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淤泥质土物化特征调查及固化剂分类研究

发表时间：2021/4/20 来源：《基层建设》2020年第32期作者：彭宏伟1 孙晓龙2

[导读] 摘要：为了明确淤泥质土在路基填筑工程应用的可行性，本文以我国典型地区的淤泥质土作为研究对象，调查分析不同地区淤泥质土的物理化学指标，明确我国淤泥质土各项指标的特征及范围，同时针对不同类型淤泥质土的化学组成展开研究，明确其对于淤泥固化过程存在的潜在影响，在此基础上，明确我国现常用淤泥固化剂类型及特点，从而为我国淤泥质土的资源化利用提供相应的参考依据。

        1中铁四局集团建筑工程有限公司安徽合肥 230071
        2广东工业大学广东广州 510006
        摘要：为了明确淤泥质土在路基填筑工程应用的可行性，本文以我国典型地区的淤泥质土作为研究对象，调查分析不同地区淤泥质土的物理化学指标，明确我国淤泥质土各项指标的特征及范围，同时针对不同类型淤泥质土的化学组成展开研究，明确其对于淤泥固化过程存在的潜在影响，在此基础上，明确我国现常用淤泥固化剂类型及特点，从而为我国淤泥质土的资源化利用提供相应的参考依据。
        关键词：工程，淤泥，物化特性，调查
        1.我国淤泥基本物化性能指标
        通过对我国不同地区淤泥固化相关研究成果及文献的调查和整理，汇总了全国部分地区淤泥基本物理性质指标，总结我国不同地域淤泥物理性质指标共同之处，淤泥物化性能调查汇总结果主要如表1所示[1-3]。
        表1 全国部分地区淤泥基本物理性质指标汇总表

        由表1分析可知，不同地区淤泥的物化性能指标存在这较大的差异，尤其在淤泥的初始含水量、界限含水量、有机质含量等指标方面相差较大，但同时，物化性能的部分指标之间也存在这一定程度的共性。不同地区淤泥的物化性能指标的共性具体体现在以下几个方面：
        （1）含水量高，天然含水量一般在40%以上，有的甚至超过100%，含水量值远大于淤泥自身液限，处于流动状态。
        （2）淤泥液塑限相差较大，塑性指数均大于10，绝大部分大于17，按土的工程分类应属于黏土。
        （3）黏粒含量高，一般在30%以上，细粒含量高，导致淤泥的级配不良，降水后亦难于压实，工程性质差。
        （4）淤泥PH值在均7左右，接近中性，由于有机质的存在，淤泥偏弱酸性，有机质含量与淤泥PH值存在一定关系，随有机质含量的增加，淤泥的PH值降低，酸性增强。
        2.我国淤泥的化学组成
        通过对淤泥固化研究的相关文献进行调查和总结，归纳和整理了全国部分地区淤泥化学成分种类及相对含量，以明确不同地区淤泥在化学组成及含量方面的共性和特征。全国部分地区淤泥的化学成分组成种类及相应相对含量如下表2所示[4]。
        表2 全国部分地区淤泥化学成分含量汇总表

        由表2的相关调查结果绘制不同地区淤泥化学组分含量图，主要如下图1。

        图1 不同地区淤泥化学组分含量图
        由上图1分析可知，各地淤泥化学组成中SiO2、Ai2O3 为主要组成成分，其中SiO2的含量占淤泥化学成分比重较大，在三十个地区中，除广东天堂山水库（46.16%）、汉沽城区（49.06%）、大港城区（48.51%）、福州琴亭湖（71.60%）外，其余地区淤泥的SiO2 含量基本处于50%~70%的范围内，在60%上下浮动。
        Al2O3的含量基本在10%~20%范围内浮动，少数地区Al2O3含量较高，可达到25%以上。Fe2O3、CaO、MgO含量相对较少，含量都在0~10%范围内浮动，MgO的含量在三者中比例相对较小。
        3.现有常用固化剂分类及特征
        3.1传统土质固化剂
        传统土质固化剂有石灰、水泥、粉煤灰等几种。
        （1）石灰
        石灰加入到含有粘粒的土中，土孔隙溶液中Ca2+离子浓度大幅度增加，由于Ca2+具有较强的离子交换能力，因此Ca2+离子置换出粘土吸附的水合Na+离子，此过程可以降低粘土颗粒水膜的厚度，有利于粘土颗粒形成较强的连结；石灰溶解重结晶形成的水化氢氧化钙对石灰土强度的提高也有正面的影响，是石灰对粘土早期胶结的主要形式；石灰与微细粘粒中活性SiO2和A12O3间的火山灰反应和Ca（OH）2的碳化作用是缓慢的过程，均有助于强度的形成，火山灰反应产物是石灰土后期强度主要构成。
        （2）水泥
        水泥水化反应产生的C-S-H和C-A-H凝胶，附着在颗粒表面，并形成Ca（OH）2。Ca2+离子与土颗粒表面吸附的阳离子发生交换反应，使土颗粒改性和团粒化。Ca2+、OH-渗透进入颗粒内部，与粘土颗粒发生物理化学反应，继续生成胶凝物质，并且以水泥新生水化物为界面形成同类相接触，可以改善土的稳定性，增强土的内部结构连结和抗变形摩擦力，从而提高土体的强度和耐久性。
        （3）粉煤灰
        粉煤灰配合石灰、水泥共同稳定土体，主要是由于其在石灰、水泥水化的过程中具有潜在的活性，其固化土的机理与水泥、石灰的固化机理相似。
        3.2新型土质固化剂
        （l）高分子类固化剂
        这类固化剂加入到土体中会产生化学聚合反应而生成大的有机分子链，形成网状或空间结构，填充土中孔隙，并胶结土体颗粒。大的有机分子交换到粘土分子的表面后会产生屏蔽作用，减少土体中的吸附水，增加固化土的抗渗透性，从而提高土的工程性质。
        （2）生物酶类固化剂
        这种类型的固化剂最早源于热带丛林中发现的“土蚁窝塔”，其结构非常坚固，且耐水性能很好。科学家开始研究构筑这种神奇结构的蚂蚁唾液，研制人工合成的生物酶，作为土质固化剂用于工程。此类固化剂是由有机物质发酵而成，加入到土壤中，通过生物酶素的催化作用，经外力挤压密实后，能使土壤粒子之间粘合性增强，形成牢固的不渗透性结构。
        （3）离子类固化剂
        此类固化剂用水稀释后，产生强大的离子作用，使溶液呈高导电性，与土壤混合后，将与土壤颗粒表面吸附的活性阳离子进行强烈交换，促使土壤扩散层厚度减薄，电位势下降，土颗粒之间的排斥能降低，联结加强；同时中和土壤颗粒表面所带有的负电荷，使土粒失去对水的静电吸引力，从而释放出束缚在吸附层和扩散层内的结合水，使其转化为自由水排出，这种电化学作用可显著改良土壤的物理、力学性能。
        4.结语
        （1）淤泥含水量高，天然含水量一般在40%以上，有的甚至超过100%，含水量值远大于淤泥自身液限，处于流动状态。淤泥液塑限相差较大，塑性指数均大于10。
        （2）黏粒含量高，一般在30%以上，细粒含量高，导致淤泥的级配不良，降水后亦难于压实，工程性质差。淤泥PH值在均7左右，由于有机质的存在，淤泥偏弱酸性。
        （3）淤泥有机质含量相差较大，有机质含量不足5%的软弱粘性土不应称为淤泥类土。
        （4）各地淤泥化学组成中SiO2、Ai2O3 为主要组成成分，其中SiO2的含量占淤泥化学成分比重较大，淤泥的SiO2 含量基本处于50%~70%的范围内，在60%上下浮动。
        参考文献：
        [1]王旭.浅层淤泥质土固化剂研究[D].浙江大学，2018.
        [2]徐日庆，王旭，文嘉毅，朱兵见.浅层淤泥质土固化剂[J].上海交通大学学报，2019，53（07）：805-811.
        [3]陶攀.干湿-冻融循环下水泥固化淤泥土的力学性能与裂隙发育特征[J].硅酸盐通报，2021，40（01）：34-40.
        [4]王东星，陈政光.氯氧镁水泥固化淤泥力学特性及微观机制[J].岩土力学，2021，42（01）：77-85+92.