直徑50 mm、高度100 mm、內(nèi)壁均勻涂抹油性脫模劑的圓柱形PVC模具中。⑤24 h后,拆除圓柱形PVC模具,將所有試樣分別用塑料膜包裹并在溫度為(20±2) ℃、相對濕度保持95%以上的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。本文先后進(jìn)行了固化土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和微觀試驗,具體試驗方案列于表2,方案中水泥和石灰的摻入量分別為12%和3%。

表2 試驗方案Table 2 Test plan

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用YSH-2型石灰土無側(cè)限壓力儀開展試驗。試驗時,應(yīng)變速率為1 mm/min,每組3個試樣,取其平均值作為該條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

掃描電子顯微鏡試驗中,首先對目標(biāo)試樣使用液氮進(jìn)行冷凍干燥,之后將觀測樣固定于承臺上進(jìn)行預(yù)抽真空以及正式抽真空并噴鍍60 s,最后放入掃描電子顯微鏡儀器中進(jìn)行相關(guān)試驗。

X射線衍射試驗則是在試樣冷凍干燥后使用研缽進(jìn)行研磨,研磨結(jié)束后使用酒精擦試干凈,試樣制備結(jié)束后便可開展相關(guān)試驗。微觀試驗均于南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化土強(qiáng)度性狀影響規(guī)律

2.1.1 液限對固化土強(qiáng)度影響規(guī)律

圖1a-d為各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨液限變化的影響,圖中Ap表示SAP摻量,qu表示固化泥漿土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從圖中可以看出隨著液限的上升,固化泥漿土強(qiáng)度逐漸降低。這是因為在初始含水比(w0/wL)相同情況下,液限越高,固化泥漿土的含水率越高,含水率的升高將導(dǎo)致孔隙比上升。然而水泥水化產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠只能起到膠結(jié)作用,并不能有效填充孔隙,無法彌補(bǔ)孔隙增大帶來的強(qiáng)度損失。因此,高分子吸水樹脂固化泥漿土隨著液限的升高,導(dǎo)致固化泥漿土孔隙比增大,從而使得固化泥漿土強(qiáng)度降低。

圖1 液限對強(qiáng)度增長的影響Fig.1 The influence of liquid limit on the growth of qu

此外圖1顯示,隨著液限增大,強(qiáng)度衰減趨勢更加顯著,并且齡期越長,影響越明顯。由于試驗中試樣擁有相同的含水比,隨著液限的上升,泥漿土內(nèi)部含水率增量Δw會呈液限增量ΔwL兩倍數(shù)值增長,導(dǎo)致固化泥漿土含水率快速上升,通常水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會隨著含水率的升高呈冪關(guān)系下降(楊小玲等,2020),因此隨著液限的增大,不同液限固化泥漿土之間的強(qiáng)度差也越大。

2.1.2 高嶺土對固化土強(qiáng)度影響規(guī)律

圖2a-d為各齡期高嶺土的摻入對固化泥漿土強(qiáng)度的影響。可以發(fā)現(xiàn)高嶺土的摻入有效提高了固化泥漿土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著齡期的增長,高嶺土對強(qiáng)度的增強(qiáng)作用也在不斷提升。這主要是由于高嶺土是不穩(wěn)定態(tài)的硅鋁化合物,在水泥、石灰所提供的堿性環(huán)境中,高嶺土中富含的大量活性成分(Al2O3、SiO2)會與水泥水化以及生石灰產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝產(chǎn)物,從而起到提升強(qiáng)度的作用。

圖2 高嶺土對強(qiáng)度增長的影響Fig.2 The influence of kaolin clay on the growth of qu

雖然高嶺土的摻入使得泥漿土的液限增大,但其強(qiáng)度并未隨著液限的增大而降低,其原因為高嶺土的加入為水化反應(yīng)提供更多的原材料,此時固化泥漿土的強(qiáng)度提升主要是由于更多的水化產(chǎn)物,形成了更強(qiáng)的膠結(jié)結(jié)構(gòu)。同時孔隙比增大對強(qiáng)度降低的影響則顯著弱于膠結(jié)強(qiáng)度的提升作用。

由圖2也可以看出SAP摻量對高嶺土強(qiáng)度提升產(chǎn)生積極影響,隨著SAP摻量的增大,高嶺土的摻入對強(qiáng)度提升更加明顯。這是因為SAP的高吸水率在一定程度上削弱了液限提高引起的強(qiáng)度降低,SAP吸水可以有效的降低孔隙比,填充孔隙,優(yōu)化土體內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而提升強(qiáng)度。

2.1.3 SAP對不同液限固化土強(qiáng)度的影響

隨著SAP摻量的增加,固化泥漿土強(qiáng)度顯著增加。這是由于SAP具有很強(qiáng)的吸水能力,可以吸附大量的孔隙水,吸水膨脹后的SAP填充了土體孔隙,使土體結(jié)構(gòu)更密實,強(qiáng)度隨之提高。這也與前人的研究結(jié)果一致(Bian et al.,2018)。由圖3可以看出隨著液限的增大,SAP摻量對于強(qiáng)度增強(qiáng)的效果逐漸削弱。這可以理解為液限的增大伴隨而來的是土體更多孔隙,而SAP的吸水量與可填充的孔隙量畢竟有限,因此導(dǎo)致隨著液限的增大,SAP對于強(qiáng)度的影響逐漸減少。

圖3 SAP摻量對強(qiáng)度增長的影響Fig.3 The influence of SAP content on on the growth of qu

圖3中顯示SAP的摻入對不同液限的固化泥漿土強(qiáng)度的補(bǔ)償作用,隨著液限增大而顯著降低。當(dāng)wL=43.2%時,添加10‰的SAP才能勉強(qiáng)達(dá)到wL=32.1%不加SAP時的強(qiáng)度; 當(dāng)wL=38.0%時,僅需添加1‰的SAP就已經(jīng)達(dá)到并超過wL=32.1%不加SAP時的強(qiáng)度。因此在實際工程中為了提升工程泥漿固化效率,可以摻入SAP消除液限增大產(chǎn)生的固化效率衰減的影響,但是隨著液限增大,達(dá)到相同固化效率所需SAP摻量也隨之增加。

2.2 高分子吸水樹脂固化泥漿土微觀機(jī)理

2.2.1 液限及SAP對固化泥漿土強(qiáng)度影響機(jī)理

圖4a、b展示了SAP摻量、液限對固化泥漿土X射線衍射結(jié)果的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn),液限、SAP對固化泥漿土主要礦物成分并沒有產(chǎn)生明顯的影響。除了石英、鈉長石、羥鐵云母等固有礦物成分,水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、氫氧化鈣等水化產(chǎn)物外,并沒有產(chǎn)生新的礦物成分。此外可以發(fā)現(xiàn)液限、SAP并不會對水化產(chǎn)物產(chǎn)生量帶來顯著變化,也表明不同液限泥漿土在相同摻量下的水化產(chǎn)物量,以及膠結(jié)強(qiáng)度基本保持不變,這也與已有文獻(xiàn)中結(jié)果一致(Bian et al.,2018)。

圖4 X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction pattern

圖5和圖6分別展示了wL=32.1%與wL=38.0%固化泥漿土掃描電子顯微鏡圖像。從圖5a和圖6a可以看出,固化泥漿土液限越低,孔隙越小,孔隙結(jié)構(gòu)越致密,同時基于XRD試驗結(jié)果表明水化產(chǎn)物量并未發(fā)生顯著變化。這也表明液限增大引起固化強(qiáng)度降低的主要原因是由于液限較大固化泥漿土由于孔隙增多,將會產(chǎn)生較為松散的微觀結(jié)構(gòu)(對比圖5b和圖6b),在相同水化產(chǎn)物膠結(jié)作用下,其強(qiáng)度隨之而降低。

圖5 掃描電子顯微鏡圖像(wL=32.1%,AP=0‰)Fig.5 Scanning electron microscope image of stabilized soil with (wL=32.1%,AP=0‰)

圖6 掃描電子顯微鏡圖像(wL=38.0%,AP=0‰)Fig.6 Scanning electron microscope image of stabilized soil with wL=38.0%,AP=0‰

圖7和圖8為wL=32.1%固化泥漿土在SAP摻量為0‰及10‰時的掃描電子顯微鏡圖像。對比圖7a和圖8a可以發(fā)現(xiàn),摻入10‰SAP的固化泥漿土內(nèi)部結(jié)構(gòu)明顯更加致密。這說明SAP使得固化泥漿土強(qiáng)度增大是因為其改善了土體的微觀結(jié)構(gòu),吸水后膨脹的SAP占據(jù)了土體團(tuán)聚體之間大孔隙,使得固化泥漿土整體結(jié)構(gòu)更加密實(對比圖7b和圖8b)。

圖7 SAP摻量為0‰固化土掃描電子顯微鏡圖像Fig.7 Scanning electron microscope image of stabilized soil with SAP content of 0‰

圖8 SAP摻量為10‰固化土掃描電子顯微鏡圖像Fig.8 Scanning electron microscope image of stabilized soil with SAP content of 10‰

2.2.2 高嶺土對固化泥漿土強(qiáng)度影響機(jī)理

圖9為高嶺土對固化泥漿土礦物成分的影響?？梢钥闯?高嶺土的摻入使得水化產(chǎn)物CSH和CAH的三峰強(qiáng)度得到顯著增強(qiáng),這說明高嶺土的摻入有效提高了固化泥漿土中的CSH和CAH等水化產(chǎn)物的產(chǎn)量。圖10a、b分別顯示了wL=32.1%以及摻入高嶺土的wL=61.4%固化泥漿土掃描電子顯微鏡圖片。從圖中可以看出,擁有更低液限的wL=32.1%固化泥漿土雖然更加致密,但是附著在泥漿土團(tuán)粒聚體表面的絮狀水化產(chǎn)物量明顯較少。同時,摻入高嶺土wL=61.4%固化泥漿中清晰可見的黏粒團(tuán)聚體表明有著大量的絮狀水化產(chǎn)物,這說明高嶺土提高固化泥漿土強(qiáng)度的作用機(jī)理與SAP不同,高嶺土的摻入增加了水化膠凝產(chǎn)物的生成,提高了固化泥漿土的膠結(jié)強(qiáng)度。此時固化泥漿土強(qiáng)度取決于水化產(chǎn)物形成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,而固化泥漿土由液限升高引起的內(nèi)部孔隙比增大對強(qiáng)度的影響則較小。因此高嶺土的摻入使得強(qiáng)度大幅度增大。

圖9 摻入與不摻高嶺土固化土X射線衍射圖Fig.9 X-ray diffraction pattern of stabilized soil with and without Kaolin clay

圖10 高嶺土的摻入對固化泥漿土微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.10 Influence of adding kaolin on the microstructure of stabilized soil

3 工程意義

根據(jù)本文室內(nèi)試驗得出的規(guī)律性質(zhì),可以用此結(jié)論指導(dǎo)現(xiàn)場工程泥漿的資源化利用。首先在工程現(xiàn)場可以通過調(diào)配工程泥漿土的液限,通過降低泥漿土的液限來提高固化效率。土體的液限與黏粒含量呈顯著正相關(guān),與砂粒含量呈明顯負(fù)相關(guān)。這說明在實際現(xiàn)場我們可以通過調(diào)配泥漿的粒徑分布,減少黏粒含量,增大砂粒含量以此來減小液限從而提升泥漿固化效率。其次在現(xiàn)場同樣可以向泥漿中加入高嶺土來提高泥漿土的固化強(qiáng)度,我國高嶺土資源豐富,利用高嶺土提高固化強(qiáng)度存在可行性。同時,諸如高嶺土尾礦的一些高嶺土基廢棄物長期廢置,不僅占用土地還會污染生態(tài),這些高嶺土基廢棄物與高嶺土性質(zhì)非常相似,可以代替高嶺土來處理廢棄泥漿土,這樣既提高了泥漿土的固化效率,也實現(xiàn)了高嶺土基廢棄物的資源化利用,實現(xiàn)“以廢制廢”的綠色環(huán)保理念。最后當(dāng)工程現(xiàn)場難以調(diào)配土體的液限或者高嶺土資源難以獲取或成本較高,可以摻入SAP來彌補(bǔ)固化強(qiáng)度效率隨著液限增大產(chǎn)生的損失,從而降低工程造價。

4 結(jié)論

(1)在固化劑摻量相同的條件下,工程泥漿的液限越大,固化強(qiáng)度越低。隨著液限的升高,其對強(qiáng)度衰減的影響越明顯。同時齡期越長,液限對于強(qiáng)度的影響更加劇烈。

(2)高嶺土的摻入使得泥漿土的液限增大,但其強(qiáng)度并未隨著液限的增大而降低,其原因為高嶺土的摻入顯著提高了水化產(chǎn)物摻量,此時固化泥漿土的強(qiáng)度提升主要受水化產(chǎn)物膠結(jié)作用的影響,而孔隙比對強(qiáng)度的影響次之。同時,齡期對于高嶺土摻入對強(qiáng)度的影響效果也很明顯,在同一高嶺土摻量下,固化泥漿土強(qiáng)度隨齡期增大而增大。

(3)SAP的摻入使得固化泥漿土的強(qiáng)度大大提高,這是因為吸水膨脹的SAP填充了土體孔隙,使得土體微觀結(jié)構(gòu)更加密實。隨著液限的增大,SAP摻量對于強(qiáng)度增強(qiáng)的效果逐漸削弱,這是由于SAP吸水后填充孔隙的效率隨著液限的增大而逐漸減小,從而引起SAP對固化效率提升作用隨著液限增大而降低。

(4)基于本文研究可以發(fā)現(xiàn)實際工程中可以通過調(diào)配工程泥漿土液限、摻入高嶺土系尾礦以及加入SAP等方式而提升固化效率,達(dá)到降低工程造價的目的。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No.52178328),and State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology (No.SKLGDUEK2114).