吳尚東， 陳權(quán)盛， 吳 鴻， 伍 杰， 陳 偉， 梁旭之

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 山區(qū)道路工程與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400067； 2.廣州市公路工程公司， 廣州 510075； 3.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 4.云南大永高速公路建設(shè)指揮部， 云南 大理 671000； 5.貴州省遵義市公路管理局， 貴州 遵義 563000)

橋梁樁基成孔中常使用泥漿進(jìn)行護(hù)壁、清理樁孔[1]，泥漿經(jīng)過多次重復(fù)使用后，其性質(zhì)會(huì)逐漸變差不能繼續(xù)使用時(shí)，成為廢棄泥漿。廢棄泥漿的堆積既占用土地資源又污染生態(tài)環(huán)境，亟待處理[2]。目前針對(duì)廢棄泥漿的處理方法主要有直接排放法、固液分離法、土地耕作處理法和化學(xué)固化法等[3-4]。直接排放法實(shí)施簡單，但運(yùn)輸費(fèi)用高，且極易造成環(huán)境污染，隨著環(huán)保要求的提高，該方法已很少使用。固液分離法是采用物理或化學(xué)的方式達(dá)到固液分離的目的，可減少運(yùn)輸和棄置費(fèi)用，但試劑成本和設(shè)備投入及運(yùn)維費(fèi)用較高，且分離效果有限，使用局限性較大[5-6]。土地耕作處理法是將泥漿直接拋灑在土體中，采用耕作的方式自然處理，這種方法比較簡單，費(fèi)用不高，缺點(diǎn)是泥漿中的有害成分可能造成環(huán)境污染，甚至破壞耕地[7]?；瘜W(xué)固化法是采用固化劑對(duì)泥漿進(jìn)行固化處理[8]，使其達(dá)到一定強(qiáng)度，方便進(jìn)行運(yùn)輸、填埋等處理，此法還可對(duì)泥漿中的砂礫、黏土等資源進(jìn)行回收再利用，比如用于路基填料等[9]，因此是目前最有推廣和研究價(jià)值的一種泥漿處理方式。雖然已有一些關(guān)于河道淤泥、油田鉆井泥漿的固化及應(yīng)用研究[10-11]，但針對(duì)公路沿線廢棄泥漿回收利用的研究較少，且目前的泥漿處理工藝也存在一定缺陷，而公路建設(shè)行業(yè)生態(tài)建設(shè)、資源回收再利用已成為亟需解決的問題，因此，有必要開展公路沿線廢棄泥漿綜合處理治理技術(shù)研究，并對(duì)廢棄泥漿資源進(jìn)行回收和加以利用。

響應(yīng)國家“資源節(jié)約、生態(tài)環(huán)保、節(jié)能高效的綠色公路建設(shè)”要求，本文針對(duì)初步脫水后的廢棄泥漿采用無機(jī)固化法對(duì)其進(jìn)行處理，采用水泥作為固化劑對(duì)廢棄泥漿進(jìn)行固化，以改善廢棄泥漿的工程性能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)公路施工廢棄泥漿的處理和資源化利用。

1 廢棄泥漿的物理學(xué)性質(zhì)

泥漿試樣為廣州某依托工程產(chǎn)生的廢棄泥漿，經(jīng)機(jī)械脫水工藝處理后的泥漿。該廢棄泥漿主要由水和粘土組成，同時(shí)含有少量的鉆渣、細(xì)砂和添加劑等物質(zhì)，含水率較高，呈現(xiàn)很大的流動(dòng)性。按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的試驗(yàn)方法，對(duì)廢棄泥漿進(jìn)行了基本的物理學(xué)性質(zhì)測試分析。通過含水率測定得知，脫水后泥漿含水率約為95%。說明廢棄泥漿形成的膠體穩(wěn)定性較好，脫水處理后，其含水率依然較高，常規(guī)物理方法難以處理施工廢棄泥漿。同時(shí)還對(duì)脫水處理后的泥漿進(jìn)行了一系列的性能指標(biāo)測試，如顆粒特征、最大干密度、最佳含水率、塑限、液限等。

1.1 顆粒特征

采用篩分法對(duì)烘干后的脫水泥漿進(jìn)行篩分試驗(yàn)，了解泥漿的顆粒特征，級(jí)配篩分結(jié)果如表1所示。

表1 廢棄泥漿的顆粒篩分結(jié)果

從表1可以看出，公路施工廢棄泥漿的粒徑分布主要在0 mm～2 mm之間，其中93%以上的粒徑小于0.5 mm，屬于細(xì)粒土。

1.2 擊實(shí)性能

采用重型擊實(shí)法對(duì)泥漿進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以測試泥漿的最大干密度和最佳含水率。由于脫水泥漿含水率太高，試驗(yàn)前先將脫水泥漿進(jìn)行烘干處理，然后通過外加水分的方法來準(zhǔn)確獲取不同含水率的泥漿試樣，如圖1所示。將試驗(yàn)結(jié)果繪成含水率和最大干密度的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖1 泥漿試件

圖2 含水率與干密度關(guān)系曲線

由圖2可知，脫水廢棄泥漿的最大干密度為1.72 g/cm3，最佳含水率為20.4%。

1.3 液限和塑限

液限和塑限是路基填土的重要物理特性指標(biāo)，其值直接影響土基承載能力。本文采用液塑限聯(lián)合測定儀測試廢棄泥漿的液、塑限，采用的試錐質(zhì)量為100 g，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 液限塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)結(jié)果

將表2結(jié)果按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中“T0118-2007液限和塑限聯(lián)合測定法”的方法，處理得到泥漿的塑性指數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 泥漿的塑性指數(shù)結(jié)果

由表3可知，廢棄泥漿的塑性指數(shù)為17.4，相對(duì)較高。塑性指數(shù)高的材料，吸水性強(qiáng)，體積膨脹率大，會(huì)對(duì)其路用性能造成較大的影響，需選用合適的固化劑對(duì)其進(jìn)行固化處理，以達(dá)到路用性能的要求[12]，本文擬采用水泥作為固化劑對(duì)其進(jìn)行固化處理。

2 廢棄泥漿水泥固化機(jī)理分析

水泥摻入泥漿后，會(huì)與泥漿中的水和粘土等物質(zhì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，主要為離子交換反應(yīng)、硬凝反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)[13]，最終形成水泥骨架，提高泥漿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，起到改善土體工程性能的作用。

2.1 離子交換

在水化過程中，水泥與水反應(yīng)會(huì)生成Ca(OH)2，其中含有大量Ca2+離子，這些Ca2+離子會(huì)吸附在土粒表面形成一層薄膜。土顆粒和水會(huì)形成膠體體系，此時(shí)土體中的Na+、K+等陽離子會(huì)與前面所提的Ca2+離子進(jìn)行交換，使得Ca2+離子形成的薄膜厚度降低，這增強(qiáng)了土體顆粒的粘聚性[9]。粘聚性增強(qiáng)后，各個(gè)分散的土體顆粒就能黏聚在一起形成土團(tuán)粒，結(jié)果使土體空隙率降低，從而提高土體的強(qiáng)度。前面所生成的土凝膠粒子因?yàn)槭峭令w粒之間分子作用而相互吸附，形成很大的表面能，這不僅可鏈接各個(gè)較大的土團(tuán)粒，還可降低各土團(tuán)之間的空隙，從而大大提高固化土的強(qiáng)度[14]。

2.2 硬凝反應(yīng)

離子交換反應(yīng)中所產(chǎn)生的Ca2+離子含量很高，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，液相中離解出的Ca2+離子會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出離子交換所需要的量，由于整個(gè)過程均在堿性環(huán)境中進(jìn)行，因此多出來的Ca2+離子會(huì)與土體中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不溶于水的結(jié)晶化合物。

新生成的化合物會(huì)在水中逐漸硬化，該化合物結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著硬化過程變得更加致密，從而能提高固化土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

2.3 碳酸化反應(yīng)

碳酸化反應(yīng)主要是液相中的Ca(OH)2與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣，能填充土體顆粒間的空隙，以降低土顆粒的分散度，從而增強(qiáng)泥漿強(qiáng)度和穩(wěn)定性[15]。由于Ca(OH)2含量較高，使得整個(gè)水化反應(yīng)都是在堿性環(huán)境下進(jìn)行。在高pH值的環(huán)境下，Pb、Cu、Zn、Cd、Ce等重金屬離子都能形成不溶性的氫氧化物或碳酸鹽，產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)因團(tuán)?；饔帽还潭ㄔ谕馏w中，且因固化土的高抗?jié)B透性而不會(huì)流失出去，這在實(shí)際工程應(yīng)用能起到很好的環(huán)境保護(hù)作用。

3 廢棄泥漿固化效果研究

經(jīng)過上述分析可知，水泥能有效地提高泥漿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本文分別采用摻量為5%、8%、11%、14%的水泥對(duì)脫水廢棄泥漿進(jìn)行固化處理，并以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和含水率為指標(biāo)對(duì)固化效果進(jìn)行分析。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件成型方法參考JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中的試驗(yàn)方法進(jìn)行，采用的模具為100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具，試件成型1 d后脫模，并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的天數(shù)，如圖3所示。

圖3 養(yǎng)護(hù)中的試件

分別測試不同水泥摻量的試件養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果如表4所示，并將測試結(jié)果繪成固化泥漿的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系曲線，如圖4所示。

由表4和圖4可知，隨著水泥摻量的增加，固化泥漿的7 d、14 d和28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，且增長速率也逐漸加快。以14 d齡期為例，水泥的摻量從5%增加至14%，固化泥漿的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了3倍多，當(dāng)摻量為14%時(shí)，固化泥漿強(qiáng)度達(dá)到1.08 MPa。在相同的水泥摻量條件下，固化泥漿的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨著齡期的增長而增大，呈先快后慢的趨勢。

表4 水泥固化泥漿的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖4 抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系

3.2 含水率

采用烘干法對(duì)固化后的泥漿進(jìn)行含水率測試，測試結(jié)果如表5所示，得到水泥摻量與含水率的關(guān)系變化曲線，如圖5所示。

表5 水泥固化泥漿的含水率

圖5 含水率與水泥摻量的關(guān)系

由表5和圖5可知，固化泥漿含水率隨著水泥摻量的增加逐漸降低，基本呈線性下降趨勢。以7 d齡期為例，水泥摻量為14%時(shí)，固化泥漿的含水率降至29.2%，這表明水泥作為固化劑有很好的降低廢棄泥漿含水率的效果。

綜上試驗(yàn)結(jié)果表明，用水泥作為固化劑可大幅提高廢棄泥漿的強(qiáng)度，且有效降低廢棄泥漿的含水率，能較好地改善廢棄泥漿的工程力學(xué)性能。

4 固化泥漿路用性能分析

采用水泥對(duì)廢棄泥漿進(jìn)行了固化處理，試驗(yàn)表明水泥作為固化劑有著較好的泥漿固化效果，擬將固化處理后的泥漿用作路基填料應(yīng)用，并對(duì)固化泥漿的擊實(shí)性能和承載比進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

4.1 固化泥漿的擊實(shí)性能分析

本試驗(yàn)以14 d齡期固化泥漿作為擊實(shí)材料，根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的步驟進(jìn)行試驗(yàn)：1) 將固化泥漿破碎成小塊并烘干，再用2 mm篩孔篩分；2) 將篩選好的土樣保存在密封且干燥的容器中；3) 每份試樣重約4.5 kg，一共制作5份試樣；4) 在每份中加入一定質(zhì)量的蒸餾水，使試樣的含水率從20%逐步增加至28%，間隔為2%；5) 由于泥漿中可能存在未完全反應(yīng)的材料，需在試樣制備完成后1 h內(nèi)完成擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 水泥固化泥漿的擊實(shí)性能

由圖6可知，隨著水泥摻量的增加，固化泥漿的最大干密度逐漸減小，最佳含水率逐漸增大。當(dāng)水泥摻量從5%增加到14%，其對(duì)應(yīng)的最佳含水率由22.9%上升至25.5%，最大干密度從1.65 g/m3減小至1.54 g/m3。由前文可知，當(dāng)水泥摻量為14%時(shí)，固化泥漿14 d齡期的含水率為26.8%，與最佳含水率相近，因此，此時(shí)將其進(jìn)行碾壓填筑可得到較好的壓實(shí)度。

4.2 固化泥漿的承載比試驗(yàn)

盡管水泥固化劑可有效提高泥漿的強(qiáng)度，但固化后的泥漿是否能夠作為路基填料使用，還需通過加州承載比(CBR)試驗(yàn)來驗(yàn)證。以14 d齡期的固化泥漿試樣為原料進(jìn)行了承載比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 CBR試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，隨著水泥摻量的增加，固化泥漿的CBR值逐漸增加，當(dāng)水泥摻量為14%時(shí)，固化泥漿14 d齡期的CBR值達(dá)到7.5%。根據(jù)JTG F10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的路基填料最小強(qiáng)度要求，此材料可滿足二級(jí)及以下等級(jí)公路任何層位路基填料的路用性能要求。同時(shí)，水泥摻量為14%的固化泥漿在其養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)，其含水率剛好也在最佳含水率附近，故可考慮直接將水泥摻量為14%的固化泥漿作為路基填料使用。

5 結(jié)論

針對(duì)公路橋梁樁基鉆孔施工產(chǎn)生的高含水率廢棄泥漿進(jìn)行了固化試驗(yàn)，以水泥作為固化劑對(duì)其進(jìn)行固化處理，并對(duì)固化產(chǎn)物的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水率、擊實(shí)性能和加州承載比進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得出了以下結(jié)論：

1) 水泥對(duì)廢棄泥漿有著良好的固化效果，能大幅提升廢棄泥漿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2) 由含水率試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)可知，固化泥漿的最佳含水率隨著水泥摻量的增加而增大，最大干密度隨水泥摻量的增加而減?。缓孰S著水泥摻量增加而減小，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減小。

3) 由固化泥漿的擊實(shí)試驗(yàn)和承載比試驗(yàn)可知，當(dāng)水泥摻量為14%時(shí)，固化泥漿14 d齡期的含水率(26.8%)在其最佳含水率(25.5%)附近，且其承載比符合二級(jí)及以下等級(jí)公路對(duì)路基填料的使用要求，因此，可考慮直接將水泥摻量為14%的固化泥漿作為路基填料使用。

4) 該固化技術(shù)可將施工現(xiàn)場的廢棄泥漿直接轉(zhuǎn)變?yōu)槁坊盍鲜褂?，既解決了廢棄泥漿占地問題和相關(guān)的環(huán)境保護(hù)難題，又實(shí)現(xiàn)了廢棄泥漿資源的二次開發(fā)利用，變廢為寶，具有良好經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。