史鈺鵬

（上海城建市政工程（集團(tuán)）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(yīng)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(duì)淤泥進(jìn)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(huì)排放大量的CO2，同時(shí)消耗大量的化石燃料，不符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)［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(qiáng)度和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［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(shí)現(xiàn)對(duì)鹽漬土的固化，使得土層水穩(wěn)定性明顯提升。在水化反應(yīng)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(yàn)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(qiáng)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(shí)，穩(wěn)定土的強(qiáng)度達(dá)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(duì)其進(jìn)行激發(fā)，考慮不同的養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度（UCS），同時(shí)通過經(jīng)濟(jì)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(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)和理論的參考。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用淤泥為上海江邊淤泥，將所獲得的原狀土進(jìn)行烘干、粉碎和篩分，得到試驗(yàn)所需的重塑土。按照規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTG 3430—2020》，進(jìn)行土樣的界限含水率、最大干密度、比重等試驗(yàn)，淤泥的基本物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)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(yàn)所使用的淤泥土為高液限粉土。

試驗(yàn)所用的礦渣和粉煤灰均來自于上海某鋼鐵廠。本試驗(yàn)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(xué)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(yàn)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(yàn)用膠凝材料的化學(xué)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(shè)計(jì)

根據(jù)《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：CJJ/T 286—2018》和《土壤固化外加劑：CJ/T486—2015》，進(jìn)行固化淤泥配合比設(shè)計(jì)，外摻堿激發(fā)礦渣和粉煤作為淤泥的固化劑，水泥作對(duì)照組，摻量依據(jù)固化淤泥混合料質(zhì)量計(jì)算。研究表明礦渣/粉煤灰為1∶1（質(zhì)量比）混合時(shí)會(huì)發(fā)生協(xié)同反應(yīng)，固化土具有較高的抗壓強(qiáng)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(shí)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(duì)照；為明確固化機(jī)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(shí)試驗(yàn)確定的最優(yōu)含水率。

1.3 試件制作與養(yǎng)護(hù)

固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTG 3430—2020》，經(jīng)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，直至滿足齡期要求。試驗(yàn)的強(qiáng)度測試使用萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速度1 mm/min。

2 力學(xué)性能分析

固化淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑和養(yǎng)護(hù)齡期的變化如圖1 所示，試驗(yàn)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(qiáng)度從最初7 d的651 kPa增至28 d的1 058 kPa，強(qiáng)度提高較為明顯，已滿足《水泥基回填材料：JC/T 2468—2018》對(duì)回填材料28 d強(qiáng)度等級(jí)C1的要求（≥1 MPa），因此可以將本研究固化淤泥應(yīng)用于路基填土。此外，在只加入堿激發(fā)劑時(shí)，固化淤泥土的強(qiáng)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(xué)反應(yīng)［15］，從而使強(qiáng)度有所提高。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(jìn)了水化反應(yīng)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(yīng)中，反應(yīng)進(jìn)行得越充分，反應(yīng)產(chǎn)物越多，逐漸形成新的土體骨架，對(duì)土體起到支撐作用，實(shí)現(xiàn)固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷提高。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 材料用量計(jì)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(jī)械設(shè)備也基本相同。因此，對(duì)固化淤泥的經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，僅從單位體積材料費(fèi)用方面來考慮［16］。根據(jù)前文UCS試驗(yàn)結(jié)果，為便于更直觀對(duì)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(duì)比，經(jīng)計(jì)算得到所需材料用量，如表2所示。

表2 配合比設(shè)計(jì)Tab.2 Mix Design

3.2 材料費(fèi)用對(duì)比

淤泥屬于丟棄土，水泥單價(jià)為700 元/kg，礦渣單價(jià)為250 元/kg，粉煤灰單價(jià)為120 元/kg，NaOH 單價(jià)為1 800元/kg，Na2SiO3單價(jià)為500元/kg，以1 m3道路基層材料用量為例，對(duì)材料費(fèi)用進(jìn)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(shí)，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(qiáng)度提升較為明顯；而在較高固化劑摻量15%和20%時(shí)，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(qiáng)度差距較小。表明在較低強(qiáng)度時(shí)，水泥成本較低，在較高強(qiáng)度時(shí)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(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：CJJ/T 286—2018》中要求道路上基層強(qiáng)度≥2.5 MPa，由本研究結(jié)果可知，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性對(duì)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(fèi)用對(duì)比 （元/m3）Tab.4 Comparison of Raw Material Costs

4 結(jié)語

針對(duì)堿激發(fā)礦渣粉煤灰固化淤泥的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性分析，本文開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)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(jìn)了水化反應(yīng)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(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 固化劑摻量為10%固化淤泥強(qiáng)度達(dá)到1 058 kPa，其強(qiáng)度已滿足對(duì)固化土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果，在較高強(qiáng)度時(shí)，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。