張 平，林煥生，李 嘉，李 爽，丁前紳，劉 磊

（1.深圳市天健坪山建設(shè)工程有限公司，廣東 深圳 518118；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.污染泥土科學(xué)與工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071）

0 引言

陳舊型垃圾填埋場(chǎng)的原位修復(fù)與再利用一直是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重大戰(zhàn)略需求。垃圾填埋場(chǎng)搬遷和原位修復(fù)一體化處置技術(shù)逐漸成為制約我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)城市發(fā)展的一項(xiàng)難題［1-2］。

隨著垃圾填埋場(chǎng)服役時(shí)間的增加，垃圾土在微生物的降解作用下逐漸趨于穩(wěn)定，但降解反應(yīng)仍可持續(xù)數(shù)年甚至數(shù)十年之久。填埋場(chǎng)的存在仍對(duì)周邊的大氣、土壤和地下水構(gòu)成嚴(yán)重的環(huán)境威脅。為解除環(huán)境安全隱患，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的垃圾填埋場(chǎng)被重新開(kāi)挖，開(kāi)挖產(chǎn)物多作為焚燒和回收的一種資源［3-4］。我國(guó)發(fā)達(dá)城市逐步對(duì)城市圈內(nèi)的陳舊型填埋場(chǎng)重新開(kāi)挖篩分，篩上物（塑料、磚瓦、玻璃和織物等）多通過(guò)回收和焚燒處置，篩下的細(xì)顆粒腐殖土最多可占陳腐垃圾總量的50% 以上，一些學(xué)者相繼提出將細(xì)顆粒腐殖土用作生物填料、園林綠化和填埋覆蓋土等方面［5-7］，應(yīng)用的前提不僅需要滿足應(yīng)用場(chǎng)景所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，也需要滿足污染物浸出毒性的限值要求。

腐殖土的原位固化作為一種新型處理方式被提出［2，5］。腐殖土固化體的力學(xué)特性對(duì)固化體回填后場(chǎng)地穩(wěn)定性具有重要作用，若固化體因強(qiáng)度降低造成固化體被壓裂，滲透系數(shù)增大等力學(xué)性質(zhì)的改變，極可能導(dǎo)致腐殖土內(nèi)的污染物質(zhì)發(fā)生遷移。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于腐殖土的相關(guān)研究主要集中于垃圾土的土力學(xué)性質(zhì)、生活垃圾堆體的沉降變形與穩(wěn)定、腐殖土綠化用途等方面，對(duì)垃圾腐殖土固化后的工程特性研究較少［7-8］。Wanka 等［9］對(duì)開(kāi)挖后的垃圾通過(guò)滾筒篩按照10 mm 以下、10～60 mm、60 mm 以上3 種粒徑尺寸進(jìn)行了篩選，并對(duì)10～60 mm 部分進(jìn)行了進(jìn)一步的篩選及處理，提出了一套濕法機(jī)械處理技術(shù)將該部分區(qū)分成惰性組分、輕質(zhì)組分、細(xì)粒組分，并指出細(xì)粒組分可再用于道路填料及土方工程等。Datta 等［10］研究了4座印度陳舊垃圾填埋場(chǎng)中4.5 mm 以下腐殖土的理化特性、環(huán)境特性以及土工特性，研究結(jié)果指出由于高有機(jī)質(zhì)問(wèn)題，直接用作工程填料可能會(huì)由于發(fā)生降解而導(dǎo)致工程的后期沉降，同時(shí)腐殖土中的可溶性重金屬與可溶性鹽的問(wèn)題也限制了其作為工程填料的應(yīng)用，建議應(yīng)用在非承載性用土的工程填料中。垃圾填埋場(chǎng)腐殖土作為混合垃圾土的篩下物，常伴隨著有機(jī)質(zhì)高、質(zhì)地松散、重金屬含量高等特性［11］。因此，對(duì)腐殖土固化體的力學(xué)特性的探究亟待填補(bǔ)。

針對(duì)垃圾腐殖土物理特性，眾多學(xué)者認(rèn)為腐殖土中＜15 mm 粒徑的中小顆粒組分占垃圾比例很大。其中，Jani 等［12］通過(guò)篩分發(fā)現(xiàn)超過(guò)50 a 填埋齡的垃圾腐殖土中＜2 mm 粒徑的小顆粒占腐殖土總量的80% 左右；Quaghebeur 等［13］發(fā)現(xiàn)30～40 a填埋齡的垃圾腐殖土＜10 mm 的細(xì)顆粒占腐殖土總量的40%～60%；而粒徑在10～20 mm 的腐殖土一般占廢棄物總量的40%～70%［14-15］。由此可見(jiàn)，垃圾組分中＜15 mm 的顆粒組分是腐殖土的主要部分，分析細(xì)顆粒組分的力學(xué)特性對(duì)于研究其工程特性起重要作用。

本研究選取普通硅酸鹽水泥及其他兩類自制固化劑，分別對(duì)腐殖土進(jìn)行固化/穩(wěn)定化處理，通過(guò)不同固化劑以及不同養(yǎng)護(hù)齡期下按工程實(shí)際比例混合而成的混合粒徑腐殖土開(kāi)展固化試驗(yàn)，分析養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)固化體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)和加州承載比的影響。以上研究成果對(duì)開(kāi)展腐殖土原位回填固化劑及相關(guān)工藝的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣本取自湖北省某陳舊型垃圾填埋場(chǎng)，該庫(kù)區(qū)垃圾填埋齡12～15 a，填埋氣體中甲烷濃度12%～19%，填埋深度約20 m。為了更具有代表性，分別將填埋深度3～5、7～9、12～15 m 的生活垃圾進(jìn)行人工篩分，每層垃圾土取樣不小于20 kg。垃圾土樣本烘干后剔除磚瓦、玻璃、織物和塑料等篩上物，取出其中的篩下物，即腐殖土進(jìn)行基本技術(shù)參數(shù)測(cè)定，測(cè)試結(jié)果：初始含水率為36%，有機(jī)質(zhì)含量為9.56%，重金屬含量如表1 所示。測(cè)試方法參考CJ/T 96—2013 生活垃圾化學(xué)特性通用檢測(cè)方法和HJ/T 299—2007 固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法。篩選出的腐殖土再次過(guò)20 mm 篩，篩上物集中儲(chǔ)存，篩下物進(jìn)一步過(guò)15、5、2 mm 篩，得到不同粒徑區(qū)間的樣品即為試驗(yàn)所需腐殖土基礎(chǔ)樣本。腐殖土樣品的物理指標(biāo)如圖1所示，其中小于2 mm 腐殖土的最優(yōu)含水率為26%，混合腐殖土最優(yōu)含水率為19%。采用X 射線熒光光譜儀測(cè)定腐殖土的主要成分，腐殖土的主要成分及含量見(jiàn)表1。

圖1 腐殖土物理指標(biāo)Figure 1 Physical indicators of humus soil

表1 腐殖土主要成分Table 1 Main ingredients of humus soil

固化劑材料主要采用目前常見(jiàn)的水泥基材料，包括普通硅酸鹽水泥（OPC 型）、自制硫鋁酸鹽固化劑（SAC 型）以及自制水泥-礦渣基固化劑（OG型）。根據(jù)前期凈漿試驗(yàn)結(jié)果，本研究中SAC 型固化劑的組成為硫鋁酸鹽水泥與磷石膏質(zhì)量比8∶2；OG 型固化劑的組成為水泥與礦渣質(zhì)量比6∶4。原材料的主要組成成分如表2 所示，試驗(yàn)用水為去離子水。

表2 固化劑原材料成分Table 2 Curing agent raw material composition

1.2 試件制備及養(yǎng)護(hù)

將風(fēng)干預(yù)處理后保存的腐殖土在60 ℃下烘干12 h，根據(jù)圖1（a）中粒徑分布的試驗(yàn)結(jié)果，＜2 mm 粒徑腐殖土比例約為50%，［2，5）mm 粒徑腐殖土比例約占22%，［5，15）mm 粒徑占比約21%?？紤]到［15，20）mm 組分占比不足5% 且多為塑料、織物、石粒等，為保證試驗(yàn)樣品的均勻性，將＜2、［2，5）、［5，15）mm 的腐殖土按照干土質(zhì)量比為2.50∶1.00∶1.00 進(jìn)行混合作為待固化混合粒徑腐殖土，固化劑摻量選用干土質(zhì)量的15%，混合粒徑腐殖土的試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)如表3 所示。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度及最優(yōu)含水率加入去離子水后攪拌3 min，待腐殖土與水混合均勻，再根據(jù)固化劑的設(shè)計(jì)摻量將固化劑混合均勻后加入攪拌好的腐殖土濕土中，隨即加入稱量好的去離子水，整體攪拌5 min，混合均勻后將固化土分3 次加入試樣筒中擊實(shí)制樣，將固化樣品放入密封袋后放入養(yǎng)護(hù)箱，溫度為（20±2）℃，養(yǎng)護(hù)濕度大于95%，養(yǎng)護(hù)至指定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。

表3 固化混合粒徑腐殖土試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)Table 3 Test mix ratio of solidified mixed particle size of humus soil

1.3 測(cè)試方法

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照文獻(xiàn)［16］的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，采用微機(jī)數(shù)控電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（WDW-100E）施加荷載，加載速率為1 mm/min，每批測(cè)試3 個(gè)平行樣品取其強(qiáng)度平均值。測(cè)試過(guò)程中用數(shù)據(jù)采集電腦記錄其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，取應(yīng)力應(yīng)變曲線的直線段斜率作為固化腐殖土的彈性模量。

滲透試驗(yàn)方法參照美國(guó)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 5084，采用柔性壁滲透測(cè)試儀（PN3230M）進(jìn)行試驗(yàn)，圍壓設(shè)定為80 kPa、滲透壓力為60 kPa、室溫控制為（25±1）℃。

固化腐殖土的加州承載比依據(jù)GB/T 50123—1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、JTG 3430—2020 公路土工試驗(yàn)規(guī)程測(cè)定，承載比試件制件采用靜壓成型制件，首先將固化腐殖土材料按最佳含水率及最大干密度計(jì)算試樣量，分3 次倒入試筒并分層擊實(shí)，一次性靜壓成型。試件制成后泡水4 晝夜，根據(jù)百分表記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算膨脹率，如公式（1）所示。

式中：δe為試件泡水后膨脹率；H1為試件泡水終了的高度（mm）；H0為試件初始高度（mm）。

承載比貫入試驗(yàn)則將浸水試驗(yàn)后的固化腐殖土試件放到路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺(tái)上，加荷使貫入桿以1 mm/min 的速度壓入試件，同時(shí)測(cè)記3 個(gè)百分表的讀數(shù)。根據(jù)承載比公式分別計(jì)算貫入量為2.5 mm 和5.0 mm 時(shí)的承載比（CBR），取兩者的較大值作為腐殖土的承載比（CBR）。承載比公式如下：

式中：CBR 為承載比，計(jì)算至0.1%；c為測(cè)力計(jì)系數(shù)（N/0.01 mm）；R為量力環(huán)百分表讀數(shù)（mm）；A為貫入桿面積（m2）；p為單位壓力（kPa）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

固化混合粒徑腐殖土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖2 所示。SAC 型固化劑及OG 型固化劑均能針對(duì)混合粒徑腐殖土提供良好的固化效果，既滿足GB 50202—2018 建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)收需地基承載力≥300 kPa 的標(biāo)準(zhǔn)要求，也相比OPC 型固化劑有更高的抗壓強(qiáng)度以及良好的經(jīng)濟(jì)性。其中SAC 型固化混合腐殖土的28 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.79 MPa，明顯優(yōu)于OG 型固化劑和OPC 型固化劑的固化效果。根據(jù)規(guī)范T/CECS 737—2020 道路固化土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程中公路固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的限值要求，SAC 型固化混合腐殖土可滿足高速、一級(jí)公路及二級(jí)公路底基層的重交通級(jí)別荷載等級(jí)要求（2.5～4.5 MPa），以及二級(jí)公路基層中、輕交通級(jí)別荷載等級(jí)要求（2.0～4.0 MPa）。OPC 型固化劑、OG 型固化劑僅可滿足二級(jí)公路底基層中、輕交通級(jí)別荷載等級(jí)要求（1.0～3.0 MPa）。

圖2 固化混合粒徑腐殖土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Figure 2 Unconfined compressive strength of solidified mixed particle size of humic soil

2.2 彈性模量

不同固化劑固化混合粒徑腐殖土彈性模量如圖3 所示。從圖3 中可以看出3 種固化方案下的固化土的彈性模量相比原土壓實(shí)樣有顯著提高，說(shuō)明固化劑的摻入能夠有效提升腐殖土的彈性模量。對(duì)比7 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)齡期下的固化土彈性模量可以發(fā)現(xiàn)，3 種固化方案下固化土的彈性模量隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，其中SACM-15 固化劑的提升效果最為明顯，在7 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)條件下使得彈性模量從原腐殖土壓實(shí)樣的2.84 MPa 分別提高至108.31 MPa 和161.57 MPa。另一方面，OG型固化劑的彈性模量提升效果優(yōu)于同齡期的OPC型固化劑。

摻入固化劑的固化土在7 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)條件下，其應(yīng)力峰值和應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率相比原土壓實(shí)樣均顯著提高（圖4）。隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率也越來(lái)越大，達(dá)到的峰值也有所提高，且破壞后應(yīng)力下降階段不斷變陡，試件更趨向于脆性破壞的現(xiàn)象。

圖4 混合粒徑固化體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 4 Stress-strain curves of solidified body with mixed particle size

2.3 滲透特性

混合粒徑固化體的滲透系數(shù)如圖5 所示。腐殖土混合固化的滲透系數(shù)在15% 摻量固化劑處理后，固化土的滲透系數(shù)都有不同程度的減小。在7 d 齡期時(shí)，SAC 型固化腐殖土的滲透系數(shù)（6.32×10-7cm/s）明顯小于原狀土（3.47×10-6cm/s）、OPC型（2.05×10-6cm/s）及OG 型（4.58×10-6cm/s）固化腐殖土。這是由于SAC 型固化劑具有早強(qiáng)特性，在固化體中能快速進(jìn)行水化反應(yīng)，與土體共同形成致密的骨架結(jié)構(gòu)，使得滲透系數(shù)顯著降低。在養(yǎng)護(hù)28 d 后，固化腐殖土的滲透系數(shù)均降低至1.09×10-6cm/s 以下，相對(duì)于原狀土優(yōu)化明顯，與其他關(guān)于水泥固化土滲透特性的研究具有近似的滲透系數(shù)，說(shuō)明本研究中固化腐殖土同樣能夠較好地滿足應(yīng)用需求［16-18］。另一方面，OG 型固化腐殖土相比7 d 齡期時(shí)滲透系數(shù)降低明顯，說(shuō)明隨著齡期的增長(zhǎng)，OG 型固化腐殖土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)展也逐步密實(shí)。而由于SAC 型固化劑早強(qiáng)高強(qiáng)的性質(zhì)，其7 d 和28 d 的滲透系數(shù)相差不大，甚至有小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，這可能是由于隨著齡期增長(zhǎng)，水化產(chǎn)物鈣礬石晶體的生長(zhǎng)使固化體內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一定程度的膨脹效應(yīng)。根據(jù)28 d 的試驗(yàn)結(jié)果，3 種固化劑處理后均能有效降低腐殖土的滲透系數(shù)，同時(shí)SAC 型固化土與OG 型和OPC 型固化土相比有更低的滲透系數(shù)，說(shuō)明該固化劑與腐殖土混合固化后能形成更為致密性的結(jié)構(gòu)，而且也能保障固化體強(qiáng)度，在工程實(shí)施時(shí)建議優(yōu)先使用。

圖5 混合粒徑固化體的滲透系數(shù)Figure 5 The hydraulic conductivity of solidified body with mixed particle size

2.4 加州承載比

依據(jù)GB/T 50123—1999、JTG 3430—2020 進(jìn)行腐殖土固化7 d 齡期后的加州承載比（CBR）試驗(yàn)，得到試件浸水膨脹試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，加州承載比試驗(yàn)結(jié)果如表5 和圖6 所示。

圖6 固化混合腐殖土單位壓力與貫入量關(guān)系曲線Figure 6 Relation curve between unit pressure and penetration volume of solidified body

表4 固化混合粒徑腐殖土浸水膨脹試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of immersion swelling test of solidified body

表5 固化混合粒徑腐殖土承載比Table 5 Load bearing ratio of solidified body

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，固化后腐殖土浸水膨脹量明顯小于原混合腐殖土膨脹量，其中SAC 型固化腐殖土膨脹量最小，OG 型固化腐殖土次之，OPC 型固化腐殖土膨脹量最大。所有固化混合粒徑腐殖土的浸水膨脹量均小于3%，說(shuō)明固化后腐殖土作為路基材料時(shí)，路基浸水破壞程度較小。

混合腐殖土原土承載比僅為3.4%，無(wú)法滿足路基填料工程應(yīng)用的CBR 控制標(biāo)準(zhǔn)，固化養(yǎng)護(hù)7 d后的固化腐殖土的承載比相比混合腐殖土原土均有明顯提升，其中OG 型固化腐殖土承載比最大（17.7%），SAC 型固化腐殖土次之（16.7%），OPC型固化腐殖土為13.8%。將以上固化后腐殖土的承載比結(jié)果與JTG D30—2015 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中路基的設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，腐殖土在固化劑的作用下，固化后腐殖土能滿足規(guī)范要求中的一級(jí)公路路基填料最小承載比限值8%的要求，說(shuō)明固化處理后其可考慮作為路基填料進(jìn)行進(jìn)一步工程應(yīng)用。

3 結(jié)論

利用水泥基材料對(duì)垃圾填埋場(chǎng)腐殖土進(jìn)行了固化試驗(yàn)，從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量、滲透特性及加州承載比等多個(gè)方面進(jìn)行力學(xué)特性探究，為垃圾腐殖土作為路用回填材料提供了試驗(yàn)支撐，接下來(lái)將考慮進(jìn)行固化腐殖土的環(huán)境毒性浸出試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)等方面的研究，進(jìn)一步完善垃圾腐殖土工程應(yīng)用的研究，根據(jù)試驗(yàn)研究分析可以發(fā)現(xiàn)：

1）水泥基材料的固化處理對(duì)腐殖土力學(xué)特性有顯著的提升效果，固化混合粒徑腐殖土試件受壓后趨向于脆性破壞，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及彈性模量均有明顯提升，其中自制硫鋁酸鹽固化劑（SAC型）表現(xiàn)相對(duì)最優(yōu)，對(duì)應(yīng)固化垃圾腐殖土在強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)指標(biāo)上領(lǐng)先于其他固化劑。

2）與普通硅酸鹽水泥（OG 型）和自制水泥-礦渣基固化劑（OPC 型）固化土相比，SAC 型固化土具有更低的滲透系數(shù)，說(shuō)明該固化劑與腐殖土混合固化后能形成更為致密性的結(jié)構(gòu)，保障了固化體強(qiáng)度及工程應(yīng)用性能，后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展重金屬浸出濃度、含鹽量、耐久性試驗(yàn)等方面的測(cè)試，在滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的條件下建議優(yōu)先使用。

3）通過(guò)水泥基材料固化處理后，固化混合粒徑腐殖土可滿足高速、一級(jí)公路和二級(jí)公路底基層重交通級(jí)別荷載等級(jí)要求，承載比值可滿足一級(jí)公路路基填料最小承載比的限值要求，具有較好的工程應(yīng)用前景。