硅铝基淤泥固化剂应用现状研究

路洋 ，乐绍林 ，王伟 ，陈伟

（1.武汉二航路桥特种工程有限责任公司，湖北 武汉 430071；2.中交基础设施养护集团有限公司，北京 100011）

0 引言

我国海岸线辽阔，每年在港口和航道的建设维护工程中会产生大量的疏浚淤泥。疏浚淤泥具有含水率高、压缩性强及孔隙比大等特征，部分还有有机质和重金属污染，不对其进行有效处理就无法资源化利用，甚至对周边生态环境造成二次污染。目前，疏浚淤泥的处理方法主要包括海洋倾倒、吹填处理和再生利用3 类方法。海洋倾倒会对海洋生态环境造成难以估计的潜在影响。吹填淤泥排水固结处理费用高、工期长且易产生不均匀沉降。为了保护海洋环境和保证海洋经济的可持续发展，疏浚淤泥的再生利用逐渐成为研究的焦点。再生利用就是对疏浚淤泥进行改良，使其成为满足性能要求的建筑或填方用土，其中淤泥固化处理是经济可行的技术手段之一[1-3]。

近年来，淤泥固化技术发展迅速，为克服传统高钙体系固化材料在实际应用中存在的固化土碱性高、早期强度低后期强度增长缓慢、干缩大易开裂及耐水性差等问题，国内外学者对基于活性激发原理的硅铝基固化剂开展了大量的研究工作，研发了一系列适用性的市场化产品。本文总结了该类固化剂的材料组成、功能特性及应用现状，并对固化剂未来的研究方向做出展望。

1 传统固化材料存在的问题及原因

土壤固化剂根据化学组成和作用机理的不同一般分为无机类、离子类、有机类以及生物酶类4 大类型。其中，离子类固化剂应用范围较小，主要用于固化处理黏性膨胀土，且要求黏粒含量不少于25%。有机类固化剂具有老化性，影响固化土后期的强度和耐久性能。生物酶类固化剂具有生物降解性，不能达到长期固化的效果，从而影响固化土的使用寿命。无机类固化剂应用范围较广，适用于所有类型土壤的固化处理。

但是，在传统的无机类固化材料中，水泥对于塑性指数高的黏土和有机质含量高的土体固化效果较差，往往需要较大掺量才能满足要求，而且水泥的温缩系数和干缩系数较大，导致水泥固化土易开裂，影响使用性能。石灰固化土的强度增长缓慢，影响施工进度，而且固化土的强度不与石灰的掺量成正比，呈现先升后降的趋势，存在理论上的限制，无法满足较高的强度要求。此外，石灰固化土的水稳性差，也限制了其应用范围。究其原因，传统无机类固化材料诸如五大水泥、水泥熟料、碱矿渣水泥以及石灰等属于高钙体系，CaO（/SiO2+Al2O3）的比值大，碱含量高，尤其是在水泥熟料的水化过程中，会生成大量的Ca（OH）2。当水泥和淤泥接触时，部分淤泥中的黏土矿物会和Ca（OH）2反应，消耗一部分的碱度，由于水泥水化产物必须在一定碱度下才能稳定存在，这会导致水泥水化产物的分解来产生Ca（OH）2用以保证体系的稳定，结果影响了水泥固化土的强度。对于高含水率淤泥的固化，淤泥液相中的Ca（OH）2溶解浓度会相对降低，必须通过水泥水化产物的分解来补充，也会导致水泥胶凝性的降低，从而降低水泥固化土的水稳定性。此外，受空气中CO2的侵蚀，也会消耗水泥基体系固化土中的Ca（OH）2，促使水泥水化产物的分解来补充，从而导致水泥胶凝性的进一步降低，这也严重影响了水泥固化土的耐久性[4]。目前常用无机类固化材料CaO/（SiO2+Al2O3）特征如图1 所示。

图1 常用固化材料CaO/（SiO2+Al2O3）特征Fig.1 Characteristics of CaO/(SiO2+Al2O3)commonly used stabilized materials

2 硅铝基固化剂作用机理与特征

硅铝基固化剂多采用主固化剂添加各种激发剂或表面活性剂等添加剂配制而成。主固化剂主要为各类工业废渣、水泥熟料、粉煤灰等，激发剂主要为各种酸、碱或盐类，也包含少量的表面活性剂等其他有机材料。硅铝基固化剂由于掺加了水泥熟料等，固化过程首先发生与水泥相同的反应。主固化剂中的活性物质如C3S（硅酸三钙）和C2S（硅酸二钙）等首先与淤泥中的水发生反应，生成Ca（OH）2和C-S-H（水化硅酸钙）凝胶。随后在激发剂的作用下，灰渣中玻璃体Si-O、Al-O 长链断裂，表现为SiO2聚合度降低和SiO2、Al2O3溶出量增大，颗粒反应率增大。此外，淤泥颗粒本身的SiO2和Al2O3的活性也被激发，与Ca（OH）2反应继续生成C-S-H 凝胶和C-A-H（水化铝酸钙），C-A-H 继续反应生成钙矾石（AFt）。固化剂和淤泥颗粒作用形成交错搭接的三维网状结构，生成的C-S-H 凝胶和钙矾石填充在内部的空隙，最终形成具有整体强度的固化土。

另外，硅铝基固化剂含有的碱性材料有利于硅铝基玻璃体的化学键打开，增加了固化剂颗粒和淤泥颗粒之间的同相或类同相接触面积，进一步提高了固化土的固结强度。由于同相或类同相接触的产物是自然界稳定存在的岩石矿物，也提高了固化土的耐久性。其次，硅铝基固化剂中的钙质材料与石膏及淤泥中的活性铝，或者原来固化剂本身硅铝基材料中的活性铝反应生成钙矾石，该过程会消耗大量的水分，淤泥中水分的消耗会有利于减少淤泥颗粒之间的水膜，促进淤泥颗粒以及固化凝结材料的同相接触，同时钙矾石本身的膨胀效应会填充淤泥颗粒之间的空隙，起到强度支撑作用。此外，硅铝基固化剂中添加了一些有益于淤泥颗粒结合作用的外加剂，在加快硅铝酸盐稳定体系建立的同时，促进淤泥颗粒表面吸附离子被不同离子基团替代，减小土粒表面吸附水膜的厚度，使土粒更接近，分子引力和静电引力也随之增加，同样有利于淤泥颗粒之间的类同相和同相接触[5]。同相或类同相硅铝酸盐接触反应原理如图2 所示。

图2 同相或类同相硅铝酸盐接触反应原理Fig.2 Principle of in-phase or quasi in-phase aluminosilicate contact reaction

3 硅铝基固化剂应用现状

目前，关于硅铝基固化剂的研发和性能试验研究较多，已经市场化且应用广泛的主要包括HAS 固化剂、HEC 固化剂、Aught-Set 固化剂以及JCW 固化剂等。

3.1 HAS 固化剂

HAS 固化剂是以工业废渣为主要原料，添加各种激发剂配制而成。主固化剂包括工业废渣、水泥熟料和石膏等，激发剂主要为强碱类，也包含了少量的表面活性剂。应用项目主要包括江苏南通如东淤泥地基处理工程、江苏垞城电厂灰坝加固工程、广州珠江堤岸软基加固工程、武麻高速公路软基处理工程、武汉汉南省级公路软基处理工程以及武汉火车站西广场的淤泥基础支护工程等。

侯浩波等[6]研究了利用HAS 固化剂固化灰场原状粉煤灰用以加高坝体，掺加3%固化剂可达到10%水泥的固化效果，固化灰的内摩擦角达到36°，凝聚力超过100 kPa，渗透系数降低至1×10-5～1×10-6cm/s。涂洁等[7]利用HAS 固化剂代替传统固化材料对电镀污泥进行常温固化处理，制备出性能优良的免烧免蒸护坡砖。固化砖的机械性能、抗冻融性能及耐干湿性能均满足护坡砖规范指标，并且浸出液中重金属离子的浓度也达到标准要求。黄又清等[8]研究了利用HAS 固化剂稳定高含泥量碎石做半刚性基层材料，解决了道路基层干缩裂缝问题，提高道路寿命，大幅降低了工程造价，并在多条城市道路和快速路进行施工验证。

3.2 HEC 固化剂

HEC 固化剂由特制的核心材料复合两种或两种以上的活性矿物材料并加入适量石膏共同磨细而成。核心成分大体上可分为两部分，其中一部分为促进材料活化的活化组分；另一部分为具有潜在活性的载体，本身具有胶凝作用，同时对活性组分起稀释分散作用，使HEC 核心成分均匀分布。应用项目主要包括上海临港新城道路、货场基层淤泥淤沙固化项目、南通港狼山三期道路、堆场淤泥淤沙固化项目以及武汉市外沙湖清淤底泥脱水固化一体化处理工程等。

贺立军等[9]进行了HEC 固化剂加固膨胀土试验研究，在固化剂掺量8%时，固化土无侧限抗压强度达到了1.12 MPa，表明HEC 固化剂对膨胀土也具有良好的加固效果。吕桂军等[10]对HEC 固化剂固化沙质土和水泥固化沙质土的特点进行了比较研究，结果表明HEC 固化剂的固土效果和经济性能均优于水泥。王银涛等[11]研究了HEC 固化剂对湿陷性黄土强度及持水性的影响，结果显示随着HEC 固化剂掺量的增加，黄土持水性降低，比水容量逐渐减小，黄土强度与比水容量之间呈负相关，随着比水容量的减小，黄土的强度逐渐增加，表明HEC 对湿陷性黄土强度也有明显的增强作用。安彦勇等[12]利用HEC 固化剂对闵行铁路货场工程地基进行地基改良试验，在固化剂掺量6%的条件下，碾压后平均地基承载力达到225 kPa，且积水浸泡后，未改良段路面均不同程度出现裂缝，而改良段仍保持了很好的完整性和足够的强度，表明HEC 固化土具有极强的耐水性，有利于雨季施工和降雨频繁的地区推广使用。

3.3 Aught-Set 固化剂

Aught-Set 固化剂包含6 种主要成分，分别为S、T1、T2、P1、P2、P3。其中，S 与淤泥颗粒反应，构成三维网状结构，形成早期强度；T1用于增强固化土的耐水性，保持固化土的强度稳定；T2为激发剂，促进体系的胶凝反应形成早期强度；P1为表面活性剂，促进P2成分进入淤泥颗粒内部；P2与淤泥颗粒发生反应，增强固化土强度，同时保持后期强度增长；P3参与体系反应，生成具有膨胀性的物质，填充固化土空隙，提高抗渗和抗缩性[13]。应用项目包括塔克拉玛干沙漠公路、宁夏青铜峡大坝镇南翻浆路段基层处理、北京中南海底泥固化工程、北京钓鱼台底泥固化工程、北京昆玉河淤泥固化项目、朔黄铁路路基处理试验段和京沪高速铁路路基处理工程等。

朱步祥等[14]利用Aught-Set 固化剂对临沂市葛沟灌区土渠底部淤泥进行固化处理，7 d 抗压强度超过0.8 MPa、28 d 抗压强度大于2.0 MPa，渗透系数由原状土 1×10-5cm/s 固化后达到 5×10-7cm/s，抗冻融循环达到15 次，使用寿命远大于三合土、水泥土等传统材料，此外，可根据工程性质和施工要求调整延迟时间，且固化土的收缩量小，解决了传统固化材料固化淤泥时存在的早期强度低，水稳定性差，疲劳强度低、干缩大、易开裂、延迟时间短的问题。石丽萍[15]通过试验研究对比了Aught-Set 固化土和普通硅酸盐水泥固化土在路基填土中的性能差异，结果表明Aught-Set 固化土呈良好的板体性能、稳定性、不透水性及抗冻性，固化剂施工比传统方法施工可节省费用30%。

3.4 JCW 固化剂

JCW 固化剂主要成分包括工业废渣、偏高岭土、硅酸钾以及活化剂等，其中工业废渣的占比达到65%以上。该固化剂适用于淤泥类细颗粒包括淤泥、淤泥质土以及过湿土等。目前JCW 固化剂已经成功应用于宁波天童庄综合基地软基处理项目、大连湾沉管基槽疏浚淤泥固化填筑人工岛现场中试试验、瓯江北口大桥南锚碇地基处理工程以及西安灞河两岸提升改造工程（国际港务区段）一期清淤工程等。

杨俊钊等[16]研究了水固比、固化剂掺量以及淤泥液限、塑限等因素对JCW 固化土的流动性、无侧限抗压强度的影响，结果显示，固化土的强度随JCW 固化剂掺量成二次函数增长，JCW 固化剂更适合固化高液限和高塑限淤泥。路洋等[17]使用JCW 淤泥固化剂在大连港大窑湾港区内进行了关于沉管基槽疏浚淤泥固化处理填海筑岛的现场试验，并对浇筑后的地基进行了现场检测。检测内容包括开挖取样试验、静力触探试验以及平板载荷试验。根据现场浇筑地基28 d 指标的检测结果，对固化土的无侧限抗压强度和比贯入阻力两者与地基承载力特征值的关系进行数值拟合，得到了经验公式。陈伟等[18]系统研究了JCW 固化剂固结淤泥的作用机理，结果表明，在淤泥固化的过程中，粒径小于100 μm 的淤泥颗粒在粒径为11 μm 和45 μm 处出现明显的团粒化现象，随养护龄期增长，液塑限呈指数增加，塑性指数呈指数减小，土的类别由黏性土向粉土转变，土的状态由流塑状态逐渐变成硬塑和半固态；固化剂和淤泥作用形成交错搭接的三维网状结构，呈现出由固-水-气三相体系的淤泥逐渐向固-晶（结晶态含水化合物）-气准两相结构性体系的固化土转变。

综上所述，HAS、HEC、Aught-Set 和 JCW 均属于典型的硅铝基固化剂，相比于其他类型的无机类固化材料，最大的特征就是对基材和土壤中的潜在活性成分进行激发，让土壤颗粒本身也参与到固化反应中，从而最大化的改善土壤结构和力学性能。其中，HAS、HEC 和Aught-Set 固化剂由于本身掺加了水泥熟料等，通过水化反应可以明显的形成固化土早期强度，但是也导致了固化土的碱性偏高，而JCW 固化剂本身未掺加水泥基材料，固化土早期强度相对略低，但由于充分激发和利用了地聚合物的活性反应，所以后期强度增长稳定，整体强度较高。常用硅铝基固化剂研究汇总如表1 所示。

表1 常用硅铝基固化剂研究汇总Table 1 Research summary of commonly used silicon-aluminum-based silt stabilizer

4 结语与展望

淤泥固化处理技术效率高且施工简便，具有广阔的应用前景。硅铝基固化剂大多以工业废渣为主要原料，在处理工业固体废弃物的同时，实现以废治废，使用硅铝基固化剂代替水泥等传统固化材料用于淤泥的固化处理，节能减排绿色环保，值得广泛推广。

目前，硅铝基淤泥固化剂的研究主要集中在固化土的力学性能和水稳定性方面，关于固化土的耐久性，尤其是长期耐久性研究不足。此外，固化土的道路应用需求日益增多，以固化土作为填料的路基需要承受来自行车的动载荷作用，路基的稳定性也需要广泛关注和深入研究。另外，淤泥固化技术在施工层面缺乏统一的规范，由于施工中通过调节固化剂配比来控制的是固化土的无侧限抗压强度指标，而地基承载力却只能在施工完成之后通过检测取得，这就需要表征固化土无侧限抗压强度和地基承载力之间关系的规范来指导生产。虽然现阶段许多学者都给出了相关的经验公式，但是出入较大，部分公式也因为处理淤泥的性状差异而出现较大偏差。所以，制定统一的设计规范是亟需的。此外，淤泥固化处理后，由于渗透系数降低、孔隙率减小以及pH 值增大，会影响到固化土的植物生长性，如何提高固化土的植生性将是未来研究的重点内容。