王新岐

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市300051）

泥漿固化輕質(zhì)土應(yīng)用技術(shù)研究與展望

王新岐

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市300051）

針對工程中大量廢棄泥漿、廢棄淤泥、廢棄污泥、廢棄尾礦泥等泥狀物以及軟土、紅黏土、濕陷性黃土、膨脹土、鹽漬土等特殊土壤就地利用問題，提出將這些廢棄泥狀物或特殊土壤制備為泥漿，通過摻加環(huán)保型固化材料、發(fā)泡劑，使其改良為輕質(zhì)（比水輕）、高強（較水泥土強）、穩(wěn)定（水穩(wěn)性好）的環(huán)保型工程材料——固化輕質(zhì)土，并通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度、水穩(wěn)性、干濕循環(huán)、抗疲勞、抗凍融循環(huán)等試驗，驗證固化輕質(zhì)土優(yōu)良的工程性能，在此基礎(chǔ)上提出該項技術(shù)在未來工程中的應(yīng)用前景。

固化輕質(zhì)土；泥漿；淤泥；GURS固化劑；GURS發(fā)泡劑；廢棄泥土固化

1　概述

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市建設(shè)與土地、資源、能源、環(huán)境之間的矛盾越來越明顯，以泥漿、淤泥、污泥、尾礦泥為代表的泥狀物占用土地，造成土壤水體的嚴重污染，如水利工程、航運工程和水環(huán)境治理工程不可避免遇到的粥狀、流塑狀淤泥；污水處理廠產(chǎn)生數(shù)萬噸的污泥；巖土工程地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、非開挖水平定向鉆孔、泥水平衡式頂管、泥水加壓式盾構(gòu)必然產(chǎn)生的泥漿；石油鉆井開采的地下泥水混合物；礦業(yè)工程水法選礦或洗礦作業(yè)產(chǎn)生的高含水率和流塑狀尾礦泥。這些泥狀物污染我們賴以生存的自然環(huán)境，已經(jīng)成為國家和社會重點關(guān)注的問題，如何對其進行處理將逐步成為生產(chǎn)、生活中難以回避的恒常工作，尋求解決的技術(shù)途徑已迫在眉睫。

土壤是工程材料重要的組成部分，然而土壤的三相性（土顆粒、空氣、水）及其原生、次生礦物的不同，決定土壤在自然環(huán)境下表現(xiàn)出多變的性質(zhì)，如遇水膨脹、失水收縮、干燥開裂、下雨沉陷等，也決定了自然界可直接利用為工程材料的土很少，出現(xiàn)了軟土、濕黏土、膨脹土、濕陷性黃土、紅黏土、鹽漬土、有機質(zhì)土、高液限土等。這些特殊土壤如何處置，需要尋求新的途徑，以實現(xiàn)特殊土壤就地改良。

基于以上目的，本文充分利用含水量較高土、淤泥、泥漿、特殊土壤（軟土、濕粘土、膨脹土、濕陷性黃土、紅黏土、鹽漬土、有機質(zhì)土、高液限土等）均可制備為最佳攪拌狀態(tài)下泥漿的特點，通過摻加環(huán)保型固化材料、發(fā)泡劑，將這些廢棄泥狀物、廢棄特殊土壤固化改良為輕質(zhì)（比水輕）、高強（較水泥土強）、穩(wěn)定（水穩(wěn)性好）的環(huán)保型工程材料——泥漿固化輕質(zhì)土，以實現(xiàn)對廢棄工程土、廢棄泥漿、廢棄淤泥、廢棄特殊土壤的固化改良，減少對土、碎石、石灰、水泥等傳統(tǒng)材料的使用。

2　固化輕質(zhì)土技術(shù)的提出

工程中常常需要填筑重量盡可能輕的材料，即輕質(zhì)材料，這種人工制作的材料表觀密度比一般土體小，而強度和變形特性可以達到甚至超過良好土體?；诖朔N思想，本文以臺灣產(chǎn)水硬性材料——GURS-501固化劑對泥漿進行固化，利用發(fā)泡劑發(fā)泡技術(shù)，用物理方法將GURS-1000發(fā)泡劑水溶液制備為泡沫，與摻加少量水硬性材料GURS-501固化劑的泥漿按照一定的比例混合攪拌，經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成輕質(zhì)材料——固化輕質(zhì)土，并通過試驗證明這種技術(shù)能實現(xiàn)廢棄物再生利用為輕質(zhì)、高強、高流動、節(jié)能（摻加60%～70%泡沫）、耐久材料的目的。固化輕質(zhì)土制備工藝如圖1所示。

由圖1可看出，利用泥漿制備固化輕質(zhì)土，應(yīng)滿足如下條件：（1）形成過程應(yīng)有較好的流動性、易攪拌均勻——需將土制備為泥漿；（2）高含水量泥漿固化后強度應(yīng)大于一般土體強度——需摻加能將泥漿固化為高強材料的固化劑；（3）容重應(yīng)盡可能?。ū人。獞?yīng)摻加一定的氣泡。

圖1　固化輕質(zhì)土制備工藝示意圖

2.1泥固化作用機理研究及系列固化劑研發(fā)

傳統(tǒng)改良土壤技術(shù)具有所處理土含水量不能過高、能通過機械壓實達到最佳密實狀態(tài)、能通過晾曬達到最佳含水狀態(tài)等特點，這對于處治軟塑狀態(tài)土（塑性指數(shù)0.75～1）、流塑狀態(tài)淤泥（塑性指數(shù)大于1）和流動狀態(tài)泥漿來說無能為力，為此臺灣世盟國際股份有限公司（臺灣）研發(fā)了能將泥狀物中的土顆粒作為微骨材凝結(jié)，將泥漿中的水水化的水硬性凝結(jié)硬化材料——GURS系列固化劑。這種固化劑通過三大過程（與泥漿攪拌共融階段，水化、交換、吸附、活化反應(yīng)階段，凝結(jié)硬化排斥階段）、五大反應(yīng)（水化、火山灰反應(yīng)、置換水反應(yīng)、離子交換作用、土顆粒吸附作用、固化劑與土顆粒間的活性反應(yīng)），可使含水量高達50%～200%（主要為自由水），土顆粒細度達2～75 um，泥狀物中的水、土顆粒充分凝結(jié)硬化進而形成穩(wěn)定、密實的結(jié)構(gòu)，也為固化改良軟塑土、淤泥、泥漿等泥狀物提供了技術(shù)保證。

2.2固化輕質(zhì)土輕質(zhì)性實現(xiàn)及系列發(fā)泡劑研發(fā)

為了實現(xiàn)制備固化輕質(zhì)土的第3個條件，需對國內(nèi)外發(fā)泡技術(shù)進行研究。表1所示為常用發(fā)泡劑的特性。

表1　常見發(fā)泡劑的特性

一般情況下泡沫劑需要摻和穩(wěn)泡劑來提高其穩(wěn)定性，而當濃度不同或加入不同種類的穩(wěn)泡劑時，其發(fā)泡倍數(shù)和穩(wěn)泡性能也不同（見表2）。

表2　常見穩(wěn)泡劑性能

在總結(jié)國內(nèi)外發(fā)泡劑研究成果的基礎(chǔ)上，臺灣世盟國際股份有限公司（臺灣）研發(fā)了GURS-1000、GURS-2000、GURS-3000發(fā)泡劑。為了驗證GURS-1000發(fā)泡劑的發(fā)泡效果，先對其進行發(fā)泡，然后靜止觀察其效果（見圖2），可看出15：20發(fā)泡開始，一直靜止放置到18：20，共3 h，泡沫幾乎未發(fā)生變化（未消泡），一直放置到20：20才觀察到少量的消泡。這與一般發(fā)泡劑30 m i n內(nèi)標準泡沫泌水率（30 m i n消泡量）達到20%～25%相比，GURS-1000發(fā)泡劑有更長的穩(wěn)泡時間，滿足了發(fā)泡劑與泥漿充分攪拌均勻所需要的時間，且在固化劑凝結(jié)硬化泥漿時不消泡。

圖2　GURS-1000發(fā)泡劑消泡觀察試驗

2.3固化輕質(zhì)土制備

具備了高性能的發(fā)泡劑，利用GURS固化劑強烈的固化泥漿效果，即可制備固化輕質(zhì)土，如圖3所示，可以看出采用GURS系列固化劑、GURS-1000發(fā)泡劑可實現(xiàn)固化輕質(zhì)土的制備，且放大觀察可看出具有均勻的氣泡。

圖3　固化輕質(zhì)土制備過程

3　固化輕質(zhì)土試驗研究及特性分析

3.1固化輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度

大量室內(nèi)試驗結(jié)果表明，各種淤泥制備泥漿形成的固化輕質(zhì)土7 d無側(cè)限抗壓強度相差不大，當固化劑摻量在85～175 kg之間時，7 d無側(cè)限抗壓強度在0.1～0.5 M Pa之間，當固化劑摻量大于200 kg時，7 d無側(cè)限抗壓強度在0.6～1.4 M Pa，已達到公路底基層的強度要求。

隨著固化劑摻量的增加強度逐漸增加，對于工程填料（管道回填等）可選用固化劑摻量85～150 kg，對于道路結(jié)構(gòu)層可選用固化劑摻量200～300 kg。

固化輕質(zhì)土28 d無側(cè)限抗壓強度較7 d無側(cè)限抗壓強度有較大的提高，變化在0.3～2.4 M Pa之間，增加至7 d無側(cè)限抗壓強度的1.5～2.2倍（需要注意固化劑摻量150 kg以下提高倍數(shù)較大）。

與7 d無側(cè)限抗壓強度規(guī)律相同，隨著固化劑摻量的增加強度逐漸增加，當固化劑摻量較少時（小于150 kg），無側(cè)限抗壓強度隨固化劑摻量增加而增加的速率較小，而當固化劑摻量大于150 kg時，隨著固化劑摻量的增加，固化土強度增加較明顯。

圖4為不同淤泥固化輕質(zhì)土28天無側(cè)限抗壓強度曲線。

圖4　不同淤泥固化輕質(zhì)土28 d無側(cè)限抗壓強度曲線

固化輕質(zhì)土強度在不同固化劑摻量下均隨著齡期的延長而增加，28 d較7 d無側(cè)限抗壓強度有較大的提高（1.5倍以上），后期強度雖有提高，但趨于放緩，在齡期達到60 d時，強度依然有所增長，60 d較28 d提高1.1～1.2倍，90 d較60 d提高1.1倍以上，說明固化輕質(zhì)土后期強度較高，這對于工程耐久性的提高具有重要的意義。圖5為固化輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度隨齡期變化曲線。

3.2固化輕質(zhì)土容重

固化輕質(zhì)土氣泡率達60%，容重變化范圍在600～900 kg/m3之間，較水容重（1000 kg/m3）減小10%～40%，較土容重（2 000 kg/m3）減小55%～ 70%，工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)強度、容重需要進行配合比設(shè)計。圖6為不同淤泥固化輕質(zhì)土容重變化范圍曲線。

圖5　固化輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度隨齡期變化曲線

圖6　不同淤泥固化輕質(zhì)土容重變化范圍曲線

3.3固化輕質(zhì)土水穩(wěn)性

固化輕質(zhì)土在不同浸泡條件下強度有所衰減，但變化不大，強度變化率僅為2%～4%，這與一般水泥或石灰穩(wěn)定土相比（一般為10%～15%）小得多，說明固化輕質(zhì)土有較好的水穩(wěn)性能；固化輕質(zhì)土在不同浸泡條件下水穩(wěn)系數(shù)均在0.9以上，且隨著養(yǎng)護時間的增加，水穩(wěn)系數(shù)逐步趨于穩(wěn)定，9d浸泡后強度損失僅在6%～12%之間，大大小于水泥或石灰穩(wěn)定土浸泡后的強度損失率，較水泥、石灰、粉煤灰有較好的水穩(wěn)性能。圖7為固化輕質(zhì)土養(yǎng)護28 d后在不同浸泡條件下強度變化曲線。

圖7　固化輕質(zhì)土養(yǎng)護28 d后在不同浸泡條件下強度變化曲線

3.4固化輕質(zhì)土干濕循環(huán)

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化輕質(zhì)土在7 d養(yǎng)護條件下強度降低明顯（降低量大約為10%～20%），但隨著養(yǎng)護齡期的增加，在不同干濕循環(huán)次數(shù)下強度損失較小，一般在8%～12%，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件的強度趨于穩(wěn)定，說明固化輕質(zhì)土強度形成后（28 d）具有很高的抵抗干濕循環(huán)的性能，耐久性良好。圖8為固化輕質(zhì)土養(yǎng)護28 d不同干濕循環(huán)次數(shù)下強度變化曲線。

圖8　固化輕質(zhì)土養(yǎng)護28 d不同干濕循環(huán)次數(shù)下強度變化曲線

3.5固化輕質(zhì)土干縮、溫縮性

固化輕質(zhì)土的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)很小，最大干縮應(yīng)變2 000×10-6、最大干縮系數(shù)990×10-6，遠遠小于水泥、石灰等傳統(tǒng)無機結(jié)合料固化土干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)，在養(yǎng)護前期隨著時間的推移逐漸增大，但當達到養(yǎng)護期7 d后干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)基本穩(wěn)定，不發(fā)生大的變化，這與水泥、石灰等無機結(jié)合料穩(wěn)定土隨著齡期的增加干縮應(yīng)變逐步增加有顯著不同，說明這種材料有很好的抗干縮應(yīng)變能力。圖9為固化輕質(zhì)土干縮應(yīng)變變化曲線。

圖9　固化輕質(zhì)土干縮應(yīng)變變化曲線

固化輕質(zhì)土溫縮系數(shù)變化在100～1 210之間，較水泥穩(wěn)定碎石等半剛性材料溫縮系數(shù)小很多（變化在500～1 800之間），具有良好的抗溫縮性能。圖10為固化輕質(zhì)土溫縮變化曲線。

圖10　固化輕質(zhì)土溫縮變化曲線

3.6固化輕質(zhì)土抗凍融性能

經(jīng)過凍融循環(huán)后固化輕質(zhì)土試件強度均有所降低，在第1周期下降比較明顯，然后趨于平緩，試驗過程中，未發(fā)現(xiàn)試塊表面有破壞現(xiàn)象，說明固化輕質(zhì)土的抗凍融性能較好。

GU-250、GU-300在養(yǎng)生90 d后經(jīng)過多次凍融循環(huán)強度未有大的變化，說明隨著固化劑摻量的增加，后期強度的逐步形成，固化輕質(zhì)土抗凍融性能大大提高，工程使用中可根據(jù)抗凍融性能的不同采用不同配比的固化輕質(zhì)土及養(yǎng)護時間。圖11為固化輕質(zhì)土養(yǎng)護28 d后不同凍融次數(shù)下的強度變化曲線。

圖11　固化輕質(zhì)土養(yǎng)護28d后不同凍融次數(shù)下的強度變化曲線

3.7固化輕質(zhì)土抗流變性能

與軟土流變曲線相比，固化輕質(zhì)土流變曲線前期變形稍有增加（前期變形是因為輕質(zhì)土孔隙具有柔韌性，當軸向壓力增加后產(chǎn)生少量變形，結(jié)構(gòu)稍微調(diào)整，但到一定程度后保持不變），但隨著齡期的增加趨于穩(wěn)定，這與軟土流變前期變形較大、并隨著時間的增長變形一直增加有顯著不同，說明固化輕質(zhì)土具有較好的抗變形能力。圖12為固化輕質(zhì)土28 d蠕變曲線。

圖12　固化輕質(zhì)土28 d蠕變曲線

3.8固化輕質(zhì)土抗疲勞性能

固化輕質(zhì)土隨著循環(huán)荷載振次的增加有少許疲勞軟化，導(dǎo)致變形，但變形量較小，后期基本穩(wěn)定。按照95%以上的保證率擬合得到三種固化輕質(zhì)土的疲勞預(yù)測公式，即對于強度稍弱的GU-200疲勞預(yù)測公式Y(jié)=a-b×log（x+c）（其中a= -0.154 7，b=-0.072 4，c=7.697 28）進行預(yù)測，抗疲勞次數(shù) N≈1021次，而此時的保證率為99.899%，滿足規(guī)范要求。在循環(huán)荷載過程中，隨著循環(huán)荷載的作用時間增長，固化輕質(zhì)土動彈模量略微變小，中后期基本趨于穩(wěn)定，說明固化輕質(zhì)土在長期循環(huán)荷載作用下，抗疲勞能力較強，不易發(fā)生破壞。 圖13為固化輕質(zhì)土循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖13　固化輕質(zhì)土循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3.9固化輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)分析

固化輕質(zhì)土內(nèi)部存在大量大小均勻密布的孔隙，大孔隙孔隙率達60%～70%，在大孔隙壁上密布0.5～8 μm的小孔隙，小孔隙孔隙率達10%，使得固化輕質(zhì)土總孔隙率在70%～80%。

雖然固化輕質(zhì)土有較高的孔隙率，但由于大孔隙之間以及小孔隙之間存在大量纖維（這是因為輕質(zhì)土在發(fā)泡過程中，壁厚較厚的氣泡對泥漿進行拉伸，在拉伸過程中固化劑強烈的固化能力使這種拉升迅速固化），使這些孔隙很難貫通，卻能保證大孔隙透水，而小孔隙由于孔徑更小、水分子難以通過，可使空氣順利通過，說明固化輕質(zhì)土是一種既透水、又透氣的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，將在未來海綿城市開發(fā)中得以應(yīng)用。圖14為固化輕質(zhì)土的截面SEM照片下的纖維狀物。

圖14　固化輕質(zhì)土的截面SEM照片下的纖維狀物

4　結(jié)論及展望

GURS固化劑對含水量較高的軟塑土、淤泥、泥漿具有良好的固化效果，能使已往廢棄的淤泥、泥漿、廢棄的特殊土壤（濕陷性黃土、紅粘土、軟土、鹽漬土、膨脹土等）泥土改良為高強、穩(wěn)定、耐久的材料，而由固化技術(shù)、發(fā)泡技術(shù)衍生的固化輕質(zhì)土技術(shù)使淤泥、泥漿、特殊土壤等廢棄泥土改良為輕質(zhì)材料成為可能，實現(xiàn)了土壤改良、泥土固化改良技術(shù)新的突破，將在公路、鐵路、建筑、管道、水利、環(huán)保等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

（1）利用固化輕質(zhì)土填筑路基，減輕填土荷載，替代公路、鐵路高填土深層樁處理，節(jié)省造價，避免對土地的污染。

（2）利用固化輕質(zhì)土填筑橋頭路基，減輕填土荷載消除橋頭路基與橋梁之間的沉降差，消除橋頭跳車，節(jié)省造價。

（3）固化輕質(zhì)土輕質(zhì)性可有效消除新建地下隧道或既有地下管線上覆多余荷載，確保隧道或管線使用安全。

（4）固化輕質(zhì)土填筑橋頭路基，減少橋梁長度。

（5）固化輕質(zhì)土應(yīng)用道路、鐵路加寬填筑，消除新舊路之間不均勻沉降，節(jié)省占地，確保行車安全。

（6）應(yīng)用海綿城市鋪裝基礎(chǔ)，長期浸水強度不衰減，透水、透氣，實現(xiàn)城市吸水、蓄水、滲水、凈水功能。

（7）利用固化輕質(zhì)土高流動性、可在狹小空間內(nèi)充填施工、不需機械碾壓施工、無需震搗等優(yōu)點，填筑建筑空隙、舊路橋頭搭板下的空洞及地下管道工程的周邊空隙，解決無法壓實的難題，無空洞。

（8）利用固化輕質(zhì)土流動性好、用水率低、節(jié)省原材料等特點，應(yīng)用于礦坑、采空區(qū)、溶洞回填，密實，無污染、無空洞，實現(xiàn)礦山采場低成本、低污染、高接頂率、高安全性的功能。

（9）利用固化輕質(zhì)土高流動性注入砌體和開挖之間空隙處，避免襯砌體發(fā)生變形、滲漏、開裂、塌陷等破壞。避免注漿無法飽滿、隧道頂部會不同程度地出現(xiàn)空洞、積水現(xiàn)象的發(fā)生；避免隧道襯砌體受力失衡；減小空洞處圍巖的變形、風化及脫落加劇等。

（10）利用固化輕質(zhì)土輕質(zhì)性，應(yīng)用于地形條件復(fù)雜的陡峭及急轉(zhuǎn)彎地段填筑，避免高挖穩(wěn)定性問題并保護環(huán)境不受破壞，減少支擋防護，減少占地，增加穩(wěn)定性。

（11）固化輕質(zhì)土應(yīng)用于狹窄部位填筑，避免壓實度達不到要求，例如港灣式停車帶限制地域處回填加寬，避免拆遷，節(jié)省土地。

（12）后發(fā)泡技術(shù)可應(yīng)用于需要設(shè)定高度的工程填筑，節(jié)省材料，降低造價。

表3　管廊路徑適建性評價體系評估等級劃分標準

5　結(jié)語

綜合管廊路徑適建性評價是綜合管廊規(guī)劃設(shè)計的重要工作之一，管廊系統(tǒng)布局規(guī)劃設(shè)計需不斷優(yōu)化調(diào)整，逐步完善，在綜合管廊系統(tǒng)布局滿足城市近遠期發(fā)展需要的前提下，對管廊路徑選擇進行科學(xué)的評估判斷，以此指導(dǎo)管廊系統(tǒng)布局的優(yōu)化，制定合理的管廊實施計劃。本文對管廊路徑適建性評價體系進行了研究，制定了相應(yīng)的評估體系和方法。由于評價指數(shù)取值和各層級權(quán)重取值具有一定的主觀性，對評估體系的準確性會產(chǎn)生一定的影響，應(yīng)用本體系評估時，應(yīng)結(jié)合各城市自身特點進行必要的調(diào)整和完善。

U414

A

1009-7716（2016）09-0069-06

為實現(xiàn)以上三個條件，需要尋求固化泥漿的固化劑和性能良好的發(fā)泡劑。

2016-06-18

王新岐（1968-），男，陜西安塞人，教授級高級工程師，院道路專業(yè)總工程師，從事道路橋梁設(shè)計研究工作。