浅谈淤泥固化技术在中新天津生态城中的应用

刘 俊，蒋宏伟，程海波

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300457）

0 前言

城市的飞速发展随之带来的是环境污染、资源枯竭、交通拥挤、土地紧张。严峻的城市环境现状迫使人们反思以往的城市建设模式和理念。2007年11月18日中新两国总理签署了两国政府在中国天津建设生态城的框架协议。中新天津生态城是第一个国家间合作开发建设的生态城市。中新天津生态城项目的合作，展示了两国应对全球气候变化、加强环境保护、资源与能源节约以及构建和谐社会的决心。2008年9月28日，国务院总理温家宝和新加坡国务资政吴作栋共同出席中新天津生态城开工仪式，并为生态城奠基。中新天津生态城的地质特征为：软土分布厚，地表承载力低；地下水位高，地表排水不畅；土质盐渍化，对混凝土结构存在严重腐蚀性；塑性指数高，土源干缩严重。在实际工程中面临诸多问题，如：地基处理问题（沉降、承载力）；地下水侵蚀，场地排水问题；混凝土防腐问题；绿化排盐问题；现场土源就地利用问题，等等。随着国家乃至世界形势的发展，提倡“发展绿色建材”的理念，坚持“可持续发展”的战略方针，因而“淤泥固化技术”作为一种能够实现固化淤泥用于道路建设的新型筑路技术，也越发显得有价值。本文着眼于地基处理与现场土源就地利用问题，对淤泥固化技术的应用进行相关的阐述、分析与总结。

1 淤泥及固化剂情况

1.1 淤泥

天津滨海新区濒临渤海，其浅层地质属第四纪海相为主的成因相类型。该地区土质呈现典型的“三高三低”特性，即高含水量、高孔隙比、高压缩性、低强度、低渗透性、低固结系数。同时，该地区软土含盐成分大，且沿地表以下深度及与海岸距离的不同，土体含盐量分布也极不均匀，土体特性差异显著，是典型的软弱土，对道路沉降及稳定影响较大。

中新天津生态城，位于天津滨海新区，实际还存在着大面积沼泽地。经工程分类，现场土壤属于粉质粘土，其有机质含量丰富，在半干燥状态时土壤分子间吸引力大，导致粘滞性高而不易分散，全干燥时硬度大则分散更不易，沼泽区过渡饱和水，干密度约为2.0 g/cm3，饱和密度约为3.2 g/cm3，含水率达55%以上，污泥粒径约0.001 5～0.05 mm，为盐碱土壤。现场情况详见图1、图2。

图1 现场一

图2 现场二

1.2 固化剂

钢铁产生过程中，平均生产1 t生铁可产生约300 kg的高炉石，高炉石经由水淬方式冷却，再加以磨成细粉，称“炉石粉”。炉石粉经加工后生产而成的固化剂HSC301，对于固化软基中的淤泥有着显著的效果。故选用固化剂HSC301符合中新天津生态城环保节能节源的建设理念。

1.2.1 固化机理分析

固化剂HSC301为白色粉末状无机材料，属于矿渣硅酸盐类固化剂,其主要成分为炉石粉、水泥及其它副添加料。其基本机理可以归结为两大部分：水的处理和土壤颗粒的胶结。

（1）水的处理：将游离水转化为结晶水,利用生成高结晶水的物质消耗土壤中的游离水分（见图3）。研究表明，除“化合水”以外，毛细水、吸附水以及表面张力水都将影响土壤固化。

图3 土壤中存在四类静水

（2）土壤颗粒的胶结：利用自身形成粘结土粒的结构,即类似水化产物的“C-S-H胶体”,将土粒包裹镶嵌在已经形成的结构中（见图4）。相关主要化学反应为：碳酸化反应 Ca（OH）2+CO2→CaCO3+nH2O；火山灰反应xCa（OH）2+SiO2+nH2O→xCaOSiO2（n+x）H2O，yCa（OH）2+Al2O3+nH2O →yCaOAl2O3(m+y)H2O。可简写为：炉石粉 +Ca（OH）2→类似水化产物的“C-S-H胶体”。

图4 固化剂HSC301的固化进程

1.2.2 固化剂HSC301特性

对照组患者护理前心理健康指标汉密尔顿焦虑、抑郁指数评分24.11±8.36分、24.33±8.44分，护理后心理健康指标汉密尔顿焦虑、抑郁指数评分16.12±5.36分、16.33±5.41分；试验组患者护理前心理健康指标汉密尔顿焦虑、抑郁指数评分24.11±8.32分、24.33±8.44分，护理后心理健康指标汉密尔顿焦虑、抑郁指数评分6.11±1.21分、5.33±1.41分。

固化剂HSC301添加到土壤中，首先大量形成富含结晶水的针状结晶体，穿插在土壤颗粒空隙间形成强度骨架；其次，硅酸盐类水化物填充在强度骨架之中，使固化体系进一步密实；最后，在激发剂的剧烈作用下，HSC301和部分土壤颗粒参加化学反应，使固化土具有不可逆的、良好的强度和耐久性。固化剂HSC301的特性可概括为：（1）易于拌合、均匀性、流动性等工作性较好；（2）具有较好的土壤兼容性，固化效果好；（3）具有抗硫酸盐（海水）、抗碱侵蚀作用，耐久性好；（4）高致密性、低渗透性、防水效果好；（5）防止土壤液化效果好；（6）土壤固化后不会出现二次泥化现象；（7）可克服有机酸干扰因子，加强固化效果。

2 施工流程及要点介绍

2.1 现场评估

根据现场土样的几种情况分析可知：

（1）在半干状态时，土壤分子间吸引力大，导致黏度高而不易分散，直接加固化剂HSC301混拌，必须充分混合以达到良好均匀性，否则不易发挥固化剂HSC301的性能优势。

（2）全干时硬度大，使用现有机具，如能将其完全粉碎，再采取干拌模式，直接加固化剂HSC301混拌，充分混合也可达到良好的均匀性，将HSC301固化土混合料加适当的水量调和压密，也能发挥固化剂HSC301的性能优势。

（3）在干湿混合状态下，加入固化剂HSC301混拌，利用干土的硬度大，水化速度慢的特点，以混拌中土壤颗粒来切割湿土，以期达到混拌均匀的目的，将HSC301固化土混合料加适当的水量调和压密，也能发挥固化剂HSC301的性能优势。

（4）沼泽区因过渡饱和水，土颗粒充分水化最易分散，直接加固化剂HSC301混拌，虽容易均匀，但因过饱和水量巨大，固化剂HSC301会因含水量过大而有流失的问题，且为达到适当含水量，所以固化剂HSC301使用量将会倍数增加。

2.2 施工步骤

根据现有机械设备，拌合固化剂HSC301时，首先往淤泥中加入适当的水分，利用水分子破坏土颗粒之间的的吸引力而使之液化，降低其黏度，再直接加固化剂HSC301混拌，直至达到良好的均匀度，当中应尽量节省原料使用量，采用最佳配比方案，充分发挥固化剂HSC301的性能特点。混拌模式采取容积式混拌（可用大型铁槽、货柜等容器，当作混拌设备，以挖土机直接搅拌均匀即可），见图5。再将经固化剂HSC301处理过后的淤泥平均摊铺在正确的施工位置，直接摊平并配合洒水设备调整至最佳含水率，压密后静置7 d，前3 d视状况进行洒水养护。具体施工步骤如下：

图5 容积式混拌（搅拌槽搅拌法）

（1）预备施工现场整地；

（2）铺设土工布（平接搭接处须大于30 cm）；

（3）将淤泥以及固化剂HSC301按照配比方案放入混拌槽，予以混拌均匀；

（4）将混拌均匀的HSC301淤泥固化土混合料回填到土工布上，再予以摊平，压密时配合洒水设备调整至最佳含水率，再充分压密；

（5）反复直至达所需高度（每层25～30 cm压密一次），路床养护静置7 d即可使用，前3 d视状况进行洒水养护，7 d可达1/3抗压强度，28 d后可达最大强度。

3 应用成效

“淤泥固化技术”应用于中新天津生态城工程中，有效解决了地基处理与现场土源就地利用问题，达到了提高地基承载力、减少地基不均匀沉降的目的。HSC301固化淤泥后能够满足需求强度12～15 kN/m2，其相关指标如：7 d饱水无侧限抗压强度、回弹模量值、CBR值以及渗透系数等，不仅能很好地满足规范要求，而且明显优于传统材料，可以直接作为路床使用，见图6、图7。其优点如下：

图6 竣工后的基层路面

图7 完工一年的基层路面

（1）HSC301淤泥固化土7 d饱水无侧限抗压强度可达到1.5 MPa以上,不仅很好地满足了规范要求，而且明显高于传统石灰（水泥）土；

（2）回弹模量值平均在100～150 MPa之间，远高于路基顶面回弹模量的要求（即不小于40 MPa）；

（3）CBR值一般在22%～25%之间，同样远高于《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）中的要求 ；

（4）HSC301淤泥固化土水稳性较好,水稳系数为0.75～0.78，较传统石灰（水泥）土有了很大提高，因此可以有效延长道路使用寿命，降低道路的全寿命周期费用。

4 应用前景与展望

在天津滨海新区快速发展的背景下，其市政道路建设面临的滨海新区广泛分布的软土地基问题，经过多年来的摸索和工程实践，虽已形成较为可行的软基浅层处理方式，然而，结合天津滨海新区目前软基浅层处理常用方法（见图8），即主要采用石灰、水泥、戗灰、碎石、混渣、山皮土等传统筑路材料，不难发现存在以下几点问题：

图8 滨海新区软基浅层处理常用方法示意

（1）自然资源的匮乏：开山石料的大量使用致使目前国内不少地区出现了砂石料紧缺的现象。

（2）环境的压力：石料的大量开采对山体植被造成极大破坏，从而引发山体滑坡、泥石流等自然灾害；石灰、水泥的生产过程释放大量的二氧化碳，严重加剧了温室效应，同时也对大气造成粉尘污染。

（3）传统材料的不足：例如石灰土，强度形成缓慢，影响施工进度，其石灰掺量对石灰土强度影响大，且石灰土干缩大、易开裂、易软化、水稳性差。

固化剂HSC301作为一种新型筑路材料，“淤泥固化技术”作为一种新型筑路技术，不仅实现了就地取材，节省资源和能源，保护生态环境，提高路用性能，降低工程全寿命周期费用，而且使得道路建设不受资源、生态、环保的影响，有着明显的经济效益和环境效益。对淤泥固化技术在道路结构中的具体应用总结如下：（1）淤泥固化土可代替传统石灰（水泥）土应用于路基加固，当然淤泥处理时可适当加入石灰（水泥）进行复合固化，并且可混入碎石、砂等优化土壤级配；（2）可固化淤泥形成硬壳层作为承托层供后续施工；（3）可固化淤泥提高天然地基承载力、压实度以及CBR等，具体可参见图9。

鉴于目前，道路工程中亟需采用一些新技术、新材料来代替或部分取代水泥、石灰、砂石料等传统的筑路材料，以缓解自然资源短缺、环境污染等问题。“淤泥固化技术”的应用，尤其在例如天津滨海新区这样广泛分布软土地基的区域，势必有着更为广阔的前景。

图9 淤泥固化技术在道路结构中的应用示意

[1]刘俊，蒋宏伟.固化剂HSC301应用于天津滨海软土地基浅层处理的探讨[J].城市道桥与防洪，2011（04）：47-51.

[2]刘俊，抗疏力土壤固化剂的应用研究[D].重庆:重庆交通大学,2010.

[3]王春波.天津滨海新区吹填土固化技术及固化机理研究[D].天津:天津城市建设学院,2007.

[4]季冰，肖许沐，黎忠.疏浚淤泥的固化处理技术与资源化利用[J].安全与环境工程,2010,17(2):54-56.

[5]谢国华，闫晓满，张程.广州市疏浚淤泥固化技术与工艺探讨[J].水利水电技术,2011,42(04):9-11.

[6]刘松玉.公路地基处理[M].南京:东南大学出版社,2009.

[7]JTG D30-2004,公路路基设计规范[S].