地下工程渣土的再生固化土力学性能试验研究

杨涛， 闫美美， 刘帅磊， 李幸孺， 王梦谣

西安工程大学城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048

随着工程建设的发展，建筑垃圾量增加占用大量土地，导致土地资源浪费的同时，也易产生安全隐患［1-2］．将工程废弃材料二次处理进行资源化利用已然成为当下的一个大趋势．梁仕华等［3］利用水泥固化基坑废弃渣土并将其作为填土材料；MATSUI 等［4］将建设污泥、水泥和粉煤灰拌和后研制出了新的回填材料；陈蓉林［5］将工程废弃土作为主要基材设计新型保温空心砖；张亚洲等［6］把盾构中的废弃土重新利用到盾构过程中，研究了多种关于废弃土料的再处理方法．利用固化技术处理废弃土料，工艺简单、处理效率高、应用范围广，是目前工程中废弃土料最常用的处理方式．

在土体固化方面，水泥［7-9］、粉煤灰［10-11］、矿粉［12］和硅粉［13］等无机类胶凝材料是最常用的土体固化材料．将固化技术应用于工程废弃土料的资源化再处理中，已成为解决“渣土围城”问题的关键．彭宇等［14］对抗疏力固化剂固化黄土的力学性能进行研究，发现抗疏力固化剂可以提高黄土的阻水性和抗水性；林焕生［15］利用水泥和纤维将工程建设中的淤泥废弃土进行固化改良．

工程渣土多为地基基础开挖、地铁修建、地下商场和地下停车场等地下工程在开挖过程中所产生的松散土体，强度低、耐水性差，大多不可直接利用．面对体量庞大且产量剧增的工程渣土，减量化、无害化和资源化是处理的基本原则，以填埋为主的处理方式已不能满足当下社会发展的需求，工程渣土的资源化处理已成为目前适应社会发展的首要选择．本研究利用水泥、矿粉、硅粉、粉煤灰和外加剂固化地下余泥渣土，制备新型再生绿色材料再生固化土，为工程渣土的处理和资源化利用提供借鉴．

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所用工程余泥渣土取自中国广东省广州市某地铁工程中的废弃盾构泥，呈红褐色，基本物理指标为：天然含水率（质量分数）18.8%，液限43.2%，塑限23.4%，塑性指数19.8，密度1.86 g/m3．试验用土均为过5 mm 筛的风干土，筛分试验结果见表1．试验所用胶凝材料为P.O42.5 普通硅酸盐水泥，二级粉煤灰，S95 级矿粉和S92 级硅粉，化学成分见表2．试验用水为自来水，外加剂选用山东省荥阳市宏祥建筑外加剂厂生产的聚羧酸高性能减水剂和氯盐类早强剂，中国石油集团工程技术研究院研制的UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土絮凝剂．其中，早强剂的掺入可使水化反应加速进行，促进再生固化土（recycled solidified soil， RSS）早期强度的发展；减水剂使材料流动性得到保障的同时，不会降低材料的强度，适用于对RSS工作性能要求严格的回填工程中；絮凝剂可以显著提高混凝土等材料的水下强度并保持流动性，常用于水下不分散混凝土的制备．

表1 风干土的筛分试验结果Table 1 Screening test results of air dried soil

表2 胶凝材料化学成分表Table 2 Chemical composition of cementitious materials%

1.2 试验配比

根据广州某地铁盾构工程中产生的余泥渣土实际情况，参考渣土改良配合比相关研究［16-18］，通过改变水固比控制水的用量，使RSS的流动性满足一般回填工程的应用，试验设计配比见表3．其中，水泥质量分数为水泥质量与风干余泥渣土的质量比，矿粉、粉煤灰和硅粉的质量分数分别为其质量与水泥用量的质量比；早强剂、减水剂和絮凝剂的质量分数分别为其质量与胶凝材料（水泥、矿粉、粉煤灰和硅粉）总量的质量比，水固比为水与风干渣土和胶凝材料的总质量之比．

表3 再生固化土试验配比Table 3 Test mix of recycled solidified soil

1.3 试验方法

1.3.1 试样的制备

试验用土为含水率小于5%且过5 mm筛的风干土．分别按表3设计的配合比称取相应质量的原材料，将风干土、胶凝材料（水泥、矿粉、粉煤灰和硅粉）和外加剂（早强剂、减水剂和絮凝剂）拌合均匀后，将称量好的水少量多次倒入混合均匀的材料内，人工拌合均匀装入70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm 的立方体试模内，振捣成型后分别置于空气中和常温水中进行养护，如图1．养护24～48 h 后脱模，每组配比制备试块18个，共制作试块126个．

1.3.2 坍落扩展度试验

通过坍落扩展度试验进行再生固化材料流动性测试，坍落度仪器上口径为（100 ± 0.5）mm，下口径为（200 ± 0.5）mm，高度为（30 ± 0.5）mm，如图2（a）．试验前，需保证仪器表面无明水，将拌和均匀的再生固化土装入坍落度桶内，垂直缓慢提起坍落度桶，稳定后测量水平两个方向的坍落扩展度，如图2（b）．取水平两个方向坍落扩展度值的算术平均值作为衡量RSS流动性的值，参考实际工程中回填材料流动性分级标准，进一步评判RSS的流动性能．流动性能分级标准为：当流动性小于290 mm时，评价等级为“差”；对于一般回填工程，需保证其流动性处于290～410 mm，评价等级为“一般”；对于狭窄作业面的回填工程，流动性需大于410 mm，评价等级为“好”．

图2 坍落扩展度试验 （a）仪器；（b）测量过程Fig. 2 Slump expansion test. （a） Apparatus and （b）measurement procedure.

1.3.3 无侧限抗压强度试验

对养护龄期分别为7、14 和28 d 的RSS 试块使用DWD-100 型微机控制电子万能试验机进行无侧限抗压强度试验．试验过程中轴向的加载速率为0.1 kN·m/s，取破坏荷载最大值计算无侧限抗压强度．为了避免偶然性，每组取3 个平行试块，以3个结果的算术平均值作为每组试块的强度，当最大值或最小值与平均值之差超过中间值的15%时，取其余两值的算术平均值作为测定强度，当二者均超过时本组试块作废．

1.3.4 X射线衍射试验

为对RSS中的物质组成变化进行分析，对不同配合比，不同养护方式下的RSS进行X射线衍射试验．试验所用仪器为日本理学Rigaku台式X线衍射仪Miniflex 600，采用连续式步进扫描，扫描范围为5°～80°，扫描速度为6°/min．在进行X 射线衍射试验前，将RSS 土样进行烘干处理，置于65 ℃烘箱内烘至恒质量，后将过0.075 mm 筛的土样作为样品，放入样品台中，试验中应保证样品表面平整．

2 试验结果及分析

2.1 流动性分析

材料的流动性是衡量回填材料工作性能的重要指标，RSS的流动性随水固比、矿物掺合料质量比和水泥质量分数的改变而变化．不同因素对RSS流动性的影响如图3．

图3 不同因素对RSS流动性的影响 （a）水固比；（b）矿物掺合料质量比；（c）水泥质量分数Fig.3 Effects of (a) water-to-solid ratio, (b) mineral admixtures ratio, and (c) cement mass fraction on RSS fluidity.

1）试件RSS-1—RSS-3 中RSS 的水固比分别为0.25、0.30 和0.35，流动性随着水固比的增大逐渐增加，在水固比为0.35时，流动性值为322 mm，处于“一般”的水平， 可满足一般回填工程所需．

2）试件RSS-3—RSS-5 中水泥的质量分数和水固比不变，矿物掺合料中矿粉、粉煤灰和硅粉的质量比分别为5∶3∶2、4∶2∶1和5∶3∶1，流动性值分别为322、346 和326 mm，均处于“一般”的水平．RSS-3和RSS-5的流动性值相接近，RSS-4的流动性值高于RSS-3 和RSS-5．由此可知，在矿粉、粉煤灰和硅粉3种矿物掺合料中，矿粉和粉煤灰的质量比为4∶2时，流动性要高于为5∶3时．

3）试件RSS-5—RSS-7 中，水固比、矿物掺和料质量分数和质量比均不变，RSS的流动性值分别为326、318 和306 mm，均处于“一般”的水平．随着水泥质量分数逐渐增加，RSS的流动性值逐渐减小．从试件RSS-5 到试件RSS-6，水泥质量分数增加23%，流动性值减小8 mm．从试件RSS-6到试件RSS-7，水泥质量分数增加15%，流动性值减小12 mm．

2.2 无侧限抗压强度

材料的无侧限抗压强度受多种因素影响，是衡量材料力学性能的主要指标．本节通过研究不同水固比、矿物掺和料质量分数、水泥质量分数、龄期和养护条件下RSS的无侧限抗压强度以及其强度增长率，对RSS的力学性能进行分析．增长率指变化值与基准值的比值，用百分数表示，增加为正，减少为负．试件RSS-1—RSS-7 的无侧限抗压强度结果如表4 和图4．试件RSS-1—RSS-3 的水固比逐渐增加；试件RSS-3—RSS-5 的矿物掺和料质量比改变，且矿粉和粉煤灰的质量分数逐渐增加；试件RSS-5—RSS-7的水泥质量分数逐渐增加．由表4和图4 可知，7 组配合比中无侧限抗压强度达到最大值的是试件RSS-7：室内养护28 d时为11.23 MPa，水下养护28 d时为10.90 MPa．

图4 RSS的无侧限抗压强度 （a）室内养护；（b）水下养护Fig.4 Unconfined compressive strength for (a) indoor and (b)underwater maintenance of RSS.

表4 RSS的无侧限抗压强度Table 4 Unconfined compressive strength of RSS

2.2.1 龄期对无侧限抗压强度的影响

图5 给出了无侧限抗压强度随龄期的变化情况，表5为龄期对RSS的无侧限抗压强度增长率的影响．由表4、表5、图4和图5可知：

图5 RSS的无侧限抗压强度随龄期的变化情况Fig.5 Change of unconfined compressive strength of RSS with age. Solid lines are for indoor maintenance and dashed lines are for underwater maintenance.

表5 龄期对RSS的无侧限抗压强度增长率的影响Table 5 Effect of age on the growth rate of the unconfined compressive strength of RSS%

1）RSS 的无侧限抗压强度随着龄期的增加不断增大，且整体上7～14 d 的无侧限抗压强度增长率要大于14～28 d的增长率，说明RSS的强度来源主要集中在前期．

2）在室内养护的条件下，试件RSS-1—RSS-7的无侧限抗压强度值为0.78～11.23 MPa，7～28 d的无侧限抗压强度总增长率为45.32%～192.71%；水下养护时，无侧限抗压强度值在0.61～10.90 MPa 范围内，7~28 d 的总增长率处于63.29%～208.04%．对比可得，室内养护时，RSS 的无侧限抗压强度值大于水下养护，但无侧限抗压强度7～28 d 的总增长率小于水下养护，不同养护条件下，其无侧限抗压强度随龄期的变化趋势一致．

2.2.2 水固比对无侧限抗压强度的影响

无侧限抗压强度随水固比的变化情况见图6，随着水固比的增加，RSS的无侧限抗压强度不断减小．试件RSS-1、RSS-2 和RSS-3 的水固比分别为0.25、0.30 和0.35，水固比对RSS 的无侧限抗压强度增长率的影响见表6．

图6 RSS的无侧限抗压强度随水固比的变化情况Fig.6 Change of unconfined compressive strength of RSS with water-to-solid ratio. Solid line is for indoor maintenance and dashed line is for underwater maintenance.

表6 水固比对RSS的无侧限抗压强度增长率的影响Table 6 Effect of water-to-solid ratio on the growth rate of the unconfined compressive strength of RSS%

1）在室内养护的条件下，从试件RSS-1 到试件RSS-2，RSS 的水固比增加0.05，无侧限抗压强度减小10.40%~34.89%；从试件RSS-2 到试件RSS-3，水固比增加0.05，无侧限抗压强度减小33.99%～44.20%；从试件RSS-1到试件RSS-3，水固比增加0.1，无侧限抗压强度减小50.00%～57.55%．相同水固比增量时，随着水固比的增大，不同龄期无侧限抗压强度增长率变化幅度减小；随着水固比增加幅度的增大，不同龄期的增长率波动减小．

2）在水下养护的条件下，从试件RSS-1 到试件RSS-2，RSS 的水固比增加0.05，无侧限抗压强度减小14.99%～41.77%；从试件RSS-2 到试件RSS-3，水固比增加0.05，无侧限抗压强度减小32.61%～44.07%；从试件RSS-1到试件RSS-3，水固比增加0.1，无侧限抗压强度减小50.34%～60.76%．其无侧限抗压强度随水固比的变化情况与室内常温养护时的变化情况基本保持一致．

2.2.3 矿物掺和料对无侧限抗压强度的影响

试件RSS-3、RSS-4 和RSS-5 的矿物掺和料中，硅粉质量分数均为10%，矿粉、粉煤灰和硅粉的质量比分别为5∶3∶2、4∶2∶1和5∶3∶1．RSS 无侧限抗压强度随矿物掺和料变化情况如图7，矿物掺和料对RSS的无侧限抗压强度增长率的影响如表7．

图7 RSS无侧限抗压强度随矿物掺和料的变化情况Fig.7 Change of unconfined compressive strength of RSS with mineral admixtures. Solid line is for indoor maintenance and dashed line is for underwater maintenance.

表7 矿物掺和料对RSS的无侧限抗压强度增长率的影响Table 7 Effect of mineral admixtures on the growth rate of unconfined compressive strength of RSS%

1）在室内养护的条件下，7、14和28 d不同龄期下的RSS无侧限抗压强度随矿物掺和料的变化呈现出不同的变化趋势．从试件RSS-3到试件RSS-4，无侧限抗压强度减小，强度增长率变化幅度极小；从试件RSS-4到试件RSS-5，无侧限抗压强度增大，强度增长率变化幅度呈现一定的波动；从试件RSS-3 到试件RSS-5，无侧限抗压强度增大，强度增长率的变化较稳定，波动较小．

2）在水下养护的条件下，不同龄期的RSS 无侧限抗压强度随矿物掺和料的变化情况与室内养护时的强度变化规律，存在一定的差异．水下养护时，不同龄期下RSS的无侧限抗压强度的增长率结果的随机性较室内养护更强．水下养护时，相同条件下RSS无侧限抗压强度值较室内养护低，但强度增长率较室内养护更高．

3）不同的矿物掺和料质量比使得RSS 的无侧限抗压强度呈现出较为复杂的变化规律，由无侧限抗压强度的分析可知，m（矿粉）∶m（粉煤灰） = 5∶3时较m（矿粉）∶m（粉煤灰） = 4∶2时试件的无侧限抗压强度更大．m（矿粉）∶m（粉煤灰）相同时，随着硅粉质量分数的减少，试件的无侧限抗压强度增大；室内养护时无侧限抗压强度随矿物掺和料质量比改变的增长率值较水下稳定．

2.2.4 水泥质量分数对无侧限抗压强度的影响

随着水泥质量分数的增加，RSS的无侧限抗压强度逐渐增大，变化情况如图8．表8 给出了水泥质量分数对RSS 的无侧限抗压强度增长率的影响．由图8、表5至表8可知：

图8 RSS无侧限抗压强度随水泥质量分数的变化情况Fig. 8 Change of unconfined compressive strength of RSS with cement mass fraction. Solid line is for indoor maintenance anddashed line is for underwater maintenance.

表8 水泥质量分数对RSS的无侧限抗压强度增长率的影响Table 8 Effect of cement mass fraction on the growth rate of the unconfined compressive strength of RSS%

1）在室内养护的条件下，从试件RSS-5 到试件RSS-6，RSS 的水泥质量分数增加23%，无侧限抗压强度增大70.34%～199.00%；从试件RSS-6到试件RSS-7，水泥质量分数增加15%，无侧限抗压强度增大50.33%～134.01%；从试件RSS-5到试件RSS-7，水泥质量分数增加38%，无侧限抗压强度增大298.62%～362.14%．不同龄期无侧限抗压强度增长率变化幅度很大．

2）在水下养护的条件下，从试件RSS-5 到试件RSS-6，RSS 的水泥质量分数增加23%，无侧限抗压强度增大79.20%～205.31%；从试件RSS-6到试件RSS-7，水泥质量分数增加15%，无侧限抗压强度增大53.49%～104.46%；从试件RSS-5到试件RSS-7，水泥质量分数增加38%，无侧限抗压强度增大266.40%～382.30%，其无侧限抗压强度随水泥质量分数的变化情况与室内常温养护时的变化情况基本保持一致．

3）整体上水泥质量分数改变引起的RSS 的无侧限抗压强度增长率远大于龄期、水固比和矿物掺和料的改变．在12%～50%的范围内，水泥的质量分数对RSS的无侧限抗压强度起决定性作用．

2.3 X射线衍射分析

对不同养护方式下RSS和工程渣土进行X射线衍射分析，工程渣土和RSS 的分析结果如图9 和图10．

图9 工程渣土物质组分分析Fig.9 Analysis of material composition of engineering residues.For black line, 1, 2 and 3 are SiO2 (red line), KAl2AlSi3O10·(OH)2(blue line), and Al4Si4O10·(OH)8 (green line), respectively.

图10 RSS物质组分分析 （a）室内养护；（b）水下养护Fig.10 Analysis of the material components. (a) Indoor and(b) underwater maintenance of RSS.

水泥类无机胶凝材料固化土体主要通过自身的水解和水化反应生成的水化产物与土体进一步的化学反应来实现．由图9可知，工程渣土的主要矿物成分为石英、白云母和高岭石等高铝、高硅类矿物，其内部成分多为Al2O3和SiO2等氧化物同水泥、粉煤灰、矿粉和硅粉类胶凝材料相似，且胶凝材料中除却硅和铝之外，氧化钙的含量亦十分丰富，为RSS的水化反应提供了大量的离子成分，促进水泥类无机胶凝材料水化反应的进行．

由图10可知，RSS在不同的养护方式下，物质种类整体上是一致的，均为石英、白云母、高岭石、水化硅酸钙和水化铝酸钙等，石英、白云母和高岭石等矿物成分为工程渣土自身具有，C—S—H凝胶水化硅酸钙和C—A—H凝胶水化铝酸钙为RSS中的水泥等无机类固化材料遇水发生水化反应所形成的水化产物，其反应方程式如式（1）、式（2）和式（3）．

由胶凝物质中的硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙水化生成的C—S—H 凝胶和C—A—H 凝胶提供了RSS的早期强度，其良好的胶结固化性能可达到加固土体填充空隙的目的．在RSS中没有明显的碳酸钙出现，因此RSS中碳酸化反应不是RSS强度的主要来源．

3 结 论

通过室内配合比、坍落度和无侧限抗压强度以及X射线衍射等试验对RSS的流动性和无侧限抗压强度进行研究，可得：

1）RSS 的流动性随水固比的增加和水泥质量分数的减小而增加，其中水固比对RSS的流动性起着决定作用．当水固比为0.35时，RSS的流动性值处于306～346 mm，可满足一般回填工程中流动性要求．

2）水下养护时RSS 无侧限抗压强度值均小于室内养护，在不同养护条件下，RSS无侧限抗压强度的变化趋势是一致的，随龄期、水泥质量分数的增加和水固比的减小而增加；7组配合比中无侧限抗压强度达到最大值的是试件RSS-7，在室内养护28 d 时为11.23 MPa，在水下养护28 d 时为10.90 MPa．

3）矿物掺和料的质量分数和质量比均对RSS的性能产生影响．随着矿物掺和料质量分数的增加和质量比的改变，RSS的流动性先增大后减小，无侧限抗压强度先减小后增大，因此流动性和无侧限抗压强度一定程度上呈现出负相关关系．

4）再生固化土强度的建立主要通过无机胶凝材料中的硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙的水化反应生成的C—S—H 凝胶和C—A—H 凝胶与土颗粒之间的胶结来实现．