轻质淤泥固化土技术在围垦区市政道路中的应用

0 引言

我国沿海围垦吹填区的道路，传统的做法是在真空或堆载预压处理后，再采用宕渣或山皮土等材料进行路床填筑，形成一层硬壳层，然后再进行路面结构的施工。随着现代社会对环境保护的越来越重视，淤泥的废弃场地难以落实，需开挖山体而取得的土石混合料也越来越紧缺，若仍采用传统的路基处理方式，显得既不经济也不环保。同时宕渣或山皮土等材料由于自身密度大，对地基承载力要求较高，作为路床处理材料填筑后会产生较大的自重荷载，后期的工后沉降大，因此对地基处理的要求较高。淤泥土的轻质固化技术是利用固化剂对游泥等软弱土体就地进行改良固化，使土体达到一定强度以满足地基强度稳定性等工程技术要求，同时通过发泡工艺实现土体的轻质化，从而降低自重，减小道路的附加荷载，从而达到减少道路工后沉降的目的，对于围垦吹填区的道路浅层地基处理尤其适用。

目前国内对于淤泥固化轻质土已进行了大量的理论研究和室内试验工作，主要成果是以淤泥为原料土，掺加水泥、粉煤灰、石膏、矿渣等作为固化材料，并通过掺加EPS颗粒，实现淤泥的固化和轻质化。但由于吹填土主要为淤泥和淤泥质粘土，而EPS颗粒为轻质憎水性材料，容重很小，与吹填淤泥亲合力小，界面粘结力弱，所以在搅拌过程中很容易造成EPS颗粒上浮，从而使土体出现明显的分层或离析，严重影响其和易性和施工性能。

温州围垦区市政道路项目试验段路床处理采用轻质淤泥固化土技术，其主要机理是通过往淤泥中加入特定固化剂，与泥浆搅拌共融产生水化、交换、吸附、活化反应，再与发泡剂溶液一起混合发泡，经物理化学作用，泥状物中的水、土颗粒充分凝结硬化进而形成稳定、密实的结构硬化形成轻质淤泥固化土，经该技术处理后的淤泥固化土孔隙比减小，含水率降低，压缩性减小，其强度和稳定性较之淤泥有极大幅度的提高。

本文以该项目为依托，结合轻质淤泥固化土的实验及检测成果，统计分析处理前后土体特性、参数的变化规律及对工程的适用性，为理论研究提供参考资料，也为以后类似工程的地基处理提供参考依据。

1 轻质淤泥固化土作用机理

1.1 淤泥固化机理

根据固化剂的成分构成和固化原理，常用的固化剂大致可以分为四大类，分别为无机类固化剂、有机类固化剂、离子类固化剂和生物酶类固化剂。目前，工程上最常用的是水泥、石灰、粉煤灰等无机类固化剂，经固化改良后的土壤用作路基填料，具有较好的力学性能、水稳性能、耐腐蚀性和抗渗性能，且其造价低廉。但其对于高含水量的淤泥处理效果不甚理想，土体强度较低，且一般需加大固化用量，因此带来较高的经济成本。

本次采用新型无机复合型固化剂，主要成分以水泥、石灰、矿渣、石膏为主，配以一定比例的氧化铝和钠盐活性激发剂制成，其具有类似水泥的凝结硬化作用，使淤泥中的水、土颗粒、固化剂充分凝结硬化形成稳定、密实的结构，可有效克服淤泥、淤泥质粘土的高含水率，显著提高其强度、抗渗性能和水稳定性。固化剂与淤泥土颗粒充分搅拌溶合，在经过水化、火山灰反应、置换水反应、离子交换作用、土颗粒吸附作用、固化剂与土颗粒间的活性反应后固化剂与水、土颗粒充分凝结硬化进而形成稳定、密实的结构。

1.2 淤泥土轻质化

为了实现固化淤泥土的轻质化，需要在固化土中掺入发泡剂，使土体内部产生大量的均匀分布的气泡，以降低土的容重，同时保证其具有一定的强度，因此发泡剂在很大程度上决定了淤泥固化轻质土的性能。本次研究选用合成类十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂作为发泡剂，其发泡倍率≥30。为了保证发泡剂与泥浆充分搅拌均匀所需要的时间以及施工期间固化剂凝结硬化时泥浆时不消泡，采用尼纳尔和动物胶作为稳泡剂，它通过增大黏度、增强泡沫膜壁的韧性来增强泡沫的稳定性，与一般发泡剂30分钟标准泡沫泌水率20%~25%相比，它具有更长的稳泡时间，消泡时间可延长8~10倍。

2 工程项目应用

2.1 项目概况

项目区位于温州市经济技术开发区内，瓯江与飞云江之间的滩涂。项目区地貌属海积平原，现状场地均为浅滩吹填，软土分布厚度约30m，各软土分层厚度及主要参数指标见表1。

表1 岩土分层及其参数

道路软基处理首先采用塑料排水板+真空堆载联合预压进行深层处理，一般路段路床采用宕渣进行回填，厚度0.8～1.5m。一般路段工后沉降≤30cm，路床顶面回弹模量≥30MPa，设计弯沉≤310（1/100mm）。

为了对轻质淤泥固化土的参数及路用性能进行研究，本次选取次干路二（K0+200～K0+400）作为试验段，实验段采用轻质淤泥固化土代替宕渣进行填筑，路基处理图见图1。

图1 轻质淤泥固化路基处理图

2.2 轻质淤泥固化土处理方案

2.2.1 轻质淤泥固化土的制备

本次试验段轻质固化土中的淤泥取自于现状地表吹填土，属于高液限粘性土。固化剂和发泡剂分别选用上文新型无机复合型固化剂和十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂。

其施工流程如下：首先根据实验配合比，往淤泥中加入固化剂和适当的水分搅拌均匀，形成固化泥浆；然后通过气泡装置将稀释的发泡剂溶液制备为泡沫，将泡沫与制备的泥浆按照一定的比例混合搅拌，形成泥浆混合料；再通过泵送装置，将泥浆混合料摊铺至相应的位置，经物理化学作用硬化形成轻质淤泥固化土；最后经过洒水、养生≥7d后，进行路床检测，合格后再进行后续结构层的施工。

2.2.2 室内配合比试验

在本工程中，轻质淤泥固化土主要作为路床填料用于路基的浅层处理，无侧限抗压强度和密度是主要控制指标，用作路床的填料无侧限抗压强度一般需达到0.4MPa～0.6MPa，较轻的填料可以降低自重，减小道路的附加荷载，从而达到减少道路工后沉降的目的。受篇幅所限，本文仅研究固化剂掺量、固化土密度、养护龄期对轻质淤泥固化土的无侧限抗压强度的影响，通过不同的配合比实验，确定合适的固化剂、发泡剂掺入比，以应用于项目中。

以往研究表明，固化剂掺量是影响轻质淤泥固化土强度的关键因素之一，当固化剂掺量在10%～20%之间时，轻质固化土的无侧限抗压强度可达0.2MPa～1.2MPa。本次按照按不同掺量的固化剂和泡沫溶液制备固化淤泥轻质土试件，固化剂的掺量采用75kg～175kg，密度600kg/m～800kg/m，标准养生后进行无侧限抗压强度试验。

通过图2可知：轻质淤泥固化土的密度主要与发泡剂的掺量有关，固化剂掺量一定时，其密度随着发泡剂掺量的增加而减小；固化剂的掺量对固化土的密度影响相对较小，发泡剂掺量一定时，固化土的密度随着固化剂掺量的增加而增加。

图2 轻质淤泥固化土密度与固化剂、发泡剂掺量的关系曲线

通过图3可知：固化剂和发泡剂的掺量（固化土的密度）对轻质淤泥固化土的无侧限抗压强度影响较大，当固化剂掺量在100kg～200kg之间时，28d无侧限抗压强度在0.19MPa～1.16MPa之间，随着固化剂掺量的增加，固化土的抗压强度逐渐增大，基本呈线性关系；固化剂掺量相同时，固化土的抗压强度随着发泡剂掺量的增加（固化土密度的减小）而减小。

图3 轻质淤泥固化土无侧限抗压强度与固化剂、发泡剂掺量的关系曲线

通过图4可知：固化剂掺量（150kg/m）固定时，不同发泡剂掺量（不同密度）的固化土的无侧限抗压强度均随着龄期的延长而增加，前期无侧限抗压强度增长较快，28d无侧限抗压强度可达到90d无侧限抗压强度的85%～90%；28d后强度虽有提高，但逐渐趋于平缓，90d时强度已基本不再增长。

图4 不同掺量轻质淤泥固化土无侧限抗压强度与龄期的关系曲线

结合室内实验结果，综合考虑造价因素，设计轻质淤泥固化土的固化剂掺量采用150kg/m，发泡剂掺量采用1.20L/m。

2.2.3 现场检验

为了对路床处理的效果进行分析，本次通过弯沉及无侧限抗压强度来评定路床处理效果是否满足预期要求。

弯沉检测检测结果如下：最大弯沉值147.3（1/100mm），最小弯沉值115.4（1/100mm），代表弯沉值137.6（1/100mm），均远小于设计弯沉310（1/100mm）的要求。

无侧限抗压强度检测结果如下：芯样最大密度784kg/m，最小密度755kg/m，平均密度769kg/m；无侧限抗压强度最小值0.62MPa，最大值0.73MPa，平均值0.66MPa，较室内试件无侧限抗压强度低约15%，但已达到公路底基层0.6MPa的强度要求。

3 路基处理方案对比分析

本项目一般路段路床采用常规工艺宕渣进行填筑，实验段采用轻质淤泥固化土填筑，路床平均处理厚度1.2m。本次从路床顶面弯沉、工后沉降、工程造价及施工工艺等几个方面进行对比分析，结果见表2。

表2 路基处理方案对比表

通过对比分析可知：与宕渣相比，轻质淤泥固化土具有更好的板体性，更能适应软土路基的不均匀沉降；不考虑废弃淤泥的外运处理情况下，两者造价基本相当，如考虑废弃淤泥的外运处理费用，轻质淤泥固化土方案具有明显的优越性；轻质淤泥固化土的施工工艺相对较复杂，工期较长。

4 结语

①针对围垦吹填产生的淤泥，通过掺加新型固化剂、发泡剂，使其改良成为高强、轻质、稳定的路用材料——轻质淤泥固化土，土体的各项物理力学指标均得到明显改善，可有效减少道路工后沉降，提高路基承载力，节约工程投资，满足道路及配套设施建设要求。②轻质淤泥固化土可充分利用围垦吹填的淤泥，使废弃淤泥改良为轻质材料再利用成为可能，本项目仅就其改良作为路床填料进行研究，其具有轻质、高流动性的特点，施工时不需机械碾压、震捣，在桥头路基处理、管道管廊回填等领域具有广泛的应用前景。③随着不同地区地质条件差异，轻质淤泥固化土的28d龄期无侧限抗压强度不同，建议根据室内平行试验和现场试验成果综合确定合适的固化剂、发泡剂掺量及配比，以保证固化土强度达到设计要求。