盾构淤泥固化土在路基回填中的应用研究_黄芳.pdf

第1 期（总第261 期）试验研究13盾构淤泥固化土在路基回填中的应用研究黄 芳（福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建省建研工程检测有限公司，福建 福州 350108）摘 要 为了探究福州地铁盾构淤泥作为道路路基填料的可行性，选择以水泥、矿渣、石膏、硅酸钠等材料作为固化剂，对不同掺配比例、不同掺量固化材料的淤泥进行了室内无侧限抗压强度、承载比（CBR）试验。结果表明，当固化剂掺量达到13%时，配比2和配比3固化的淤泥可作为低等级道路的路基填料使用。关键词 盾构淤泥；固化剂；路基；无侧限抗压强度；CBR0 引言随着福州城市地下空间开发的高速发展,盾构法在轨道交通工程建设中显现出高效、安全等工艺优势，但施工过程中产生的盾构淤泥处置问题已成为不可忽视的一大难题。2022年福州入选生态环境部发布的“十四五”时期“无废城市”建设名单，因此，如何实现盾构淤泥的资源化利用，成为福建推进“无废城市”建设、实现美丽中国目标必须考虑的一项重要内容。目前，相关研究1表明，淤泥固化后可作为路基填料使用，但由于淤泥成分的多变性仍需要开展深入研究。在国内外以往的路基填料改良中，曾广泛使用无机结合料稳定材料改良路基土来提高路基路用性能1-2。固化稳定化处理技术是改善淤泥工程特性较常见的方法。试验研究和工程实践表明，用废石膏与水泥配合加固泥炭、泥炭质土、淤泥类软土地基可以获得比单独使用水泥固化更好的固化效果3；同时，经过大量的试验证明，硅酸钠对增强淤泥固化土强度的作用明显；在水泥固化土中掺入一定比例矿渣，有利于减小土粒体间的孔隙，增加密实性，从而提高土体抗压强度。因此，通过室内试验研究水泥、矿渣、石膏及偏硅酸钠等多种固化材料对淤泥的固化效果，探讨固化盾构淤泥作为路基填料的可行性。1 试验设计1.1 试验材料1.1.1 盾构淤泥采用福州地铁4号线某施工段的盾构淤泥，其化学成分、颗粒级配物理性能见表1表3。表1 盾构淤泥化学成分分析%成分SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgOK2O Na2O 其他含量 62.89 12.925.443.322.793.070.878.70表2 盾构淤泥颗粒级配分析粒径/mm0.150.0750.0750.050.050.010.010.0050.0050.0020.002含量/%0.76.678.16.65.93.5表3 盾构淤泥物理性能分析湿密度/（kg/m3）含水率/%界限含水率孔隙比液限/%塑限/%塑性指数176065.048.730.518.21.651.1.2 固化材料（1）水泥：采用海螺水泥有限公司生产的PO 42.5普通硅酸盐水泥，主要性能如表4所示，各项指标符合通用硅酸盐水泥 GB 1752007标准要求。表4 硅酸盐水泥的性能指标密度/（g/cm3）凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3d7d28d3d7d28d3.1918534420.1 35.4 47.03.54.56.1（2）矿渣：采用S95工业矿渣，呈灰黑色，坚硬密实，表观密度约3.6g/cm3，堆积密度1600kg/m3。（3）石膏：所用石膏为型半水石膏（后文简称“石膏”），呈棱形结晶体的白色粉末，结晶颗粒较细。（4）偏硅酸钠：采用模数2的偏硅酸钠，白色固体颗粒，放置在空气中易吸潮、结块，极易溶解于水。1.2 试验设计1.2.1 设计方案作者简介：黄芳（1983），女，硕士，研究生，高级工程师，主要从事新型建筑材料、市政交通材料的检测与相关科研工作。2023 年试验研究14经过试验初步验证，在综合考虑固化材料固化效果及成本的同时，分别选取水泥16%100%、矿渣070%、石膏012%、偏硅酸钠02%，按照初试确定的比例制备混合固化剂，如表5所示。将混合固化剂按基土的5%、7%、10%、13%分别掺入基土，搅拌均匀后制备试件，测试固化土3d、7d及28d无侧限抗压强度和CBR值等指标。表5 固化材料配合比编号PO 42.5/%S95矿渣/%石膏/%偏硅酸钠/%配比116.0 70.0 12.0 2.0 配比228.0 70.0 0 2.0 配比337.0 50.0 12.0 1.0 配比450.0 43.0 6.0 1.0 配比557.0 43.0 00配比6100.0 00 0 1.2.2 试样制备（1）击实试件制备。依据 公路土工试验规程JTG 34302020中T013120194击实试验方法确定淤泥及固化淤泥的最大干密度和最佳含水率。采用干土法重型击实制备至少5个试件，分别调整为不同含水率（以3%含水率递增），预估最佳含水率为25%30%，则选取含水率20%、23%、26%、29%和32%分别制备试件，检测试件实际含水率，计算淤泥和固化淤泥的最大干密度和最佳含水率。（2）无侧限抗压强度试件制备。依据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 JTG E512009中T084320095方法制作无侧限抗压试件。按照固化剂掺入比为5%、7%、10%、13%及最大干密度与最佳含水率结果，分别计算采用不同固化剂成型6个50mm50mm圆柱体试件所需材料用量，计取压实度设计值为96%。在试件成型前0.5h内加入预定数量的固化剂并拌和均匀，采用压力试验机制件。试件脱模并进行标准养护6d后，在202水中浸泡1d再进行无侧限抗压强度检测。（3）CBR试件制备：依据 公路土工试验规程 JTG 34302020中T01342019制备CBR试件，采用内径152mm、高170mm金属圆筒静压成型试件，方法与无侧限抗压强度试件制备基本一致。试件成型标准养护28d后进行CBR检测。2 结果分析2.1 无侧限抗压强度结果及分析不同龄期无侧限抗压强度检测结果见表6。表6 无侧限抗压强度检测结果固化剂掺量/%龄期/d无侧限抗压强度/kPa配比1 配比2 配比3 配比4 配比5 配比65300000070000002806565325003493217303973763583813667074168870960060128621159814561450115611641032635214524453975357545 1022 846 821 771 894 281076 2109 1977 1940 1454 1690 133574812698673624708712701611158515421409157328277834373232325629203107由表6可知，当固化剂掺量较低（如5%）时，试件的无侧限抗压强度较低，3d和7d基本无强度，即使28d龄期，最高强度也仅为656kPa。随着固化剂掺量增加，试件的无侧限抗压强度呈增长趋势，但掺量需增加到13%时，配比2、配比3、配比4及配比6对应的7d无侧限抗压强度值才能达到1.5MPa以上，即符合行业标准 土壤固化剂应用技术标准 CJJ/T 2862018中一级固化土的指标要求。对于相同固化剂掺量时，不同配方对无侧限抗压强度影响的分析如下：由10%及13%固化剂掺量的结果分析可知，配比1水泥含量最低，对应无侧限抗压强度值也最低，而配比2在各掺量及各龄期中无侧限抗压强度基本最高，相比较于配比1，配比2少12%的石膏，但水泥含量增加12%，同时偏硅酸钠都为2%；配比3不同龄期和不同掺量时的无侧限抗压强度均低于配方2，相比较于配比2，配比3的水泥和石膏用量分别多9%和12%，但矿渣粉和偏硅酸钠用量分别少20%和1%；配比4强度接近配比3，2种配比的矿渣粉用量基本相同，偏硅酸钠用量都为1%；对比配比5和配比6，两者均未掺入偏硅酸钠，其中配比6的水泥掺量100%，配比6的无侧限抗压强度高于配比5。由配比2可知，适量的水泥水化产生氢氧化钙，形成一定碱度的环境，有助于偏硅酸钠对矿渣的激发；由配比2和配比3的对比可知，偏硅酸钠对于矿渣粉的激发优于石膏。对比配比3和配比4分析可知，相同偏硅酸钠的情况下，石膏有助于提升对矿渣粉的激发，增加固化淤泥强度，主要原因为石膏加入后，反应过程除水泥水化生成水化硅酸钙（CSH）之外，还生成钙矾石，钙矾石的膨胀性可以高效填充CSH结构中的大量第1 期（总第261 期）试验研究15（上接第 5 页）孔隙，弥补CHS在强度上的不足。但由于配比3相比较于配比2，进行碱激发产生强度的矿渣和偏硅酸钠含量均较低，因此配比3强度仍低于配比2。2.2 CBR结果分析CBR试验模拟的是土体在荷载及自重的作用下，在路基结构内部产生剪应力和相应的剪切变形破坏，其贯入过程即试件部分土体与整体之间的剪切面产生相对位移所反映出的抗剪强度，也是土体局部抗剪强度。固化剂掺量为13%的CBR试验结果见表7。试验结果表明，配比2和配比3固化淤泥在养护期达28d时，CBR试验结果可满足 公路路基施工技术规范 JTG/T 36102019中低等级道路路基填土的最小强度要求。表7 固化剂掺量13%时CBR试验结果填料应用部位（路床顶面以下深度）/m三、四级公路/市政支路及其他小路CBR/%压实度/%CBR/%配比1配比2配比3配比4配比5配比6路堤上路床（00.30）9452.75.15.03.92.52.9下路床（0.300.80）9432.75.15.03.92.52.9上路堤（0.801.50）9332.44.74.53.62.32.7下路堤（1.50）9021.73.32.72.11.82.13 结论（1）适量的水泥有助于偏硅酸钠对矿渣的激发；同时偏硅酸钠对于矿渣粉的激发优于石膏；相同偏硅酸钠掺量的情况下，适量石膏有助于提升对矿渣粉的激发，增加固化淤泥强度。（2）随着固化剂掺量的增加，试件的无侧限抗压强度呈增长趋势，试验中配制的固化剂掺量需增加到13%时，7d无侧限抗压强度值才能达到1.5MPa以上，符合现行行业标准CJJ/T 2862018中一级固化土的指标要求。（3）配比2和配比3两种固化剂掺量为13%的CBR可满足低等级道路路基填土的最小强度要求。（4）合适的固化材料掺配比例可以提高淤泥的固化强度，通过适当提高固化剂的掺量，可尝试将固化淤泥作为更高等级道路路基、底基层及基层的材料。当然，由于淤泥成分差异的特殊性，在具体的工程中应加强对淤泥可固化特性的研究，提高淤泥在道路工程中实现资源化利用的可行性。参考文献1 周伟,桑斌,张耀,等.淤泥固化土用于公路路基填土的研究J.施工技术,2020（9）:99-101.2 刘铎.淤泥用作路基填料的试验研究J.江西建材,2013（1）:18-19.3 傅贤书,胡同安.水泥废石膏加固软土的试验研究J.岩土工程学报,1998（5）:72-76.4 公路土工试验规程：JTG 34302020S.北京：人民交通出版社,2020.5 公路规程无机结合料稳定材料试验规程：JTG E512009S.北京：人民交通出版社,2010.2 ZHENG Y,CUI S P.Effect of Pore Structure and Ion Concentration of Solution on the Formation of Ettringite in Composite Cement PasteJ.Materials Science Forum,2020,5930:1382-1387.3 葛翠方,黄贵明,王爱兰.碱镍渣混凝土的制备及性能研究J.福建建材,2020（1）:18-19.4 李恒,郭庆军,王家滨,等.再生混凝土界面结构及耐久性综述J.材料导报,2020,34（13）:13050-13057.5 王晓敏,郑建岚,朱艺婷.粉煤灰颗粒特性对再生混凝土水化性质的影响J.福州大学学报（自然科学版）,2021,49（2）:238-244.6 EDUARDUS A B K,PEPE M,Martinelli E.Compressive strength and hydration processes of concrete with recycled ag-gregatesJ.Cement and Concrete Research,2014,56: