工程废弃泥浆固化处理试验研究

□文/杜衍庆 王新岐

工程中会遇到含水量较土体液限大很多、处于流动状态的废弃泥浆，如吹填工程、地下连续墙、钻孔灌注桩、非开挖水平定向钻孔、泥水平衡式顶管、泥水加压式盾构等工程施工过程中产生的泥浆。如果能将这些废弃泥浆就地固化利用，对土地、环境、生态的保护起到至关重要的作用。目前，工程上常采用石灰、水泥、粉煤灰等无机结合料改良泥浆并对作用机制和改良效果开展了较多的试验研究[1～3]。然而，鲜有采用高效土壤固化剂固化处理工程废弃泥浆并对其力学性质开展研究的成果。

1 工程废弃泥浆固化试验验证

高效土壤固化剂采用台湾世盟国际股份有限公司提供的GURS-501固化剂，其主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO2[4]。

地下连续墙施工现场所取泥浆，含水量为150%～200%，对泥浆进行搅拌并掺加3%（固化剂掺量为固化剂与泥浆重量之比）的固化剂，24 h后即凝结硬化为固体，固化土强度可达0.2 MPa以上，见图1。

图1 地下连续墙废弃泥浆快速固化

天津滨海临港工业区的吹填泥浆掺加GURS固化剂后利用电子显微镜进行扫描，见图2。

图2 电子显微镜扫描原浆及掺加固化剂后泥浆

由图2可看出，随着固化剂掺量的增加，泥浆固化土颗粒逐渐增大并形成网状结构。图1和图2表明，固化剂可以对泥浆起到固化作用。

选取临港工业区吹填场地经过真空预压处理的吹填软土作为固化处理对象，其基本物理性质见表1。

表1 吹填土基本物理性质

根据GURS固化剂作用机理[5]，须对原材掺水重新配制为一定含水率的泥浆，加入固化剂搅拌均匀进行固化试验，对固化土的物理力学性能开展深入研究。

2 泥浆固化土无侧限抗压强度分析

无侧限抗压强度试验仪器采用南京土壤仪器有限公司生产的承载比试验仪，泥浆固化土无侧限抗压强度试验试件的成型条件：固化剂掺量2%、3%、4%、5%、6%、7%；养生龄期 7、14、28、60 d；含水率 120%、140%、160%。

2.1 固化剂掺量的影响

泥浆固化土的无侧限抗压强度与固化剂掺量关系曲线，在含水率为120%、140%、160%时特征相似，限于篇幅，仅以含水率为140%为例。各龄期下泥浆固化土无侧限抗压强度随固化剂掺量变化曲线见图3。

图3 无侧限抗压强度与固化剂掺量关系曲线

由图3可看出，随固化剂掺量的增加，各龄期下泥浆固化土的无侧限抗压强度均呈线性增长。当固化剂掺量为2%时，试样并未很好的成型，强度较弱，而在固化剂掺量达到3%～4%时，其强度明显增加，试样成型较好；当固化剂掺量达5%～7%时，泥浆固化土28 d无侧限抗压强度为0.25～0.45 MPa，已达到压实后工程土的强度。

2.2 龄期的影响

泥浆固化土的无侧限抗压强度与养生龄期关系曲线，在含水率为120%、140%、160%时特征相似，限于篇幅，仅以含水率为140%为例。各固化剂掺量下泥浆固化土无侧限抗压强度随龄期变化曲线见图4。

图4 无侧限抗压强度随龄期变化曲线

由图4可看出，各固化剂掺量下，泥浆固化土无侧限强度均随龄期的增长而增长，增幅与固化剂掺量有关。固化剂掺量为2%时，强度增长不明显；固化剂掺量为3%～5%时，7～28 d强度增长明显，近似于线性增长，之后逐渐趋缓；固化剂掺量为6%～7%时，7～14 d强度增幅最大，14～28 d次之，28～60 d最小，说明固化剂的作用在28 d时已经接近最大，所以养护周期可为28 d。

2.3 含水率的影响

泥浆固化土的无侧限抗压强度与含水率关系曲线，在各养护龄期下特征相似，限于篇幅，仅以14 d龄期为例。各固化剂掺量下泥浆固化土无侧限抗压强度随含水率变化曲线见图5。

图5 无侧限抗压强度随含水率变化曲线

由图5可看出，泥浆固化土无侧限抗压强度随泥浆含水率的增加而减小，减幅与固化剂掺量有关。当固化剂掺量为2%时，减幅较小，但强度很低；固化剂掺量为3%时，减幅较小，曲线平缓；固化剂掺量＞4%时，曲线斜率明显增大，说明固化剂＞4%时对含水率变化敏感，强度减幅大。

综上所述，当固化剂掺量为3%时，其强度在各个含水率下均比较稳定，强度值均能达到经过自然沉积的海积软土抗压强度值（25 kPa左右）且泥浆含水率为140%时，其强度衰减也并不明显，所以后续力学特性试验均以140%、160%含水率，3%掺比试样来进行试验。

3 泥浆固化土压缩性能分析

土的压缩是孔隙减小以及排水的过程，可以反映土中孔隙变化的规律，土的压缩特性与土体本身结构组成以及受力状态有关，可采用压缩系数表征。

泥浆固化土属于偏脆性材料，在无侧限抗压的情况下会产生裂纹破坏，而在有侧限的压缩试验中，其结构性对压缩曲线的影响不容忽视。为研究其压缩特性，采用含水率140%、160%泥浆，固化剂掺量3%，进行压缩试验，研究泥浆固化土的压缩特性。试验采用25、50、75、100、200、400、600、800、1 200、1 600 kPa 偏应力分级加载，龄期 7、14、28 d。试验结果见图 6。

图6 泥浆固化土e-log p曲线

由图6可看出，泥浆固化土压缩曲线呈明显的结构性土特点且具有结构屈服应力，在小应力下孔隙比减幅不明显，初始阶段曲线较为平缓，土体尚处于弹性状态，此时土的结构基本保持完好，结构强度能抵消一部分压力，变形较小。当超过结构屈服应力后，曲线有明显的拐点，拐点横坐标值即为结构屈服应力，在龄期相同情况下随着含水率的增加其结构屈服应力有所减小；在含水率相同时，随着养护龄期的增大而增大，说明在养护过程中固化土结构强度逐渐增强。在屈服点之前，曲线斜率较小，反映出孔隙比变化不大，在屈服点之后，曲线斜率明显降低，说明结构破损导致孔隙比加速减小。

根据泥浆固化土试验结果，可得到压缩系数，见表2。

表2 泥浆固化土压缩系数

由表2可看出，泥浆固化土为高孔隙比土，孔隙比最高达2.26、最低为1.91，明显高于一般软土，说明了固化土在受力过程中主要由内部“骨架”承受。再者，压缩系数随着龄期的增长逐渐降低，140%含水率情况下，7 d为高压缩性土，14、28 d为中压缩性。说明随着龄期的增长，固化土的压缩性能逐渐减弱、抵抗变形的能力加强。而随着含水率的增加压缩系数也有所增加，在160%含水率情况下7、14 d为高压缩性土，在28 d时为中压缩土。压缩试验结果表明龄期对固化土影响较大，在28 d时抗压缩能力基本达到最高值，但抗压缩能力随着龄期还在逐渐增长。

4 泥浆固化土应力-应变特性分析

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限强度，固化土与软粘土相似，抗剪强度可分为两个部分：一部分为土颗粒之间或者小型组织结构的相互摩擦产生的摩擦力，另一部分则是土体内颗粒或者小型组织结构产生的化学、物理胶结从而形成的粘聚力。对土抗剪强度的研究至关重要，其强度指标取值准确，关乎工程质量及安全。

基于固化土性质，固结能力较弱无法排水，所以选择不固结不排水三轴试验。分析泥浆固化土在三轴应力状态下偏应力及围压对其力学性质的影响。试验采用含水率140%的泥浆，固化剂掺量3%，围压25、50、75、100、200、300 kPa，龄期 7、28 d。

试验结果见图7。

图7 泥浆固化土应力-应变关系曲线

由图7可看出，泥浆固化土应力-应变关系属于典型的弹塑性关系，在应力较小时表现为弹性材料的特性，其刚度和弹性模量不变；在弹性变形结束后，随着应力的增加，结构开始破损，由弹性向塑性材料转变，当应力达到土体结构的屈服极限以后，应力不变的情况下应变持续增加，进入塑性变形阶段，说明固化土是一种强结构性土。

泥浆固化土的应力-应变曲线可以分为应变硬化型和应变软化型。当围压小于固结屈服应力时，曲线呈软化型，当围压大于固结结构屈服应力时，由于围压抑制变形的作用超出了结构提供的作用，曲线呈硬化型。曲线随着围压的增大，由应变软化型逐渐向应变硬化型曲线转化。在7 d龄期时，固结屈服应力较弱，只有在围压为25、50 kPa时为软化型曲线，而28 d龄期时，泥浆固化土养护充分，结构较强，在25～100 kPa4个围压下均为软化型曲线，说明结构屈服应力值更大，需要更大的围压才能得到应变硬化型曲线。

5 结论

1）GURS-501固化剂对含水率120%～160%的泥浆具有很好的固化效果，当固化剂掺量为2%时，其强度随着龄期的增长幅度相对较低，当掺量为3%～4%时，其强度增长明显；当掺量达5%～7%时，固化土28 d无侧限抗压强度达0.25～0.45 MPa，达到压实后工程土的强度。

2）泥浆固化土是一种强结构性土，在应力较小时表现为弹性特性，在弹性变形结束之后，随着应力的增加，结构开始破损，土体由弹性材料向塑性材料转变，当应力达到土体结构屈服极限以后，应力不增加的情况下应变不断增加，进入塑性变形阶段。

[1]刘 莹，王 清.水泥与生石灰处理吹填土对比试验研究[J].工程地质学报，2006，14（3）：424-429.

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[5]王新岐.泥浆固化轻质土应用技术研究与展望[J].城市道桥与防洪，2016，（9）：69-74.