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，在漫長的地質演變過程中，產(chǎn)生難以計數(shù)的淤泥質土。然而隨著我國建設發(fā)展，環(huán)境改造活動不斷進行，填海造陸活動與河道清淤工程清理出大量淤泥質土。由于淤泥質土自身特性，使其難以得到有效利用，而運輸與堆放成本高昂又導致其經(jīng)濟價值低下。故需摻入一定量的固化劑以提高其自身強度，從而能夠改變淤泥質土的特性，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土進行了土坡固化劑加固室內(nèi)試驗，篩選出了合適的固化劑品種。魏華彬[2]對HAS土壤固化劑進行室內(nèi)實驗研究，結合現(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，及其在實際應用中的可行性和優(yōu)越性。王新岐[3]利用施工現(xiàn)場開挖的淤泥質土，添加適量固化劑，通過室內(nèi)試驗與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)互相驗證，成功實現(xiàn)對淤泥質土的固化利用。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，具有良好的工程運用前景與示范意義。張德軍[5]通過對摻入HSC301的淤泥質土進行CBR性能測試，發(fā)現(xiàn)摻入固化劑的土壤強度明顯提高。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)試驗驗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段進行試驗和觀測，提出軟土地區(qū)就地加固軟弱地基及廢棄淤泥質土（泥漿）固化后用于路基填料的技術和成套工藝，對軟土地區(qū)棄土資源化利用、實現(xiàn)土方平衡具有廣泛的推廣價值。

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

1 材料選取

以往對淤泥質土固化多采用化學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)境負擔與經(jīng)濟問題。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 選取試驗土

淤泥質土本身含水率高達54%，一般采用直接晾干進行脫水，待含水率降低到一定程度后方可進行固化，以此達到裝卸運輸或參與工程填土的目的。然而當含水率過低時土體會聯(lián)結，摻入固化劑難以攪拌均勻，以致強度分布不均勻，難以形成有效的承載特性；此外，土體與工業(yè)廢料結合，需等待發(fā)生化學反應之后才能達到效果，過少的水不利于正常的化學反應進行，導致難以達到預期效果，因此需要將含水量控制在一個合適的范圍。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

我國基礎建設蓬勃發(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，這些物質有助于改善土體力學性能，在增強穩(wěn)定性的同時亦可提高強度。

（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。粉煤灰顆粒細小，容易對人和其它動物造成健康危害，同時長期堆放不僅占用空間而且會造成環(huán)境污染。經(jīng)化學分析發(fā)現(xiàn)，粉煤灰中主要化學成分包括Al2O3、SiO2，對改善土體力學性質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行火山灰反應。

（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土中可以提升固化土的強度與穩(wěn)定性。

2 試驗方法與試件制作

2.1 試驗方法

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

設高爐礦渣含量、粉煤灰含量、電石渣含量分別為x1、x2、x3，對應土體無側限抗壓強度為y，建立y與x的回歸關系。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)量的相關研究較少，需進行預實驗確定其最優(yōu)摻量所在范圍。試驗假定三種固化劑摻入比例相當，分別摻入10%、12.5%、15%、17.5%、20%，測量改良后土體在養(yǎng)護7 d和14 d后無側限抗壓強度。試驗結果如表1。

表1 預試驗結果

為便于找到合適范圍，繪制曲線如圖1所示。

圖1 預試驗結果曲線圖

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

表2 試驗工況設計

2.2 試樣制作

按照計算比例稱量各摻量，將其混入處理含水率后淤泥質土中，攪拌均勻后制作標準試件，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24 h，拆模后密封放入養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。試件制備如圖2所示。

圖2 試件制備

養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行無側限抗壓強度測試，試驗如圖3所示。

圖3 無側限抗壓強度試驗

3 試驗結果分析

由第2節(jié)試驗所得結果見表3。

表3 試驗結果

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

齡期為7 d時，由式3可得模型回歸方程為：

通過計算可得，當x1=0.519，x2=0.243，x3=0.238的時候，改良后土能夠達到最大強度91.29 kPa，經(jīng)轉化可得高爐礦渣、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用場景為公路路基填土，其應強度達到800 kPa。在齡期7 d時無法滿足要求，故還需更長的養(yǎng)護時間。

齡期為14 d時，由式4可得模型回歸方程為：

通過計算可得，當x1=0.517，x2=0.144，x3=0.339的時候，改良后土能夠達到最大強度826.46 kPa，經(jīng)轉化可得高爐礦渣、粉煤灰、電石渣含量分別為7.75%、2.16%、5.09%。此時強度可以達到要求，但考慮實際施工有可能存在攪拌不均勻以及含水率不達標等問題，仍需較長養(yǎng)護時間才能夠滿足要求。

齡期為28 d時，由式5可得模型回歸方程為：

齡期為28 d時，通過計算可得，當x1=0.421，x2=0.115，x3=0.464的時候，改良后土能夠達到最大強度1 479.32 kPa，經(jīng)轉化可得高爐礦渣、粉煤灰、電石渣含量分別為6.32%、1.72%、6.96%。此時強度完全滿足要求。

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行分析，做出曲線圖可以更加直觀分析不同養(yǎng)護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)，在三個摻料配比最優(yōu)齡期下，養(yǎng)護齡期較短時，粉煤灰摻量較高，隨著養(yǎng)護齡期增加，粉煤灰含量逐漸減少，究其原因，粉煤灰中主要物質在固化土早期強度中發(fā)揮重要作用，而隨著齡期不斷增加，固化土強度的提高更依賴于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)護齡期下可以獲得最高的強度。

4 結論

本文選取高爐礦渣、粉煤灰、電石渣作為新型摻料對淤泥質土進行固化改良，并通過混料設計試驗確定不同齡期下最優(yōu)摻料配比，得到以下結論：

（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無側限抗壓強度值進行測量，在混料設計試驗下，擬合三階回歸方程得到相應齡期的最優(yōu)配比。

（2）結合工程實際，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。