吳世興

（甘肅省白銀公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅 白銀 730900）

0 引言

我國幅員遼闊，江河湖泊眾多，在漫長的地質(zhì)演變過程中，產(chǎn)生難以計(jì)數(shù)的淤泥質(zhì)土。然而隨著我國建設(shè)發(fā)展，環(huán)境改造活動不斷進(jìn)行，填海造陸活動與河道清淤工程清理出大量淤泥質(zhì)土。由于淤泥質(zhì)土自身特性，使其難以得到有效利用，而運(yùn)輸與堆放成本高昂又導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)價(jià)值低下。故需摻入一定量的固化劑以提高其自身強(qiáng)度，從而能夠改變淤泥質(zhì)土的特性，再將其作為工程用土投入使用。邵玉芳[1]對太湖清淤工程中產(chǎn)生的三種代表性淤泥質(zhì)土進(jìn)行了土坡固化劑加固室內(nèi)試驗(yàn)，篩選出了合適的固化劑品種。魏華彬[2]對HAS土壤固化劑進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合現(xiàn)場施工介紹了HAS土壤固化劑在淤泥改性做路基的性能特點(diǎn)，及其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)越性。王新岐[3]利用施工現(xiàn)場開挖的淤泥質(zhì)土，添加適量固化劑，通過室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)互相驗(yàn)證，成功實(shí)現(xiàn)對淤泥質(zhì)土的固化利用。鄭少午[4]通過將疏浚淤泥與EPS顆?；旌献鳛檩p質(zhì)土路基填料，不僅可以處理大量廢棄淤泥，而且消耗掉廢棄EPS與多種工業(yè)廢物，具有良好的工程運(yùn)用前景與示范意義。張德軍[5]通過對摻入HSC301的淤泥質(zhì)土進(jìn)行CBR性能測試，發(fā)現(xiàn)摻入固化劑的土壤強(qiáng)度明顯提高。陸曉義[6]在淤泥中摻入廢棄的玉米秸稈纖維、水泥、石灰等，作為添加劑固化淤泥，通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證其滿足公路路基填土要求。景嘯[7]通過對寧波西洪大橋試驗(yàn)段進(jìn)行試驗(yàn)和觀測，提出軟土地區(qū)就地加固軟弱地基及廢棄淤泥質(zhì)土（泥漿）固化后用于路基填料的技術(shù)和成套工藝，對軟土地區(qū)棄土資源化利用、實(shí)現(xiàn)土方平衡具有廣泛的推廣價(jià)值。

本文選用三種不同工業(yè)廢料進(jìn)行固化淤泥質(zhì)土，通過混料試驗(yàn)方法研究能使淤泥質(zhì)土產(chǎn)生最佳固化效果的配比，有效利用不良地質(zhì)土和工業(yè)廢料的同時(shí)，達(dá)到路基填土要求并降低施工成本。

1 材料選取

以往對淤泥質(zhì)土固化多采用化學(xué)添加劑與石灰或水泥混合作為固化劑，然而這些原料獲取困難，且價(jià)格昂貴，難以大范圍使用。而我國工業(yè)發(fā)展迅速，每年產(chǎn)生大量工業(yè)廢棄物難以完全處理，造成巨大環(huán)境負(fù)擔(dān)與經(jīng)濟(jì)問題。因此，本文將工業(yè)廢棄物摻入淤泥中作為固化劑，研究符合公路路基填土要求的固化方案。

1.1 選取試驗(yàn)土

淤泥質(zhì)土本身含水率高達(dá)54%，一般采用直接晾干進(jìn)行脫水，待含水率降低到一定程度后方可進(jìn)行固化，以此達(dá)到裝卸運(yùn)輸或參與工程填土的目的。然而當(dāng)含水率過低時(shí)土體會聯(lián)結(jié)，摻入固化劑難以攪拌均勻，以致強(qiáng)度分布不均勻，難以形成有效的承載特性；此外，土體與工業(yè)廢料結(jié)合，需等待發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之后才能達(dá)到效果，過少的水不利于正常的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，導(dǎo)致難以達(dá)到預(yù)期效果，因此需要將含水量控制在一個(gè)合適的范圍。經(jīng)過前期考察，選取含水率為35%作為最優(yōu)含水率。

1.2 選取固化材料

（1）高爐礦渣

我國基礎(chǔ)建設(shè)蓬勃發(fā)展，鋼材需求量高居不下，鋼鐵行業(yè)儼然成為我國支柱性產(chǎn)業(yè)，高爐冶煉工藝是鋼鐵冶煉的常用工藝。我國每年由于鋼鐵冶煉產(chǎn)生大量的工業(yè)礦渣，這些礦渣成分復(fù)雜，難以降解，隨意堆放不僅會占用大量空間而且會對土體與環(huán)境造成污染。就如何安全無害的處理這些礦渣已經(jīng)成為一道難題，經(jīng)分析檢測，高爐礦渣主要包含CaO、Al2O3等氧化物，這些物質(zhì)有助于改善土體力學(xué)性能，在增強(qiáng)穩(wěn)定性的同時(shí)亦可提高強(qiáng)度。

（2）粉煤灰

在煤炭燃燒過程中形成的粉末狀顆粒，多為火力發(fā)電廠燃煤后產(chǎn)生的剩余廢棄物?；鹆Πl(fā)電目前作為我國的供電主力，離不開燃燒煤炭，大量燃燒煤炭勢必產(chǎn)生粉煤灰。粉煤灰顆粒細(xì)小，容易對人和其它動物造成健康危害，同時(shí)長期堆放不僅占用空間而且會造成環(huán)境污染。經(jīng)化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，粉煤灰中主要化學(xué)成分包括Al2O3、SiO2，對改善土體力學(xué)性質(zhì)具有一定的增益作用，張景富[8]通過使用電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰本身具有火山灰活性，但沒有膠凝性，只有在堿性和類似高爐礦渣的激活物下激發(fā)下才能具有活性，主要配合高爐礦渣進(jìn)行火山灰反應(yīng)。

（3）電石渣

我國每年生產(chǎn)和消耗大量的電石，隨之也產(chǎn)生大量的電石渣，電石渣的處理與存儲是長期以來難以解決的問題。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，電石渣主要成分包括Ca（OH）2，在水中呈堿性，以一定比例摻入到淤泥質(zhì)土中可以提升固化土的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)方法與試件制作

2.1 試驗(yàn)方法

對于固化材料的配方設(shè)計(jì)，常見的設(shè)計(jì)方法有正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面法設(shè)計(jì)和混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)[9]。對比發(fā)現(xiàn)，正交試驗(yàn)所需工況最多，響應(yīng)面法需考慮單獨(dú)摻量的影響，而混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠在變量較少時(shí)以較少的試驗(yàn)組別獲得最優(yōu)配比，適合作為本文設(shè)計(jì)方法?；炝显囼?yàn)設(shè)計(jì)分析變量較少，設(shè)計(jì)試驗(yàn)組別不多，在使用分析數(shù)據(jù)建立變量之間的方程關(guān)系時(shí)得到的高階回歸方程較為準(zhǔn)確。本分析研究僅含高爐礦渣、粉煤灰和電石渣三種變量，通過混料試驗(yàn)考察各種摻料含量與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系。

設(shè)高爐礦渣含量、粉煤灰含量、電石渣含量分別為x1、x2、x3，對應(yīng)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為y，建立y與x的回歸關(guān)系。約束條件如式（1）：

根據(jù)摻量配比不同，擬合得到y(tǒng)與x的回歸方程如式（2）：

式中：bi為xi的一階系；bij與為xixj交互作用的二階系數(shù)；rij為xixj交互作用的三階系數(shù)；bijk為xixjxk作用的三階系數(shù)[10]。

由于使用這幾種工業(yè)廢料作為固化劑產(chǎn)量的相關(guān)研究較少，需進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)確定其最優(yōu)摻量所在范圍。試驗(yàn)假定三種固化劑摻入比例相當(dāng)，分別摻入10%、12.5%、15%、17.5%、20%，測量改良后土體在養(yǎng)護(hù)7 d和14 d后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 預(yù)試驗(yàn)結(jié)果

為便于找到合適范圍，繪制曲線如圖1所示。

圖1 預(yù)試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

由圖分析可得，齡期越長固化土的強(qiáng)度越高，且會隨著摻量的增加強(qiáng)度增高。當(dāng)摻量從12.5%增加到15%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加最明顯，且在14 d齡期下達(dá)到220 kPa以上，能夠滿足需要。故本試驗(yàn)采用15%的摻量作為固化劑的摻入量，之后進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)見表2。

表2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

2.2 試樣制作

按照計(jì)算比例稱量各摻量，將其混入處理含水率后淤泥質(zhì)土中，攪拌均勻后制作標(biāo)準(zhǔn)試件，試件直徑39.1 mm、高80 mm。將模具中的試樣抽真空并在水中養(yǎng)護(hù)24 h，拆模后密封放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試件制備如圖2所示。

圖2 試件制備

養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由第2節(jié)試驗(yàn)所得結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

由表可知，三種摻量在養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均較小，而隨著齡期不斷增加，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨之增大，表明三種摻量在養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí)強(qiáng)度不高，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長，其強(qiáng)度值增大。分析其原因，淤泥質(zhì)土含水率可能仍過高，較短時(shí)間內(nèi)固化劑無法與水充分發(fā)生反應(yīng)，即使生成膠凝物質(zhì)也由于土體仍處于塑性狀態(tài)，無法有效提高強(qiáng)度。

齡期為7 d時(shí)，由式3可得模型回歸方程為：

通過計(jì)算可得，當(dāng)x1=0.519，x2=0.243，x3=0.238的時(shí)候，改良后土能夠達(dá)到最大強(qiáng)度91.29 kPa，經(jīng)轉(zhuǎn)化可得高爐礦渣、粉煤灰、電石渣含量分別為7.78%、3.65%、3.57%。由于淤泥改良土的應(yīng)用場景為公路路基填土，其應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到800 kPa。在齡期7 d時(shí)無法滿足要求，故還需更長的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

齡期為14 d時(shí)，由式4可得模型回歸方程為：

通過計(jì)算可得，當(dāng)x1=0.517，x2=0.144，x3=0.339的時(shí)候，改良后土能夠達(dá)到最大強(qiáng)度826.46 kPa，經(jīng)轉(zhuǎn)化可得高爐礦渣、粉煤灰、電石渣含量分別為7.75%、2.16%、5.09%。此時(shí)強(qiáng)度可以達(dá)到要求，但考慮實(shí)際施工有可能存在攪拌不均勻以及含水率不達(dá)標(biāo)等問題，仍需較長養(yǎng)護(hù)時(shí)間才能夠滿足要求。

齡期為28 d時(shí)，由式5可得模型回歸方程為：

齡期為28 d時(shí)，通過計(jì)算可得，當(dāng)x1=0.421，x2=0.115，x3=0.464的時(shí)候，改良后土能夠達(dá)到最大強(qiáng)度1 479.32 kPa，經(jīng)轉(zhuǎn)化可得高爐礦渣、粉煤灰、電石渣含量分別為6.32%、1.72%、6.96%。此時(shí)強(qiáng)度完全滿足要求。

綜上所述，將不同齡期最優(yōu)配比匯總，見表4。

表4 不同齡期最優(yōu)配比

將各不同齡期下?lián)搅虾窟M(jìn)行分析，做出曲線圖可以更加直觀分析不同養(yǎng)護(hù)齡期下各摻量百分比含量的影響程度，如圖4所示。

圖4 最優(yōu)配比曲線圖

分析曲線圖發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)摻料配比最優(yōu)齡期下，養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，粉煤灰摻量較高，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，粉煤灰含量逐漸減少，究其原因，粉煤灰中主要物質(zhì)在固化土早期強(qiáng)度中發(fā)揮重要作用，而隨著齡期不斷增加，固化土強(qiáng)度的提高更依賴于SiO2和Ca（OH）2的作用，因此，電石渣的含量隨著齡期增長也隨之增高，這種現(xiàn)象也說明Ca（OH）2在養(yǎng)護(hù)齡期后期發(fā)揮著重要作用。鑒于本文主要研究淤泥改良土對路用性能的研究，以28 d養(yǎng)護(hù)齡期作為最優(yōu)參考，即可得到高爐礦渣、粉煤灰、電石渣三種摻量所用比值為42.1∶11.5∶46.4，此比例可以在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下可以獲得最高的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文選取高爐礦渣、粉煤灰、電石渣作為新型摻料對淤泥質(zhì)土進(jìn)行固化改良，并通過混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定不同齡期下最優(yōu)摻料配比，得到以下結(jié)論：

（1）選用前人較少使用的工業(yè)廢料作為固化土改良劑，并通過對三種不同齡期試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行測量，在混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)下，擬合三階回歸方程得到相應(yīng)齡期的最優(yōu)配比。

（2）結(jié)合工程實(shí)際，確定在28d齡期下，選取高爐礦渣、粉煤灰、電石渣三種摻量比值為42.1∶11.5∶46.4可以很好滿足公路路基填土要求。