史鈺鵬

（上海城建市政工程（集團）有限公司 上海 200030）

0 前言

自然狀態(tài)下淤泥具有很高的含水率，幾乎沒有承載力，無法直接應用于工程中［1］。目前較為常見的處理方法，采用水泥、石灰等傳統(tǒng)膠凝材料作為固化劑，對淤泥進行固化穩(wěn)定化處理，從而提高其承載能力作為道路路基材料使用［2-6］。但是，傳統(tǒng)膠凝材料在生產(chǎn)的過程中，會排放大量的CO2，同時消耗大量的化石燃料，不符合可持續(xù)發(fā)展的目標［7］。堿激發(fā)膠凝材料是以礦渣、粉煤灰等工業(yè)固廢為原材料，通過堿性激發(fā)劑作用下生成新的膠凝性水化物，無需高溫煅燒，具有低成本、高強度和綠色環(huán)保等優(yōu)點［8］。田亮等人［9］在長期研究中，發(fā)現(xiàn)可通過堿激發(fā)的方式在礦渣中獲得膠凝材料，并實現(xiàn)對鹽漬土的固化，使得土層水穩(wěn)定性明顯提升。在水化反應之后，可以生成片狀晶體水化硅酸鈣等凝膠物質(zhì)。王觀次等人［10］采用礦渣-粉煤灰-金礦渣基地聚物處治湖區(qū)軟土，經(jīng)試驗確定了地聚物固化土中礦渣-粉煤灰-金礦渣最優(yōu)摻入量比為6∶2∶2。CHAYAKRIT 等人［11］利用堿激發(fā)粉煤灰固化穩(wěn)定淤泥，研究結(jié)果表明最高強度的最佳成分取決于含水量和粉煤灰的比值，在比值為1.0時，穩(wěn)定土的強度達到最大值，并且比水泥固化淤泥的碳足跡低約22%～43%。ABDELDJOUAD 等人［12］研究了以棕櫚葉燃灰作為前驅(qū)體，通過堿激發(fā)作為固化劑改善淤泥的性質(zhì)，為土壤固化技術(shù)提供了一種新型有效的方法，與傳統(tǒng)的鈣基膠凝劑（如石灰和水泥）相比具有明顯的低碳環(huán)保的優(yōu)勢。

本研究以粉煤灰、礦渣為膠凝材料，使用堿激發(fā)劑NaOH 和Na2SiO3對其進行激發(fā)，考慮不同的養(yǎng)護齡期、固化劑摻量等因素，并以水泥固化土才參考，探究了固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度（UCS），同時通過經(jīng)濟性分析研究適用于道路基層填土，以期為道路基層固化土的研究和工程應用提供實驗和理論的參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥為上海江邊淤泥，將所獲得的原狀土進行烘干、粉碎和篩分，得到試驗所需的重塑土。按照規(guī)范《公路土工試驗規(guī)程：JTG 3430—2020》，進行土樣的界限含水率、最大干密度、比重等試驗，淤泥的基本物理性質(zhì)實驗數(shù)據(jù)如下所示：初始含水率為90%～180%，塑限ωP=40%，液限ωL=80%，最優(yōu)含水率為35%，最大干密度ρd=1.43 g/cm3，比重GS=2.06。根據(jù)塑性圖可知試驗所使用的淤泥土為高液限粉土。

試驗所用的礦渣和粉煤灰均來自于上海某鋼鐵廠。本試驗用使用的水泥是P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。礦渣、粉煤灰和水泥的化學成分及含量如表1 所示，結(jié)合XRD 分析，礦渣和粉煤灰的主要成分為SiO2、Al2O3和CaO。試驗采用氫氧化鈉（NaOH）和硅酸鈉（Na2SiO3）作為堿激發(fā)劑，所用試劑均為分析純。

表1 試驗用膠凝材料的化學組成及含量Tab.1 Chemical Composition and Content of Cementitious Materials for Testing

1.2 固化淤泥配合比設計

根據(jù)《土壤固化劑應用技術(shù)標準：CJJ/T 286—2018》和《土壤固化外加劑：CJ/T486—2015》，進行固化淤泥配合比設計，外摻堿激發(fā)礦渣和粉煤作為淤泥的固化劑，水泥作對照組，摻量依據(jù)固化淤泥混合料質(zhì)量計算。研究表明礦渣/粉煤灰為1∶1（質(zhì)量比）混合時會發(fā)生協(xié)同反應，固化土具有較高的抗壓強度［13-14］。經(jīng)試配，本研究采用礦渣與粉煤灰質(zhì)量比為1，同時摻入堿性激發(fā)劑（NaOH和Na2SiO3）。

堿激發(fā)膠凝材料的質(zhì)量摻量分別為10%、15%和20%，分別用G15、G20 和G25 表示；并采用C5、C8 和C10 表示水泥固化淤泥，作為對照；為明確固化機理，采用未固化淤泥和只摻入堿激發(fā)劑的淤泥作為比較，分別用S 和A 表示，各組配合比如表1 所示，表中各組分摻量均為與干淤泥的質(zhì)量比。含水率根據(jù)固化淤泥擊實試驗確定的最優(yōu)含水率。

1.3 試件制作與養(yǎng)護

固化淤泥無側(cè)限抗壓強度試驗參照《公路土工試驗規(guī)程：JTG 3430—2020》，經(jīng)試驗采用靜壓法制備密度為1 530 kg/m3的圓柱體試樣（高50 mm、φ50 mm），試樣放置于標準養(yǎng)護室，直至滿足齡期要求。試驗的強度測試使用萬能試驗機，加載速度1 mm/min。

2 力學性能分析

固化淤泥土無側(cè)限抗壓強度隨固化劑和養(yǎng)護齡期的變化如圖1 所示，試驗結(jié)果表明固化淤泥的UCS 隨固化劑摻量的增加而不斷提高。摻入10%堿激發(fā)膠凝材料試樣G10 的無側(cè)限抗壓強度從最初7 d的651 kPa增至28 d的1 058 kPa，強度提高較為明顯，已滿足《水泥基回填材料：JC/T 2468—2018》對回填材料28 d強度等級C1的要求（≥1 MPa），因此可以將本研究固化淤泥應用于路基填土。此外，在只加入堿激發(fā)劑時，固化淤泥土的強度在原有基礎(chǔ)上也有所提高，說明淤泥土顆粒中含有部分活性的硅鋁成分也參與了部分化學反應［15］，從而使強度有所提高。

圖1 無側(cè)限抗壓強度隨固化劑及齡期的變化Fig.1 Change of UCS with the Content of Stabilizers and Curing Time

因此，說明固化劑的增加促進了水化反應生成了更多的水化產(chǎn)物。隨著齡期的增長，膠凝材料中的活性硅鋁成分逐漸析出，并參與到水化反應中，反應進行得越充分，反應產(chǎn)物越多，逐漸形成新的土體骨架，對土體起到支撐作用，實現(xiàn)固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強度不斷提高。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 材料用量計算

根據(jù)已有研究，固化土施工工藝沒有較大差異，施工所用機械設備也基本相同。因此，對固化淤泥的經(jīng)濟性分析時，僅從單位體積材料費用方面來考慮［16］。根據(jù)前文UCS試驗結(jié)果，為便于更直觀對比堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥和水泥固化淤泥在不同摻量下，耗材成本的對比，經(jīng)計算得到所需材料用量，如表2所示。

表2 配合比設計Tab.2 Mix Design

3.2 材料費用對比

淤泥屬于丟棄土，水泥單價為700 元/kg，礦渣單價為250 元/kg，粉煤灰單價為120 元/kg，NaOH 單價為1 800元/kg，Na2SiO3單價為500元/kg，以1 m3道路基層材料用量為例，對材料費用進行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 材料用量Tab.3 Raw Material Dose （kg/m3）

由表4 可以看出，在較低固化劑摻量10%時，C10固化淤泥的成本為93.94 元/m3，要比G10 的成本106.03 元/m3低，且強度提升較為明顯；而在較高固化劑摻量15%和20%時，C15 和C20 的成本為134.89 元和172.54元，要比G15和G20的成本133元和159.19元高，且強度差距較小。表明在較低強度時，水泥成本較低，在較高強度時使用堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥成本更低。根據(jù)《土壤固化劑應用技術(shù)標準：CJJ/T 286—2018》中要求道路上基層強度≥2.5 MPa，由本研究結(jié)果可知，結(jié)合經(jīng)濟性對比結(jié)果，優(yōu)選堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥可作為道路上基層用土。

表4 材料費用對比 （元/m3）Tab.4 Comparison of Raw Material Costs

4 結(jié)語

針對堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥的力學性能和經(jīng)濟性分析，本文開展了系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，主要結(jié)論如下：

⑴堿激發(fā)礦渣粉煤灰作為土體固化劑，隨著齡期增長和膠凝材料摻量增加促進了水化反應生成了更多的水化產(chǎn)物，形成新的土體骨架，顯著提高固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強度。養(yǎng)護齡期為28 d 固化劑摻量為10%固化淤泥強度達到1 058 kPa，其強度已滿足對固化土28 d無側(cè)限抗壓強度大于1 MPa的要求。

⑵綜合考慮固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果與經(jīng)濟性對比結(jié)果，在較高強度時，使用堿激發(fā)礦渣粉煤灰比水泥成本低。優(yōu)選堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥土作為道路上基層用土。