基于荊江河段粘性棄土固化利用的土體特性研究

周谷城

（上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200063）

基于荊江河段粘性棄土固化利用的土體特性研究

周谷城

（上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200063）

為了對荊江河段護岸棄土實現(xiàn)再利用，將其固化處理后制備成水工材料，需對棄土的特性進行分析。以粘性棄土為樣本，通過對其進行pH值測定、化學成分分析、礦物組成分析和顆粒級配分析，為固化材料的選擇和配制提供依據(jù)。分析結(jié)果表明：粘性棄土的pH值為7.67，不適合選擇離子類土壤固化劑；粘性棄土中SiO2、Al2O3含量比較高，其他物質(zhì)及有機質(zhì)含量較少，固化材料需能提供有效的OH根離子，促使活性SiO2、Al2O3溶蝕，從而提高火山灰反應的速度；粘性棄土中粘性礦物比重低，土樣活性較差，固化材料中需添加一定量的堿性激發(fā)劑激活黏土中礦物的活性；依據(jù)化學成分和礦物組成的測定結(jié)果，同時考慮到固化制品的水穩(wěn)性能，適合選擇無機類土壤固化劑；粘性棄土的粒徑分布范圍窄，土的級配不良，固化材料中需要添加一定量粗骨料。

粘性棄土；固化；pH值；化學成分；礦物組成；顆粒級配

1概述

我國幅員遼闊，有著眾多的江河湖泊，隨著河流航道整治的推進，為保證航道岸坡的穩(wěn)定性，需對岸坡進行削坡處理，或者對河流航道進行疏浚，工程中將產(chǎn)生大量棄土。棄土的轉(zhuǎn)運、存儲不僅花費巨大，而且會影響環(huán)境。如果將棄土資源通過固化技術(shù)制備成水工材料、建筑材料，就近應用于航道整治工程及城市建設(shè)中，在避免棄土轉(zhuǎn)運的同時也減少土地占用、降低工程造價、解決固體廢物的二次污染問題并能緩解航道整治工程對環(huán)境的影響，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益［1］。本文針對荊江河段整治產(chǎn)生的棄土，擬通過固化處理制備成水工材料就地使用。在進行固化材料的選擇和配制之前對荊江河段護岸棄土的化學組成和顆粒級配等物理化學性質(zhì)進行分析，為固化材料的組成和配制提供依據(jù)。

2 粘性棄土特性分析

2.1 土樣的pH值

土的pH值常被看作土壤的主要變量，它對土的許多化學反應和化學過程有很大影響，對土中的氧化還原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反應起支配作用。由雙電層理論可知，pH值可以影響雙電層的厚度，從而改變土的結(jié)構(gòu)。這是由于pH值改變了OH基的離解程度，pH值增大，OH基的離解程度增大，凈負電荷數(shù)增加，雙電層變厚，土結(jié)構(gòu)更分散；反之，pH減小，OH基的離解度降低，凈負電荷數(shù)減少，雙電層厚度變薄，引起土結(jié)構(gòu)絮凝。所以土的pH值會影響土的活性［2-3］。

依據(jù)JTGE40—2007《公路土工試驗規(guī)程》采用電位法進行土樣pH值測定［4］。試驗方法如下：采用四分法取樣，稱取過1.18 mm篩的風干黏性土10 g，將試樣放入燒杯中，加蒸餾水50 mL（土水比例為1∶5），攪拌5 min，靜置30 min；將25～30 mL的土懸液盛于50 mL燒杯中，將該燒杯移至電磁攪拌器上，再向燒杯加一只攪拌子，然后將已校正完畢的pH計的電極插入杯中，開動電磁攪拌器2 min，從pH計數(shù)字顯示器上直接讀數(shù)，準確至0.01。

黏土土樣的pH值測試結(jié)果為7.67，土樣呈微堿性，OH基的離解程度較大，雙電層較厚，說明土樣的活性比較低［2］。該黏土不適合選擇離子類土壤固化劑，此類固化劑對土壤有較強的選擇性和針對性，不適用于pH值大于7.5的堿性土壤［5］。

2.2 土樣的化學成分

本試驗參考GB/T 16399—1996《黏土化學分析方法》進行［6］。分析試樣全部通過孔徑為0.088 mm篩，約取5 g試樣平攤在稱量瓶（直徑為50 mm）中，在105～110 ℃烘箱中烘2 h以上進行化學成分檢測。檢測結(jié)果如表1所示。

表1　 黏性土化學成分分析結(jié)果

化學分析結(jié)果表明：粘性棄土中SiO2、Al2O3含量比較高，其次依次為CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O。土樣中9種主要成分（SiO2、Al2O3、Fe22O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2和SO3）含量達99%，其中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O34種組分含量之和達到90%，說明其他物質(zhì)及有機質(zhì)含量較少。

SiO2和Al2O3的含量多，具有很大的化學潛能，土壤中的Si和Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應，生成更多的C-S-H；土壤中的Al和Ca（OH）2反應生成具有黏性的C-A-H。固化材料需能提供有效的OH根離子，形成較強的堿性環(huán)境，促使活性SiO2、Al2O3溶蝕，從而提高火山灰反應的速度［7］。

2.3 土樣的礦物組成

黏性土礦物組成分析依據(jù)SL237069—1999《土的礦物組成試驗》進行［8］。黏性土自然風干后過2 mm篩后進行預處理。預處理過程如下：用稀鹽酸去除碳酸鹽，濃H2O2去除有機質(zhì)，用0.5 mg/ml NaOH調(diào)節(jié)懸浮液pH為7.3左右，經(jīng)過超聲波分散，以自由沉降法提?。? μm粘粒并稱重，計算土壤中＜2 μm粘粒含量，得到黏性土樣品中＞2 μm粗粒含量為73%，＜2 μm粘粒含量為27%。因為細顆粒中含更多活性物質(zhì)，所以分粗細顆粒分別檢測。結(jié)果如表2所示。

表2　 黏性土礦物相對百分含量

（1）＜2 μm粘粒：＜2 μm粘粒用檸檬酸鈉—碳酸氫鈉—連二亞硫酸鈉祛除游離氧化鐵，Mg+飽和后，用10%甘油水溶液處理，制成定向薄膜，置于飽和Ca（NO3）2的干燥器（相對濕度為50%）中，放置過夜后進行X射線衍射分析如圖2所示。

（2）＞2 μm粗粒：將樣品在瑪瑙研缽中磨細后，裝入鋁合金的樣品盤中，輕輕壓緊。直接進行X射線衍射分析如圖3所示。

土樣的X射線衍射圖如圖4所示，由圖可知黏性土中主要礦物為石英、長石、水云母、綠泥石、蛭石及蒙脫石等。其中石英、長石類原生礦物的特征峰最為明顯。土壤的活性主要來自粘性礦物的活性，非粘性礦物結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，一般很難與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應［2,9］。黏性土中小于2 μm顆粒中的活性礦物高嶺石、蒙脫石及綠泥石的含量分別為17%、4%和26%，占小于2 μm顆粒的47%，占總質(zhì)量的12.7%，小于2 μm顆粒中活性礦物和非活性礦物比例相當，則小于2 μm黏性土活性較好。

圖2　 黏性土小于2 μm試樣XRD圖

圖3　 黏性土大于2 μm試樣XRD圖

圖4　 黏性土試樣XRD圖

黏性土中大于2 μm顆粒中的非黏土礦物水云母、閃石、石英、長石的總含量為82%，占總質(zhì)量的60%，粘性礦物蛭石和綠泥石含量為18%，占總質(zhì)量的13%。較之于小于2 μm顆粒，大于2 μm顆粒中活性礦物含量少，活性差。

黏性土中粘性礦物與非粘性礦物相比約為3/7，粘性礦物比重低于非粘性礦物含量，土樣活性較差。為了能夠激活黏土中礦物的活性，使其也成為一種反應物質(zhì)，大幅度提高固化效果，固化材料中還需添加一定量的堿性激發(fā)劑［10］。

依據(jù)化學成分和礦物組成的測定結(jié)果，又考慮到固化制品的水穩(wěn)性能，適合選擇無機類土壤固化劑［11-12］。

2.4 土樣的顆粒級配

顆粒分析試驗是測定干土中各種粒組所占該土總質(zhì)量的百分數(shù)的方法，以此顯示顆粒大小分布情況，土粒表面的活性隨著粒徑的減小而增大，隨著粒徑的減小，有機物含量、陽離子交換量、最大吸濕量都隨著急劇增大，因此研究黏性土的顆粒組成對分析土的活性有很大的意義。

黏性土的顆粒級配分析依據(jù)DL/T5355—2006《水電水利工程土工試驗規(guī)程》采用激光粒度分析儀進行［13-14］。

稱取500.0 g自然風干黏性土，進行水洗，發(fā)現(xiàn)大部分通過0.075 mm篩，剩余少量的顆粒部分為有機雜質(zhì)（如草皮草根等）。因此根據(jù)規(guī)范，取黏性土試樣采用激光粒度分析儀進行細分析。

采用LS603歐美克激光粒度分析儀進行激光粒度分析，試驗參數(shù)如表3所示。

根據(jù)顆粒級配曲線，可按下式計算不均勻系數(shù)Cu，

式中：d60、d10分別為粒徑曲線上小于某粒徑的土粒含量分別為60%、10%時所對應的粒徑。

黏性土粒度特征參數(shù)如表4所示，黏性土顆粒級配圖如圖5所示。

表3　 激光粒度儀測定黏性土顆粒分布參數(shù)設(shè)定

表4　 黏性土粒度特征參數(shù)

由以上結(jié)果可知，黏性土顆粒主要集中于0.002～ 0.05 mm。此區(qū)間的顆粒達92%左右。黏性土的粒徑分布范圍窄，小于0.02 mm顆粒含量為80%左右，0.02～0.05 m m的塑性顆粒含量為20%左右，沒有0.05～ 1.2 mm的填充顆粒，也沒有1.2～2 mm的粗顆粒，土的級配不良。

圖5　 黏性土顆粒級配圖

在固化制品生產(chǎn)工藝中，一般對原料顆粒級配進行如下控制：將粒徑小于0.0 5mm的粉粒稱為塑性顆粒；粒徑為0.05～1.2 mm的稱為填充顆粒；粒徑為1.2～2 mm的稱為粗顆粒。合理的顆粒組成為：塑性顆粒35%～50%，填充顆粒20%～65%，粗顆粒小于30%。

對于壓制成型固化材料，細粒級的增加會使膠凝材料與土顆粒接觸孔隙增多嚴重影響制品的強度，因此，固化材料需要添加一定量粗骨料。

3 結(jié)論

（1） 黏土土樣的pH值測試結(jié)果為7.67，土樣呈微堿性，雙電層較厚，說明土樣的活性比較低。該黏土不適合選擇離子類土壤固化劑。

（2）棄土中9種主要成分（SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2和SO3）含量達99%，其中SiO2、Al2O3含量比較高，SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O34種組分含量之和達到90%，說明其他物質(zhì)及有機質(zhì)含量較少。固化材料需能提供有效的OH根離子，形成較強的堿性環(huán)境，促使活性SiO2、Al2O3溶蝕，從而提高火山灰反應的速度。

（3）由X射線衍射分析可知粘性棄土中粘性礦物與非粘性礦物相比約為3/7，粘性礦物比重低于非粘性礦物含量，土樣活性較差。為了能夠激活黏土中礦物的活性，使其也成為一種反應物質(zhì)，大幅度提高固化效果，固化材料中需添加一定量的堿性激發(fā)劑。

（4）依據(jù)化學成分和礦物組成的測定結(jié)果，同時考慮到固化制品的水穩(wěn)性能，適合選擇無機類土壤固化劑。

（5）由顆粒分析可知粘性棄土的粒徑分布范圍窄，土的不均勻系數(shù)小，土的級配不良。對于非燒結(jié)固化材料，細粒級的增加會使膠凝材料與土顆粒接觸孔隙增多嚴重影響制品的強度，因此，固化材料需要添加一定量粗骨料。

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Study on Soil Characteristics Based on Solidification Reutilization of Cohesive Spoil from J ingjiang River Segment

Zhou Gucheng
（Shanghai Water Engineering Design & Research Institute Co., Ltd, Shanghai 200063, China）

In order to realize the reuse of the spoil from Jingjiang River segment, it was feasible to get the preparation of material for water project through solidification treatment of the spoil, the characteristics of the spoil needed to be researched. Taking cohesive spoil as a sample, the analysis of the pH, chemical composition, mineral composition and particle size distribution were carried out to provide the basis for the selection and matching of the solidified materials. The results showed that: (1) the cohesive spoil's pH was 7.67, which was not suitable for selecting ion soil consolidating additive; (2) the total content of SiO2、Al2O3was higher. The other substances and organic matter content was less. The consolidating material must be able to provide effective OH-and promote the dissolution of active SiO2、Al2O3, so as to improve the speed of the ash reaction; (3) the proportion of clay mineral was low, so the activity of the soil sample was poor. A certain amount of alkali activator was needed to activate the activity of the clay minerals; (4) according to the determination results of chemical composition and mineral composition, at the same time, considering the water stability performance of the solidified products, it was suitable to choose inorganic soil consolidating additive; (5) the cohesive spoil had a narrow particle size distribution range, and the particle size mainly concentrated in the 0.002～0.05 mm, and the cohesive spoil is a poorly graded soil. So it needed to add a certain amount of coarse aggregate to the solidified materials.

cohesive spoil; solidification; pH; chemical composition; mineral composition; particle gradation

TV41

A

1672-9889（2016）04-0073-04

周谷城（1991-），男，湖南長沙人，助理工程師，主要從事港口航道、碼頭的設(shè)計研究工作。

2015-09-28）