張賽 章劍青 尚石磊 丁建文 李耀宇 邱近哲張賽 章劍青 尚石磊 丁建文 李耀宇 邱近哲張賽 章劍青 尚石磊 丁建文 李耀宇 邱近哲

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2021.181

收稿日期：2021?07?21

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51978159）；“十二五”國家科技支撐計劃（2015BAB07B06）

作者簡介：張賽（1996-?），男，主要從事巖土工程研究，E-mail： 220193038@seu.edu.cn。

通信作者：丁建文（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail： jwding@seu.edu.cn。

Received： 2021?07?21

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 51978159）; National Science and Technology Support Project in “Twelfth Five-Year”?（No. 2015BAB07B06）

Author brief： ZHANG Sai （1996-?）， main research interest： geotechnical engineering， E-mail： 220193038@seu.edu.cn.

corresponding author：DING Jianwen （corresponding author），?professor，?doctorial supervisor，?E-mail：?jwding@seu.edu.cn.

（1. 東南大學(xué)?交通學(xué)院，南京?210096；?2. 江蘇華寧工程咨詢有限公司，南京?210002；?3. 中鐵十五局集團(tuán)城市建設(shè)工程有限公司，河南?洛陽?471002）

摘要：為實現(xiàn)基坑開挖廢棄粉土的資源化利用，研究了水泥、石灰改良長江漫灘粉土路基的工程力學(xué)特征及穩(wěn)定性。通過擊實試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、水穩(wěn)性試驗和微觀試驗，分析改良粉土的強(qiáng)度特性及耐久性變化規(guī)律，論證長江漫灘粉土作為路基填料的可行性。結(jié)果表明：摻加水泥、石灰后，土體力學(xué)性能得到大幅改善；不同摻量下浸水5 d，改良土的水穩(wěn)系數(shù)均大于0.6，水穩(wěn)系數(shù)隨水泥摻量的增加而增加，隨石灰摻量的增加先增大后減小。微觀試驗表明，水泥、石灰在土體中生成的膠凝物質(zhì)對土顆粒具有包裹和聯(lián)結(jié)作用。綜合考慮改良土的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，經(jīng)過改良后，長江漫灘粉土可以作為路基填料，建議水泥、石灰改良土的最佳組合配比為6%水泥+6%石灰，在此摻量下，改良土體的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.05 MPa，浸水5 d后的水穩(wěn)系數(shù)為0.76，具有較好的路用力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：長江漫灘；粉土改良；路基填料；力學(xué)性能；水穩(wěn)性；微觀機(jī)理

中圖分類號：TU447 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）03-0033-08

Laboratory investigation on solidified waste silt from Nanjing Yangtze river floodplain as subgrade filling

ZHANG Sai¹，?ZHANG Jianqing²，?SHANG Shilei³，?DING Jianwen¹，?LI Yaoyu³，?QIU Jinzhe¹

（1. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096. P. R. China；?2. Jiangsu Huaning Engineering Consulting Co.， Ltd.， Nanjing 210002， P. R. China；?3. China Railway 15th Bureau Group Urban Construction Co.， Ltd.， Luoyang 471002， Henan， P. R. China）

Abstract： To realize the utilization of silt waste from foundation pit excavation， the characteristics of engineering mechanics and stability of the Yangtze river floodplain silt subgrade solidified by cement and lime were investigated. A series of laboratory tests including compaction test， unconfined compressive strength test， water stability test and microscopic test were conducted to analyze the variation of strength and durability of lime-cement solidified silt. Feasibility of using soft soil of Yangtze River floodplain as subgrade filling is demonstrated. The results show that the mechanical properties of silt are greatly improved after addition of cement and lime; after soaking in water for 5 days with different content， the water stability coefficient of the solidified soil is greater than 0.6. The water stability coefficient increases with the increase of cement content， and increases first and then decreases with the lime content. Microscopic tests show that the cementitious substances generated by cement and lime in the soil can encapsulate and bond the soil particle. Considering the strength and water stability of the solidified soil， the Yangtze River floodplain silt can be used as subgrade filling after solidification and the optimum percentage of cement and lime was both 6%. Under this content， the unconfined compressive strength of the improved soil for 28d is 2.05 MPa， and the water stability coefficient after soaking in water for 5 days is 0.76， which shows that the improved soil has good mechanical performance.

Keywords： Yangtze River floodplain；?silt improvement；?subgrade filling；?mechanics characteristics；?water stability；?microscopic mechanism

粉土用作路基填料具有難壓實、強(qiáng)度低、易沖刷等特點^[1-3]，且毛細(xì)現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散，引起路基不均勻沉降，并伴隨道路開裂、車轍、水毀等災(zāi)害^[4-6]。因此，在使用粉土作為路基填料時，需探究其可行性，并探討經(jīng)濟(jì)合理的改性方法。南京橫江大道快速化改造項目位于南京市浦口區(qū)，沿線隸屬長江漫灘地貌單元，地層主要由粉土、粉細(xì)砂及部分黏土組成，具有軟弱性和富水性等特征^[7-8]，土體性質(zhì)較差。橫江大道明挖隧道基坑開挖產(chǎn)生了大量廢棄土方，工程中一般采用外運(yùn)或堆棄的方式進(jìn)行處理，導(dǎo)致大量土地資源被占用，同時大大增加了施工成本。如果能將棄置粉土應(yīng)用于路基填筑中，可以實現(xiàn)填挖平衡及棄方資源化利用，具有很高的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，工程上主要通過摻加無機(jī)結(jié)合料來穩(wěn)定粉土，提高其強(qiáng)度和水穩(wěn)性，保障其路用性能。最常用的無機(jī)結(jié)合料主要是水泥、石灰、粉煤灰等^[9-12]。另一方面，針對粉土固化，許多學(xué)者和生產(chǎn)廠家也對一系列新型固化劑展開了研究及開發(fā)，如無機(jī)化合物類、離子交換類、生物酶類、有機(jī)類固化劑等^[13]。無機(jī)化合物類固化劑主要通過自身水解水化生成膠結(jié)物質(zhì)提高土體強(qiáng)度；離子交換類固化劑主要通過促進(jìn)土壤水分與土顆粒間的電荷交換破壞土顆粒表面結(jié)合水膜，從而使土體具有更好的壓實性；生物酶類固化劑能夠?qū)崿F(xiàn)對土體中有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)的強(qiáng)力固化，形成致密結(jié)構(gòu)；有機(jī)類固化劑加入土壤后，可以發(fā)生聚合反應(yīng)生成大的有機(jī)分子鏈，起到膠結(jié)土體的作用^[14-15]。新型固化劑具有優(yōu)良的土體改性效果，但存在固化性能保持時間短等特點，如生物酶類固化劑保持時間僅為8 a，遠(yuǎn)低于水泥石灰30～50 a的保持時間^[16]，限制了其大規(guī)模工程應(yīng)用。而水泥和石灰獲取方便、施工快捷，有利于大規(guī)模的工程運(yùn)用推廣。

為實現(xiàn)廢棄粉土大規(guī)模資源化利用，選取傳統(tǒng)的無機(jī)結(jié)合料水泥及石灰對廢棄粉土進(jìn)行改良處理，并探討改良后粉土的力學(xué)性質(zhì)與路用性能。選用6組不同配比的水泥、石灰展開對比研究，基于室內(nèi)擊實試驗確定了最大干密度和最佳含水量，分析了不同固化劑配比下改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)性，并通過微觀試驗，探討了水泥、石灰改良粉土的機(jī)理?；谠囼灲Y(jié)果提出了水泥、石灰的最佳配比。

1 試驗材料與內(nèi)容

1.1 試驗材料

試驗用粉土取自南京市浦口區(qū)橫江大道項目現(xiàn)場，主要為基坑開挖廢棄土方，圖1是粉土的顆粒分布曲線，其物理性能指標(biāo)如表1所示?？梢钥闯鲈囼炗猛翞榈鸵合薹弁粒令w粒細(xì)小且均勻，級配較差。同時，土體含水率較高，粉土中可溶鹽溶解，宏觀表現(xiàn)為土顆粒間的黏聚力降低，土體力學(xué)性能較差^[17]。

選用P.O 32.5普通硅酸鹽水泥和生石灰，取自橫江大道施工現(xiàn)場，采用X射線熒光光譜分析得到其主要氧化物成分，如表2所示。

1.2 試驗內(nèi)容

首先進(jìn)行素土與單摻水泥條件下的擊實試驗，記為擊實試驗Ⅰ。將素土風(fēng)干并過2 mm篩，分別摻水11%、13%、15%、17%、19%，悶料后，根據(jù)設(shè)計配比加入0%、3%、6%、9%水泥拌和均勻，進(jìn)行擊實，試驗配比如表3所示；基于單摻水泥條件下的試驗結(jié)果，分析并確定最佳水泥摻量（最佳水泥摻量為6%）。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行水泥-石灰雙摻條件下的擊實試驗，記為擊實試驗Ⅱ。在土中分別摻加3%、6%、9%的石灰，形成3種石灰土，分別摻水11%、13%、15%、17%、19%，悶料后再摻加6%水泥均勻拌合，進(jìn)行擊實試驗，試驗配比如表4所示。

圖2為試樣的制備和養(yǎng)護(hù)?；趽魧嵲囼灤_定的最佳含水率和最大干密度，按照上述6個配比和方法備料，將計算好質(zhì)量的混合料倒入鋼模中，控制96%壓實度，利用千斤頂靜壓成型后脫模，制備直徑5 cm、高5 cm的圓柱體試樣，同一齡期每個配比制備6個平行樣。根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）分別養(yǎng)護(hù)7、14、21、28 d并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗，剔除誤差較大的結(jié)果（大于20%），取平均無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為試驗結(jié)果進(jìn)行分析。同時，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗后，取1 cm³大小的正方體土樣進(jìn)行電鏡掃描試驗，研究不同配比下改良土的微觀結(jié)構(gòu)。

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的試樣取出分別浸水1、3、5 d，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，比較不同配比改良土在不同浸水時間下的強(qiáng)度折損，評價改良粉土的水穩(wěn)性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擊實試驗

不同水泥摻量下改良土的最大干密度和最佳含水率如表5所示。由表5可以看出，摻加水泥后，改良土的最大干密度較素土均有所提高，最佳含水率有所降低，當(dāng)水泥摻量從0%增加到6%時，最大干密度隨之增大，最佳含水率隨之減小，隨著水泥摻量進(jìn)一步增加，改良土的最大干密度呈下降趨勢，最佳含水率有所上升。這是由于在拌和時過量水泥外層顆粒吸水膨脹成團(tuán)粒，包裹內(nèi)層水泥顆粒，阻止水分進(jìn)入內(nèi)部，從而形成較大團(tuán)粒，無法更好地填充孔隙，土體密實度降低、含水率增加。同時，團(tuán)粒的形成抑制水泥固化作用，導(dǎo)致生成物的膠結(jié)作用無法充分發(fā)揮^[18]?；诖耍x擇6%水泥摻量作為最佳水泥摻量，在6%水泥摻量的基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究石灰摻量對改良土的最大干密度和最佳含水率的影響。

不同石灰摻量下改良土的最大干密度和最佳含水率如表6所示。可以看出，土中摻入石灰并充分?jǐn)嚢韬螅翌w粒吸收水分發(fā)生反應(yīng)，其與水的生成物Ca（OH）₂具有一定膨脹性，使得土體的最大干密度和最佳含水率隨石灰摻量的增加略有降低，但最佳含水量的變化范圍在0.6%以內(nèi)，說明石灰的摻量對最佳含水率影響較小。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

圖3、圖4分別反映了不同水泥摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期下改良粉土強(qiáng)度的變化規(guī)律。由圖3可知，同一齡期下改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q_u隨著水泥摻量的增加線性增大。天然廢棄粉土的抗壓強(qiáng)度q_u為92 kPa，力學(xué)性質(zhì)較差，但摻加水泥改性后，其抗壓強(qiáng)度得到大幅提升。

根據(jù)圖4結(jié)果可知，同一水泥摻量下改良土q_u隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，其中改良土q_u強(qiáng)度在7 d到14 d增長迅速，說明水泥早期強(qiáng)度較高，可有效保證改良粉土填筑路基快速達(dá)到工程的預(yù)期效果。同時由于前期部分水泥與水反應(yīng)形成團(tuán)粒，延滯了水化反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致前期強(qiáng)度未能完全發(fā)揮，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，水化反應(yīng)持續(xù)發(fā)生，生成更多凝膠物質(zhì)，填充了土體間的孔隙，結(jié)構(gòu)變得更加密實，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長并逐步趨于穩(wěn)定。

圖5、圖6分別反映了不同石灰摻量下（水泥摻量均為6%）改良粉土的強(qiáng)度變化規(guī)律和不同養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度的變化規(guī)律。圖5表明，摻加石灰可以提高水泥改良土的強(qiáng)度，同一養(yǎng)護(hù)齡期下，當(dāng)石灰摻量不超過6%時，改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q_u隨石灰摻量的增加而增大，但摻量超過6%以后，改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q_u卻呈下降趨勢。主要原因有兩點：一方面，結(jié)合擊實試驗結(jié)果可以看出，石灰具有一定的膨脹性，當(dāng)摻量大于一定比例后，會導(dǎo)致土體密實程度降低；另一方面，石灰的膨脹作用破壞已有的膠結(jié)體，導(dǎo)致改良土強(qiáng)度降低?；谏鲜鰞牲c，過量的石灰摻量對改良土的力學(xué)性質(zhì)具有負(fù)面作用。從圖6中可以看出，同一石灰摻量的改良土，q_u隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，其增長規(guī)律與單摻水泥時一致。

2.3 水穩(wěn)性試驗

水穩(wěn)性表示土樣在浸水條件下保持自身原有性能的能力，常采用水穩(wěn)系數(shù)K來衡量。其中，水穩(wěn)系數(shù)K代表浸水試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值。筆者主要探討試樣養(yǎng)護(hù)28 d后浸水1、3、5 d的水穩(wěn)性。圖7為素土與改良粉土試樣浸水后的狀態(tài)，素土試樣浸水10～20 min后開始從邊緣向中間出現(xiàn)裂紋，土樣上方有少許氣泡不斷冒出，隨后土樣持續(xù)崩解堆積在容器底部；而改良土試樣的外觀則非常完整，表明天然粉土的抗崩解能力較差，加入水泥、石灰進(jìn)行改良處理后，其抗崩解能力得到了顯著提升，水穩(wěn)性明顯增強(qiáng)。

各配比條件下改良土的水穩(wěn)性試驗結(jié)果如圖8和表7所示。圖8表明，改良土在浸水后均發(fā)生強(qiáng)度損失，隨著浸水時長的增加，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q_u顯著降低，結(jié)合表7中水穩(wěn)系數(shù)和強(qiáng)度損失試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，浸水5 d后，改良土的水穩(wěn)系數(shù)均大于0.6。單摻水泥時水穩(wěn)系數(shù)隨水泥摻量的增加而增大；而水泥和石灰共同摻入時，改良土試樣的水穩(wěn)性隨石灰摻量的增加先增大后減小，且變化較為顯著，說明水泥的摻入可以有效提高土體的水穩(wěn)性，而石灰摻量對土體水穩(wěn)性的影響較大，存在最佳摻量。對比強(qiáng)度損失可知，9%水泥摻量和6%水泥+6%石灰摻量的試樣強(qiáng)度損失在25%以下，水穩(wěn)性較好，其中6%水泥+6%石灰摻量下試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q_u更高，達(dá)到了2.05 MPa，具有更好的工程特性。

3 石灰-水泥改良機(jī)理

為進(jìn)一步闡述水泥、石灰改良粉土的微觀機(jī)理，對28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的改良土進(jìn)行SEM分析。圖9為素土和改良土的微觀結(jié)構(gòu)圖片。由圖9（a）可以看出，素土顆粒具有較為明顯的棱角和邊界，土顆粒之間存在較大孔隙，導(dǎo)致顆粒間相互聯(lián)結(jié)較差，貫通裂隙發(fā)育，水分滲透快，宏觀上表現(xiàn)為素土低抗壓強(qiáng)度、低水穩(wěn)性的工程特性。當(dāng)摻入少量水泥后（圖9（b）），土體孔隙得到一定的填充，土顆粒被一層膠凝物質(zhì)包裹，棱角和邊界變得模糊，顆粒間存在一定的聯(lián)結(jié)。6%水泥摻量下（圖9（c））改良土的微觀結(jié)構(gòu)致密程度較素土有了明顯變化，孔隙得到了充分的填充，顆粒被更多的膠凝物質(zhì)包裹并相互聯(lián)結(jié)，小顆粒間聚集成較大的團(tuán)聚體，土體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定^[19]。加入石灰后，土體進(jìn)一步密實，對比圖9（g）、（h），膠凝物質(zhì)主要為板狀C-S-H和針狀C-S-H（C-S-H為水化硅酸鈣）^[20-21]，且摻入石灰后膠凝物質(zhì)增多，土顆粒被更好地包裹。但是，對比圖9（e）、（f），石灰摻量從6%增加至9%時，土體孔隙增多，說明過量石灰在拌和時出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，形成大顆粒，無法對孔隙進(jìn)行很好的填充，導(dǎo)致土體密實度降低，這也解釋了石灰摻量從6%增加至9%后土體強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。總體而言，水泥、石灰改良土的微觀結(jié)構(gòu)變化與其宏觀物理力學(xué)性質(zhì)變化相對應(yīng)。

根據(jù)水泥、石灰具有的化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)果分析，其在土體中主要發(fā)生水解水化反應(yīng)、凝硬反應(yīng)、結(jié)晶作用，其微觀機(jī)理示意圖如圖10所示。圖中，素土由土、水、空氣三相組成，顆粒間孔隙較大。水泥、石灰摻入后與水反應(yīng)，吸收水分并電離產(chǎn)生Ca²⁺、Mg²⁺，置換出土顆粒吸附的Na⁺、K⁺并產(chǎn)生絮凝，使得土體雙電層水膜減薄，土顆粒相互嵌擠密實^[22-23]；石灰與水發(fā)生反應(yīng)生成Ca（OH）₂和Mg（OH）₂，為水泥水解水化提供了堿性條件^[24]，水泥在堿性環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)形成C-S-H膠凝體，在氫鍵和離子鍵的作用下包裹粉土顆粒并提升粉土顆粒之間的聯(lián)結(jié)，最終逐步凝結(jié)硬化形成致密、穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。同時，膠凝物質(zhì)具有憎水作用，可以填充粉土間的孔隙，減少貫通孔，阻礙水對土體的進(jìn)一步浸潤，有效地保證了土體的水穩(wěn)性。

反應(yīng)后期，石灰在消化后與空氣中的CO₂反應(yīng)生成CaCO₃和MgCO₃^[25-26]，生成物具有微結(jié)晶性，可以進(jìn)一步提高土體強(qiáng)度和水穩(wěn)性。但是由于空氣中的CO₂含量較低，加之改良后土體致密，孔隙較少，與外部的CaCO₃和MgCO₃晶體共同阻止空氣、水分進(jìn)入內(nèi)部土體，導(dǎo)致碳化過程較漫長，結(jié)晶大多在表面^[27]。

4 結(jié)論

以南京橫江大道明挖隧道基坑開挖產(chǎn)生的廢棄粉土為研究對象，開展了室內(nèi)試驗，論證水泥、石灰改良粉土用作路基的可行性。主要結(jié)論如下：

1）同一養(yǎng)護(hù)齡期，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增大；隨石灰摻量的增加先增大后減小并在6%石灰摻量時達(dá)到最大值。

2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d并浸水5 d后，改良土的水穩(wěn)系數(shù)均大于0.6。單摻水泥條件下水穩(wěn)系數(shù)隨水泥摻量的增加而增大；水泥-石灰雙摻時，改良土試樣的水穩(wěn)性隨石灰摻量的增加先增大后減小且變化明顯，最佳石灰摻量為6%。

3）水泥、石灰在土中與水反應(yīng)，雙電層水膜減薄、產(chǎn)生具有較強(qiáng)膠結(jié)能力的膠凝物質(zhì)，起到膠結(jié)土體、填充孔隙的作用，形成致密、穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)，并與外部碳化形成的結(jié)晶層共同作用，阻止水分進(jìn)入土體，增強(qiáng)了改良土的水穩(wěn)性。

4）改良長江漫灘粉土最佳摻量為6%水泥+6%石灰，其28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.05 MPa，浸水5 d后的水穩(wěn)系數(shù)為0.76，建議實際施工中可按此配比并嚴(yán)格控制含水率和壓實度，以實現(xiàn)長江漫灘廢棄粉土的資源化利用。

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（編輯??王秀玲）