王振宇，陽軍生，王星華

土壓平衡盾構(gòu)廢棄渣土固結(jié)物強度增長特性研究

王振宇，陽軍生，王星華

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

針對某市地鐵3號線施工現(xiàn)場2種不同的土樣，通過室內(nèi)強度測試研究不同固化劑單獨與混合添加時對這些廢棄渣土固結(jié)物強度的影響。對于所添加的5種固化劑，其對廢棄渣土固結(jié)物28 d強度都有著隨固化劑摻量增加而呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，都存在一個最佳摻量。對于黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物，固化劑的影響程度依次排序為：硫酸鈣＞氫氧化鈣＞氧化鈣＞ZY-1＞碳酸鈣；而對于砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物，固化劑影響程度依次排序為：氫氧化鈣＞硫酸鈣＞氧化鈣＞碳酸鈣＞ZY-1，這2類廢棄渣土固化劑的最佳比是不相同的，砂質(zhì)渣土固結(jié)物的強度(3.45 MPa)遠遠大于黏質(zhì)渣土的(1.11 MPa)。

土壓平衡盾構(gòu)；抗壓強度；固化劑；固化；廢棄渣土

在城市中心地區(qū)修建地鐵隧道，盾構(gòu)法施工是保證施工安全、提高施工進度的有效方法之一[1?3]，如何安全、環(huán)保、有效地處理土壓平衡盾構(gòu)施工過程中所產(chǎn)生的大量黏稠廢棄渣土，是工程界關(guān)注的重點之一[4]，隨著人們環(huán)保意識的加強，這些廢棄泥漿的處理就成為盾構(gòu)施工的關(guān)鍵[1]。應(yīng)用固結(jié)的方法將這些廢棄渣土加工成建材產(chǎn)品是目前比較先進、環(huán)保的處理方法之一，這種處理方法能夠有效地減少環(huán)境污染、降低施工成本[3, 5?6]，其固結(jié)產(chǎn)品的強度指標是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的唯一標準[3]。由于不同的固化劑對廢棄渣土具有不同作用機理[7?10]，為了充分了解廢棄渣土固結(jié)物的力學(xué)性能，有必要對廢棄渣土固結(jié)物的強度增長規(guī)律以及各種固化劑的影響規(guī)律進行研究。

1 試驗技術(shù)

1.1 試驗材料

試驗用廢棄渣土分別取自某市軌道交通3號線的A站與B站盾構(gòu)施工的廢棄渣土，土樣的力學(xué)參數(shù)如表1所示[11]。水泥為32.5#普通硅酸鹽水泥，固化劑為：氧化鈣、氫氧化鈣、硫酸鈣、碳酸鈣、自制的ZY-1專用固化劑。

1.2 試樣的制備

試驗樣品的制作按照國家相關(guān)的規(guī)范[12]進行。首先，按比例稱取相應(yīng)數(shù)量的土樣、固化劑、專用固化劑ZY-1與水，用砂漿攪拌機攪拌，方式為：慢攪120 s，停止15 s，再快攪120 s。將攪拌均勻的試樣分成3份放入3個試模中成型，裝滿試模后，在振實臺上振搗60 s進行振動壓實。最后將試樣送入標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護到規(guī)定時間進行強度測試。

2 試驗結(jié)果分析

本文分2步進行廢棄渣土固結(jié)物強度的試驗研究：先是單個添加劑摻量影響因素的分析，研究其對廢棄渣土固結(jié)物強度的影響規(guī)律，然后應(yīng)用正交實驗法研究多種固化劑的組合下的最佳配比，以分別得到砂質(zhì)和黏質(zhì)廢渣固結(jié)物的最佳固化劑配比。

2.1 單摻試驗

2.1.1 試驗方案

單摻試驗方案如表2所示。

表2 單摻試驗方案

注：表中各添加劑的摻量均為添加劑質(zhì)量與水泥質(zhì)量之比。

2.1.2 廢棄渣土單摻試驗結(jié)果分析

1) 氧化鈣與氫氧化鈣摻量的影響

圖1和圖2給出了添加氧化鈣與氫氧化鈣養(yǎng)護齡期分別為7 d和28 d時2種廢棄渣土固結(jié)物強度的變化規(guī)律。從圖1(a)可以看出：黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d齡期時的抗壓強度值最大為0.79 MPa，最小為0.52 MPa，氧化鈣摻量有一極值(8%左右)。其7 d齡期的抗壓強度值最大為0.31 MPa，也存在一極值。從圖1和圖2也可知道，隨著齡期的增加，廢棄渣土固結(jié)物的強度有大幅度的提高，由7 d增加到28 d時，強度由0.31 MPa提高到0.79 MPa，提高了約2.55倍。

由圖2(a)也可以看出：砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d齡期時的抗壓強度值最大為2.79 MPa，最小為2.45 MPa，氧化鈣的摻量也存在一極值(6%左右)。其7 d齡期的抗壓強度值最大為0.72 MPa，最小為0.55 MPa。隨著齡期的增加，廢棄渣土固結(jié)物的強度值會也會有比較大的幅度增加，28 d強度值2.79 MPa比7 d強度值0.72 MPa提高了約3.88倍。

在相同固化劑摻量的條件下，砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物的強度要比黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物的要高，這是因為廢棄渣土中的砂顆粒在水泥的水化過程中，為水化結(jié)晶產(chǎn)物的生成提供了晶核，促進了水化結(jié)晶物的快速生成，加速了這些水化產(chǎn)物結(jié)晶體的長大[14?15]。

(a) 摻氧化鈣；(b) 摻氫氧化鈣

圖2 砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物強度曲線

圖1(b)與圖2(b)是加入氫氧化鈣以后廢棄渣土固結(jié)物強度隨時間的變化規(guī)律。從圖1和2中可以看出，廢棄渣土固結(jié)物強度的變化規(guī)律類似于添加氧化鈣時的強度變化規(guī)律，僅僅是具體的數(shù)值有所不同。如：對于黏質(zhì)廢棄渣土，氫氧化鈣的最佳加量為22%，而砂質(zhì)廢棄渣土的最佳加量為16%。黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d齡期的最大強度值為0.78 MPa，最小強度值為0.575 MPa，7 d期的強度分別為0.32 MPa和0.25 MPa。砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d齡期的最大與最小強度值分別為3.0 MPa和2.65 MPa，7 d齡期的強度分別為0.9 MPa和0.60 MPa。砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d齡期的最大與最小強度值比黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物的強度分別提高了3.85和4.61倍；7 d齡期的強度則分別提高了2.81和2.40倍。

2) 硫酸鈣摻量的影響

圖3和圖4分別給出了硫酸鈣對2種廢棄渣土固結(jié)物抗壓強度的影響規(guī)律，從圖3和4中可以得出：隨著硫酸鈣摻量的增加，2種廢棄渣土固結(jié)物28 d與7 d的抗壓強度都呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，他們也存在一個最佳摻量的關(guān)系。對于砂質(zhì)廢棄渣土，硫酸鈣的最佳摻量為12%，而黏質(zhì)廢棄渣土的最佳摻量為16%左右。從這2圖中也可以看出：對于砂質(zhì)廢棄渣土，其固結(jié)物28 d的最大強度值為2.64 MPa，7 d的最大強度值為0.68 MPa，分別比黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d的最大強度值(0.89 MPa)大2.97倍，7 d(0.39 MPa)的大1.74倍。這進一步說明在廢棄渣土中，砂顆粒的存在能夠提高廢棄渣土固結(jié)物的強度，其在水泥的水化過程中是起到一個晶核的作用，加快了廢棄渣土固結(jié)物水化產(chǎn)物結(jié)晶體的生成。

圖4 黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物硫酸鈣摻量的強度曲線

3) 碳酸鈣摻量的影響

圖5和圖6分別是在2種廢棄渣土中摻入碳酸鈣后，7 d和28 d齡期廢棄渣土固結(jié)物抗壓強度隨碳酸鈣摻量的變化規(guī)律。從圖5和圖6可以看出，碳酸鈣的摻量也存在一個最佳摻量。對于試驗中的2種廢棄渣土，碳酸鈣的最佳摻量為16%，此時砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d的最大強度值為2.75 MPa，7 d期的最大強度值為0.70 MPa，而黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d的最大強度值僅僅只有0.69 MPa(為砂質(zhì)的1/4左右)，而7 d的最大強度值為0.31 MPa(也僅僅為砂質(zhì)廢棄渣土的44.3%左右)。

圖5 砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物碳酸鈣摻量的強度曲線

4) 特種固化劑ZY-1摻量的影響

圖7和圖8分別給出了特種固化劑ZY-1對2種類型廢棄渣土固結(jié)物抗壓強度的影響規(guī)律。從圖7和圖8中可以得出，對于28 d的砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物，ZY-1的最佳摻量為8%，其最大強度值為2.81 MPa，7 d的最大強度值為0.81 MPa。而對于28 d的黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物的最佳摻量為4%左右，其最大強度值為0.79 MPa，7 d的最大強度值為0.349 MPa。對于砂質(zhì)渣，隨著時間(齡期)的延長，廢棄渣土固結(jié)物的強度也隨之增加，28 d齡期的強度比7 d齡期的強度大了約3.47倍，由0.81 MPa提高到2.81 MPa。而對于黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物，28 d的強度比7 d的強度僅僅大2.26倍(由0.349 MPa提高到0.79 MPa)。

圖6 黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物碳酸鈣摻量的強度曲線

圖7 黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物ZY-1摻量的強度曲線

特種固化劑ZY-1作為一種自行研制的固化劑，是一種能夠加速水泥水化反應(yīng)的催化劑，其在水作用下迅速分解、電離出大量的特殊陽離子，不能分解和電離的部分則在水中成為微細的顆粒，這些微細顆粒在水泥水化結(jié)晶產(chǎn)物的生成過程中，起到一個晶核的作用[13?14]，使得水泥的各種水化產(chǎn)物能夠很容易地在這些晶核的表面沉積、結(jié)晶，讓這些晶核快速長大，成為結(jié)晶體，從而促進了水化結(jié)晶產(chǎn)物的快速生成。

圖8 砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物ZY-1摻量的強度曲線

2.2 正交試驗

2.2.1 正交試驗方案

通過對上述單摻試驗結(jié)果進行分析并參考相關(guān)的文獻資料[15]，可以得知：不同的固化劑對廢棄渣土固結(jié)物的影響程度并不盡相同，并且固化劑的不同摻量對廢棄渣土固結(jié)物的影響程度也不相同。為了獲得不同廢棄渣土固結(jié)物的最佳配合比，需要對廢棄渣土固結(jié)物固化劑的摻量進行正交試驗，以便通過對正交試驗的結(jié)果進行分析處理從而得出適用于該廢棄渣土固化劑的最佳配合比。本試驗擬采用的是五因素五水平的試驗方案，正交試驗水平如表3所示，并以廢棄渣土固結(jié)物28 d齡期時的抗壓強度值作為試驗指標,試驗結(jié)果如表4和表5 所示。

2.2.2 黏土類廢棄渣土固結(jié)物正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)表4中的強度試驗數(shù)據(jù)，可知各固化劑摻量對黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d齡期抗壓強度影響的主次順序為：硫酸鈣，氫氧化鈣，氧化鈣，ZY-1，碳酸鈣，各固化劑對黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d齡期抗壓強度的影響規(guī)律如圖 9所示，是先上升后下降，有一個峰值的存在，黏質(zhì)廢棄渣土的最佳配合比為：氧化鈣8%，氫氧化鈣25%，硫酸鈣14%，碳酸鈣15%和ZY-1 4%。

表3 正交因素水平表

表4 黏質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d正交試驗方案及試驗結(jié)果

(a) 氧化鈣摻量的強度曲線；(b) 氫氧化鈣摻量的強度曲線；(c) 硫酸鈣摻量的強度曲線；(d) ZY-1摻量的強度曲線；(e) 碳酸鈣摻量的強度曲線

2.2.3 砂土類廢棄渣土固結(jié)物正交試驗結(jié)果分析

分析表5中數(shù)據(jù)可知：各固化劑影響程度從主到次的排序為：氫氧化鈣＞硫酸鈣＞氧化鈣＞碳酸鈣＞ZY-1，各固化劑對砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d齡期抗壓強度的影響規(guī)律如圖10所示：都是先上升后下降，有一個峰值，其最佳配合比為：氧化鈣摻量6%，氫氧化鈣摻量20%，硫酸鈣摻量14%，碳酸鈣摻量15%和ZY-1摻量8%。

通過以上試驗數(shù)據(jù)分析，可以得出上述2種廢棄渣土固結(jié)物的最佳配合比(見表6)，在最佳配合比下這2種廢棄渣土固結(jié)物的抗壓強度值都高于表4和表5中的各組抗壓強度，所以可以認為所得出的最佳配比是適用的。

(a) 氧化鈣摻量的強度曲線；(b) 氫氧化鈣摻量的強度曲線；(c) 硫酸鈣摻量的強度曲線；(d) 碳酸鈣摻量的強度曲線；(e) ZY-1摻量的強度曲線

表5 砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物28 d正交試驗方案以及試驗結(jié)果

64101020102.8319825103022.81 7415142523.0120830141043.06 8420183043.00211010202542.76 9425201062.5822101563062.78 1043061582.86231020101083.13 11610143083.132410251415102.94 126151810102.96251030182022.48 13620201523.36

表6 最佳配比的強度值

3 結(jié)論

1) 通過單摻試驗，研究了不同固化劑對2類廢棄渣土固結(jié)物強度增長的影響規(guī)律。對于氧化鈣、氫氧化鈣、硫酸鈣、碳酸鈣和ZY-1等5種固化劑，其對廢棄渣土固結(jié)物28 d強度都有著隨固化劑摻量增加而呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，都存在一個最佳摻量。

2) 通過正交試驗，獲得了各個固化劑對這2種廢棄渣土固結(jié)物強度的影響規(guī)律，以及適用于這2種廢棄渣土固結(jié)物的最佳配合比。對于黏質(zhì)廢棄渣土，固化劑的影響程度依次為：硫酸鈣＞氫氧化鈣＞氧化鈣＞ZY-1＞碳酸鈣，其最佳配合比為：氧化鈣8%，氫氧化鈣25%，硫酸鈣14%，碳酸鈣15%和ZY-14%；對于砂質(zhì)廢棄渣土，固化劑影響程度依次為：氫氧化鈣＞硫酸鈣＞氧化鈣＞碳酸鈣＞ZY-1，最佳配合比為：氧化鈣6%，氫氧化鈣20%，硫酸鈣14%，碳酸鈣15%和ZY-18%；砂質(zhì)廢棄渣土固結(jié)物的強度總是大于黏質(zhì)廢棄渣土固化物的強度。

3) 初步提出了特種固化劑ZY-1在水泥的水化過程中的催化作用機理，認為特種固化劑ZY-1在水中溶解以后，將提供大量的特殊陽離子，是這些陽離子對水泥的水化反應(yīng)起到催化的作用。而ZY-1不能溶解的顆粒部分則為水泥的水化產(chǎn)物的結(jié)晶過程提供晶核，使得這些結(jié)晶產(chǎn)物能夠快速生成。

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Research of consolidation strength growth characteristics of EPB waste residue

WANG Zhenyu, YANG Junsheng, WANG Xinghua

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In this paper, the effects of different solidification agents on the strength of two different types of waste residue of some city Metro 3# line were studied by indoor strength test. The 28 d strength of the waste residues were increased with the increase of the content of the five solidification agents. There is an optimal amount of admixture for them. The degree of influence of the curing agent for clay waste residue is as follows: calcium sulfate, calcium hydroxide, calcium oxide, ZY-1 and calcium carbonate. The degree of influence of the curing agent for sandy waste residue is as follows: calcium hydroxide, calcium sulfate, calcium oxide, calcium carbonate and ZY-1. Their optimum ratios for the waste resides were not same. The strength of sandy residue(3.45 MPa) was always higher than that of clay (1.11 MPa).

EPB; compressive strength; solidification agent; solidification; waste residue

TU472

A

1672 ? 7029(2020)05 ? 1235 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191127

2019?12?13

湖南省科技廳重點基金資助項目(2015SK20682-2)

王星華(1957?)，男，湖南長沙人，教授，從事巖土工程方面教學(xué)與科研工作；E?mail：xhwang@mail.csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)