不同固化剂改良淤泥土的试验研究

夏艳波 任睆遐 何振华 邓新宇 张艺馨

摘要：为了探究不同土壤固化剂对淤泥土的改良效果，开展了一系列室内土工试验，探究多种固化剂改良淤泥土的液塑限以及无侧限抗压强度。研究结果表明：水泥、石灰、细砂土以及生物酶均可降低淤泥质土的含水率、液限及塑性指数，并都使固化淤泥质土的无侧限抗压强度增加;通过比较分析发现，细砂土改良淤泥质土的含水率下降最明显;水泥与生物酶固化淤泥质土的无侧限抗压强度最明显，增幅分别是687.1%和903.9%，而石灰与细砂土的固化效果不显著，无侧限抗压强度增幅只有272.7%和309.5%。

Abstract： In order to explore the effect of different soil hardeners on the improvement of silt， a series of laboratory geotechnical tests were carried out to explore the liquid plastic limit and unconfined compressive strength of various soil hardeners. The results show that： cement， lime， fine sand and biological enzyme can reduce the water content， liquid limit and plasticity index of silt soil， and increase the unconfined compressive strength of solidified silt soil; through comparative analysis， it is found that the water content of improved silt soil with fine sand decreases most obviously; the unconfined compressive strength of cement and biological enzyme solidified silt soil increases most obviously， it is 687.1% and 903.9% respectively， but the curing effect of lime and fine sand is not significant， and the increase of unconfined compressive strength is only 272.7% and 309.5%.

关键词： 固化剂;淤泥质土;无侧限抗压强度

Key words： curing agent;muddy soil;unconfined compressive strength

中圖分类号：TU43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）21-0217-02

0  引言

我国幅员辽阔，土地资源种类繁多，但是在工程建设中遇到的不良土质也比较多。随着经济高速发展，基础工程建设速度提高，在海滨、湖泊、中小型河流处的工程建设中所产生的淤泥质废弃软土的处理问题也越来越值得我们重视。在工程实际中，往往会产生大量的废弃淤泥质土。因为淤泥质土一般具有含水率较大、有机质含量高、强度低等特点，难以直接应用在工程中。如果不能加以利用，则会造成一定的环境污染以及资源浪费。倘若能对其进行改良固化，用作路基材料，可以使淤泥成为一种再生资源[1-2]，实现生态友好型工程。对于淤泥土已经有一些学者开展了许多研究，如徐杨等[3]采用水泥、石灰无机固化材料对淤泥进行改良，通过无侧限抗压强度试验发现固化土的无侧限抗压强度均随着水泥或石灰的掺量增加而增加，且水泥掺量为 10-20% 范围比 5-10% 范围固化土强度增长速率大，但是造价会增加，石灰掺量以9%为最佳掺量。张铁军[4]研究了废弃淤泥填料化的改良方法，研究结果表明：改良淤泥土的物理特性和无侧限抗压强度会随者改良剂的掺量以及养护龄期的增加而变化，淤泥改良土在28d条件下可以得到较快的提高。桂跃等[5]研究了掺不同比例生石灰的2种不同初始含水率疏浚淤泥土，经过不同时长的闷料期，其击实试样的无侧限抗压强度变化规律。张丽华等[6]探讨了石灰-粉煤灰改良淤泥土的含水率、液塑限和无侧限抗压强度的变化规律。试验结果表明：粉煤灰和石灰混合掺入淤泥土可以降低其含水率，改良土的强度显著提高。由于传统固化剂存在生产过程中需要消耗大量的资源、生产过程排放污染气体等环境问题，且石灰、粉煤灰等在处治土壤中容易产生体积收缩，一些新型的土壤固化剂开始受广大学者青睐。生物酶（TerraZyme）是一种无毒、无污染蛋白质多酶基产品，可以填充土颗粒之间的无效空间，减小土颗粒间的间距，提高土体的密实度和承载力。董辉等[7]研究了生物酶固化剂加固淤泥质土的物性指标随时间变化的规律，通过三轴剪切试验及光学显微与电镜扫描发现泰然酶可以提高淤泥质土的内摩擦角，E3酶可以增加原土体的粘聚力，从而提高原土体的抗剪强度。何振华[8]等研究了不同掺量的生物酶对淤泥土的改良效果，试验结果表明：生物酶最优掺量为6%，此时改良土体的强度最高，改良效果最好。综上所述，为了探究不同固化剂对淤泥土的改良效果，本文选用水泥、石灰、砂、生物酶等材料来改良淤泥土，通过一系列土工试验，探究它们对淤泥土的固化效果，为工程建设提供一定的参考价值。

1  试验研究

1.1 试验材料

淤泥质土试样取自长沙市内岳麓区梅溪湖处的湖泊底部，由于道路拓宽建设以及城市规划需要，对这一地区的部分水塘、湖泊进行清淤处理，所取的土样呈棕褐色，带有刺激性气味，天然含水率达60-80%。根据土工试验标准方法[9]，测得淤泥土的基本物理指标，结果如表1所示。

1.2 多种固化剂

淤泥固化剂采用的水泥是湖南省南方水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，标号P.O.425;采用的石灰是由湖南省某建材厂生产的生石灰;试验用的砂采用的是细砂土，含水率为4%;试验采用的生物酶是来自泰然路通科技有限公司的泰然酶（TerraZyme），颜色呈棕褐色，粘稠状，无毒且无腐蚀性，而且没有污染，易溶于水，是一种新型环保的非传统型固化剂。

1.3 试验方案

将取回的淤泥质土先取部分测定其天然含水率，称取一定量的素土，然后将土样风干、碾碎，并过0.5mm的土工筛，将土里的草根、杂物清理掉，再对其进行界限含水率试验，得到素土的基本物理力学指标。然后根据文献，取水泥掺量为土样质量的5%，石灰与淤泥质土的质量比为1：20，细砂土的掺量与淤泥质土的质量比为1：1，生物酶掺量为淤泥质土质量的6%，取四份土样，分别与四种固化剂均匀拌合，每一份土样取部分土测量改良后的含水率，其余土样风干后再按标准进行制样与试验。取室内恒温恒湿养护14d的土样，分别进行无侧限抗压强度试验，探究固化淤泥质土的强度增长规律。

1.4 试验结果与分析

通过基本室内土工试验，测得掺不同固化剂改良淤泥质土的基本物理力学性能指标，见表2。

试验结果表明，掺5%的水泥改良淤泥质土后，对土样的天然含水率、 最大干密度、最优含水率影响不大，但是液限降低了8.95%，塑性指数降低了13.6% 。水泥固化淤泥质土是由于水泥中的熟料与淤泥质土中的水分发生了一系列水化反应，产生了水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙与氢氧化钙等凝胶，可以包裹土粒形成水泥石土块，从而提高淤泥质土的强度。掺石灰固化的淤泥质土，其天然含水率降低明显，下降了8.29%，液限下降了18.99%，塑性指数降低了17.37%。这是由于生石灰能与淤泥质土中的水分反应，生成氢氧化钙（Ca（OH）2），可以消耗掉一部分水;并且该反应属于放热反应，也能蒸发掉部分水分。掺细砂土的淤泥质土，固化后含水率显著降低，减少了46.19%，液限下降了56.3%，塑性指数降低了63%，最大干密度为原始土样的1.12倍。细砂土对淤泥质土的固化没有化学作用，主要是由于细砂土自身较好的材料性能来改善淤泥质土较差的物理性能;同时这也是一种互补，由于砂表面光滑，无黏聚性，在无侧限状态下易松散，但是淤泥土具有一定的黏性，两者拌合在一起，能够起到强化作用。生物酶改良淤泥质土，含水率下降了19.1%，液限下降显著，降幅达到38.42%，塑性指数下降了30.52%，最优含水率下降了6%。生物酶改良土是通过它的化学作用产生反应酶，这种酶可以通过离子置换作用被粘土吸附，从而使土粒吸附水的能力减弱，亲水性降低，且土粒吸水膨胀的倾向得到削弱，可以形成防水土层，对水产生屏蔽作用。

测得改良淤泥质土的基本物理力学性质后，通过无侧限抗压强度试验，得到养护14d的不同固化淤泥质土的无侧限抗压强度（UCS），其中编号A为水泥固化土样，编号B为石灰固化土样，编号C为细砂土固化土样，編号D为生物酶固化土样，E为原始淤泥质土样。结果见表3。

试验结果表明：养护14d后，水泥掺量为5%时的固化淤泥质土，其无侧限抗压强度达到280.2kPa，是原土样的687.1%;石灰改良淤泥质土的无侧限抗压强度为原淤泥质土的272.7%，相比水泥的固化效果较差;细砂土固化淤泥质土的无侧限抗压强度为145.8kPa，增幅达到309.5%;生物酶改良淤泥质土的无侧限抗压强度最高，为357.4kPa，相比未改良土样，强度增长了903.9%，故可以看出生物酶固化效果最明显。以上四种固化剂都对淤泥质土有一定的改良效果，其中水泥和生物酶对淤泥质土的改良效果最好。但是水泥的生产以及使用，对环境会造成一定的污染，当改良土样较多时，成本相对来说比较高;而生物酶的来源是植物，首先对环境无污染，并且在一定程度上，改良效果显著，经济成本较低，是合适的新型土壤固化剂。石灰和细砂土作为单一固化剂时，虽然有一定的效果，但是其改良后的无侧限抗压强度还达不到工程实际的要求。

2  结论

①水泥、石灰、细砂土以及生物酶对淤泥质土都有固化效果，其中细砂土改良淤泥质土能明显降低淤泥质土的含水率，降幅可达到46.19%，塑性指数降低了63%;生物酶改良淤泥质土的液限和塑性指数的降幅分别是38.42%和30.52%。②养护14d后，得到不同改良淤泥质土的无侧限抗压强度，其中生物酶的固化效果最好，无侧限抗压强度是原土样的903.9%;水泥改良的效果稍低于生物酶，强度增幅是687.1%，石灰和细砂土的改良强度分别是原土样的272.7%和309.5%。

本文只探讨了养护14d的土样的无侧限抗压强度增长规律，还可以进一步研究养护时间与不同固化剂对淤泥质土改良效果。

参考文献：

[1]Goreham V， Lake C. Influence of water on diffusion and porosity parameters of soil-cement materials[J]. Canadian Geotechnical Journal， 2013， 50（4）：351-358.

[2]Sunitsakul J， Sawatparnich A， Sawangsuriya A.Prediction of unconfined compressive strength of soil-cement at 7 days[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 2012， 30（1）：263-268.

[3]徐杨，阎长虹，许宝田，邵勇，阮晓红.城市河道淤泥特性及改良试验初探[J].水文地质工程地质，2013，40（01）：110-114.

[4]张铁军，杨家安，吉锋.废弃淤泥改良后作为路基填料的试验研究[J].北方交通，2013（06）：16-19.

[5]桂跃，高玉峰，李振山，宋文智，蔡超.高含水率疏浚淤泥材料化土击实时机选择研究[J].地下空间与工程学报，2010，6（05）：1072-1076.

[6]张丽华，范昭平.石灰-粉煤灰改良高含水率疏浚淤泥的试验[J].南京工业大学学报（自然科学版），2013，35（01）：91-95.

[7]董辉，程子华，刘禹岐，朱宪明.生物酶改良淤泥质土的时效强度试验研究[J].水文地质工程地质，2020，47（02）：84-94.

[8]何振华，夏艳波，任睆遐.生物酶改良淤泥土基本工程特性试验研究[J].河南城建学院学报，2020，29（01）：40-43.

[9]交通部公路科学研究院.JTG E40-2007，公路土工试验规程[S].北京：人民交通出版社，2007.