新型CVC固化剂固化淤泥结构表征与路用性能

王朝辉¹，赵娟娟¹，曾伟²，王新岐²，狄升贯²

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安，710064；

2. 天津市市政工程设计研究院，天津，300051)

摘要：将蛭石作为改性剂应用于淤泥固化处治，并添加水泥、生石灰等材料，制备出一种新型CVC固化剂。借助TEM试验、FTIR试验和XRD试验，全面分析了CVC固化淤泥时发挥功能的微观机理；基于击实试验、加州承载比试验和无侧限抗压强度试验，确定了固化剂的最佳配比；采用抗压回弹模量试验、耐水试验和抗冻融试验评价了固化淤泥的路用性能。结果表明：蛭石粉可均匀分散在淤泥土中，增强淤泥内部稳定性；蛭石可有效提高淤泥的最佳含水量，添加水泥和生石灰可有效弥补蛭石引起的强度损失；CVC固化剂的最佳配比为8%水泥+4%蛭石+3%生石灰；CVC固化剂对淤泥路用性能改善效果较优，具有较强实用价值和应用前景；

关键词：CVC固化剂；淤泥；微观机理；路用性能

中图分类号：U414.1           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)03-0917-08

Microstructures and road performance of silt stabilized by new CVC stabilizer

WANG Chaohui¹, ZHAO Juanjuan¹, ZENG Wei², WANG Xinqi², DI Shengguan²

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China;

2. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute, Tianjin 300051, China)

Abstract: To improve the optimum water content of silt and overcome the difficulty of compaction when silt is used in highway subgrade engineering, the stabilizer named as CVC was prepared by mixing cement, vermiculite and quick lime. The microstructures of stabilizer and stabilized silt were characterized by transmission electron microscope (TEM), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-Ray diffraction (XRD). Through compaction test, California bearing ratio test (CBR) and unconfined compressive test, the most appropriate composition of CVC stabilizer were determined. Based on this, compression modulus of resilience test, water resistance test, freezing and thawing test were carried out to evaluate the road performance of the stabilized silt. The results show that vermiculite can disperse evenly and forms a stable structure with silt. The water in silt can be absorbed effectively by vermiculite, and the loss of strength caused by vermiculite can be made up with the adding of cement and quick lime, and finally the properties of the stabilized silt are improved. The optimum proportion of CVC stabilizer is 8% for cement, 4% for vermiculite and 3% for quick lime by weight of silt. Compared with other stabilizer, the road performance of CVC is better, and it is worth being popularized with a promising application future.

Key words: CVC stabilizer; silt; microstructures; road performance

淤泥土含水量高，抗剪强度低，排水固结慢，工程性差，不能直接用于路基填筑，需进行固化处治^[1-4]。目前，国内外改良淤泥采用的固化材料多为水泥、石灰、粉煤灰或这些材料相互拌和的混合物^[5-7]，Tomohisa等^[8]提出用混凝土粉末、纸浆渣、粉煤灰和火山灰土加固处理含水量高和有机质含量高的土体，可以得到一定强度的固结土壤，满足工程对土壤力学强度的要求；Chu等^[9]利用铜渣和水泥对污泥进行了固化研究，结果表明能够满足工程路用性能要求；朱书景等^[10]应用土壤固化剂(HAS)处理海相淤泥，指出一定掺量的灰渣胶凝材料能够显著提高改性淤泥各个龄期的强度。但是，上述固化剂均存在一定缺点，以石灰、粉煤灰或工业矿渣处理的软土或污泥会在养护过程中产生较大的体积收缩，路用性能较差，HAS虽有较好的固化效果，但是受咸潮影响较大，此外，除水泥、粉煤灰等常用固化剂材料之外，其余固化剂材料往往成本较高，使用范围相对较窄。同时，淤泥具有高含水量的特征，难以满足路基对填料最佳含水率的要求^[11-14]。因此，寻找一种路用性能良好、价格合理、可显著提高淤泥最佳含水量的固化剂是亟待解决的问题。本文作者采用水泥、蛭石和生石灰制备出一种能显著提高淤泥最佳含水量、增大淤泥强度和减小其收缩性的新型淤泥复合固化剂(CVC)，分析了其固化淤泥时的微观机理，并系统研究了其固化淤泥的路用性能。

1  试验

1.1  原材料

淤泥为天津某地区滨海淤泥，参照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)测试其基本物理指标，结果如表1所示。

蛭石粉(V)为层状结构的硅酸盐，产自河北省灵寿县，细度为246 μm，其化学成分如表2所示。

水泥(C)为河北省武安市某水泥厂生产的325号普通硅酸盐水泥，生石灰粉(Ca)为河北石家庄某厂生产。

上述原料均满足各自的规范要求。

1.2  材料制备方法

首先将淤泥晾晒、破碎，然后过筛清除淤泥中的杂质，采用SJ-160型砂浆搅拌机，按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》规定的搅拌制度拌和淤泥与固化剂。

1.3  试验方法

为评价CVC固化剂固化淤泥的路用性能，对确定的最佳配比(8%水泥+4%蛭石+3%生石灰)的CVC固化淤泥进行抗压回弹模量试验、耐水性能试验和抗冻融试验。

1.3.1  抗压回弹模量试验

试件尺寸为100 mm×100 mm(直径×高)，标准养生89 d，浸水1 d后，在路面材料强度仪上进行抗压回弹模量测定。

1.3.2  耐水性能试验

试件尺寸为100 mm×100 mm(直径×高)，在压力机上成型后用保鲜膜裹附，放置于养生箱中养生5 d后，其中部分试件放入恒温水槽中浸水2 d，待养生期结束后，分别测定正常养生和浸水2 d的固化淤泥试件的7 d无侧限抗压强度。

1.3.3  抗冻融试验

试件尺寸为150 mm×150 mm(直径×高)，在压力机上成型后试件用保鲜膜裹附，放置于养生箱中养生，在养生最后一天将试件放入恒温水槽中。养生结束后的部分试件放入-18 ℃的低温箱中冻结16 h，然后再放入20 ℃的恒温箱中融化8 h，为1次冻融循环，按规范要求，共进行5次冻融循环。

2  微观机理分析

2.1  TEM试验

采用透射扫描电镜分别对纯淤泥、蛭石粉、掺加蛭石粉固化后的淤泥进行了TEM测试。不同分辨率条件下的各样品TEM试验结果，如图1~3所示。

表1  滨海淤泥的基本物理性质

Table 1  Index properties of silt

表2  蛭石的物化指标

Table 2  Physical and chemical properties of vermiculite

图1  纯淤泥土的TEM像

Fig. 1  TEM image of pure silt

图2  蛭石粉的TEM像

Fig. 2  TEM image of vermiculite

由图1可知：纯淤泥土颗粒形状不规则，尺寸大小不一，分散不均匀，并存在结团现象，淤泥土颗粒的表面形貌纹理不清晰，呈现不规则形态。

由图2可知：蛭石粉的表面形貌呈现出层状片层结构，在界面处存在微裂纹，放大后，观测到蛭石粉表面较光滑，有微小波纹，但不存在其他特殊的形貌结构。

图3(a)中，黑色颗粒状物质为土颗粒，在其周围分布的絮状物质为蛭石粉，可以看出蛭石粉能均匀分散在土颗粒周围，土颗粒被蛭石粉包裹，形成稳定密实结构；图3(a)与图1比较发现，淤泥土颗粒尺寸显著减小，土粒分散均匀，结团现象明显减少，这是由于蛭石粉吸收了淤泥土中的水分。

2.2  FTIR试验

为研究蛭石粉固化淤泥过程中，两者是否发生物理化学反应及分散情况，分别对淤泥、蛭石粉、掺加蛭石粉固化后的淤泥进行FTIR测试，试验结果如图4所示。

图3  掺加蛭石粉固化后的淤泥土TEM像

Fig. 3  TEM images of silt adding vermiculite under different resolutions

图4  蛭石粉与淤泥的FTIR谱

Fig. 4  FTIR spectra of pure silt, vermiculite and their mixture

从图4可以看出：掺加蛭石粉固化后的淤泥在3 620 cm^-1处由—OH引起的伸缩振动减弱，表明淤泥中水分明显减少，这是由于矿物蛭石层间水中—OH 以氢键缔合时 H—O的伸缩振动对水分的吸收引起；另外，1 000 cm^-1处伸缩振动减弱，这说明用蛭石粉固化淤泥不影响有机质的存在。

2.3  XRD试验

采用XRD试验，分别对淤泥及各种固化剂样品进行测试，以分析固化剂在淤泥中的固化机理。测试了蛭石、原淤泥与添加4%蛭石固化后淤泥的XRD 谱，结果见图5。通过与PDF卡对照分析得出：固化剂中所采用蛭石含有杂质，其化学成分组成有Mg_x(Mg,Fe)₃(Si,Al) (蛭石)，NaAlSi₃O₈(钠长石)，SiO₂(石英)，KMg₃(Si₃Al)O₁₀(OH)(金方母)，Na0.3Al₆(Si,Al)₈O₂₀，Ca₂(Mg,Fe)₅Si₈O₂₂(阳起石)等。由图5可以看出：采用蛭石固化后的淤泥与未掺加蛭石的淤泥的峰值和出现位置基本完全相同。因此，可以判断出蛭石固化淤泥的过程中，并没有发生化学反应而产生新的物质，只是蛭石吸水的过程。

图5  蛭石固化淤泥的XRD谱

Fig. 5  XRD pattern of silt stabilized by vermiculite

3  CVC固化剂配比

为确定CVC固化剂的最佳配比，首先以水泥作为主固化剂，蛭石粉和石灰作为辅助固化剂，分别通过击实试验、CBR试验和无侧限抗压强度试验，研究固化淤泥的最佳含水率、最大干密度、无侧限抗压强度和加州承载比等指标随水泥掺量、蛭石掺量和生石灰掺量的变化规律，最后从经济性和固化效果方面综合考虑确定了固化剂最佳配比。

3.1  水泥掺量对淤泥强度影响

参照国内外学者的研究经验，水泥掺量分别选择6%，8%，10%和12%进行击实试验，确定不同水泥掺量固化淤泥对应的最佳含水量及最大干密度。在此基础上，根据击实试验所得最佳含水量和最大干密度制备CBR试件和无侧限抗压强度试件，测定不同水泥掺量条件下固化淤泥的加州承载比(CBR)与7 d无侧限抗压强度，从而确定固化剂的最佳水泥掺量，即固化剂质量与淤泥质量之比。固化剂的添加均采用外掺法。试验结果见表3。

表3  不同水泥掺量固化淤泥的最佳含水量与最大干密度

Table 3  Experimental results of silt adding different amount of cement

由表3可知：掺入水泥的淤泥最佳含水量、CBR值、7d无侧限抗压强度均明显增大，且随水泥掺量的增加而逐渐增大，而最大干密度随水泥掺量的提高不断减小；各掺量固化淤泥CBR远高于纯淤泥和《公路路基设计规范》(JTJD30—2004)要求^[15]，且随水泥掺量增加，CBR提高明显。在整个研究过程中发现蛭石的掺入会导致淤泥强度下降，因此起提高淤泥强度的水泥掺量不能太低，从经济性与固化淤泥强度考虑，处治淤泥填筑路基时，固化剂中水泥掺量推荐采用8%。

3.2  蛭石掺量对淤泥强度影响

为确定蛭石粉的最佳掺量，将水泥作为主固化剂，掺量为8%，蛭石粉作为辅固化剂，掺量分别选择2%，4%，6%和8%，进行无侧限抗压强度试验和CBR试验，研究淤泥强度随蛭石粉掺量的变化规律。

3.2.1  击实试验

在淤泥中掺加固化剂，进行击实试验，确定淤泥的最佳含水量及最大干密度随蛭石粉掺量的变化规律，试验结果见表4。

表4  不同蛭石粉掺量固化淤泥的最佳含水量及最大干密度

Table 4  Optimum water content and dry density of silt

由表4可知：随着蛭石粉掺量的不断增大，淤泥最佳含水率不断升高，最大干密度不断减小：当蛭石粉掺量由2%增加到8%时，淤泥的最佳含水量提高了25.4%，最大干密度减小了0.05 g/m³，表明蛭石粉能显著吸收淤泥中的水分，有效提高淤泥的最佳含水量。但是，当 蛭石粉掺量超过4%后，最佳含水量增幅已不明显，从经济性考虑，并非掺量越大越好。

3.2.2 CBR

对掺加不同蛭石粉掺量固化后的淤泥进行CBR试验，试验结果如图6所示。由图6可知：在不同压实度条件下，淤泥的CBR变化规律相同，随蛭石粉掺量的增大呈线性减小，表明蛭石粉的添加对提高淤泥强度有一定负面影响。

图6  固化淤泥CBR试验结果

Fig. 6  CBR test result of stabilized silt

3.2.3  无侧限抗压强度

根据标准击实试验所得到的最佳含水率和最大干密度制备试件，并分别养生7 d和28 d，进行无侧限抗压强度试验，试验结果如图7所示。由图7可知：随固化剂中蛭石粉掺量的增加，固化淤泥的无侧限抗压强度逐渐降低，但降低幅度并不明显。

图7  固化淤泥无侧限抗压强度试验结果

Fig. 7  Unconfined compressive strength test result of stabilized silt

根据以上试验结果可得，蛭石粉具有显著的吸水作用，可有效提高淤泥的最佳含水量，但当蛭石粉掺量超过4%后，吸水效果变得不明显，同时掺加蛭石粉对淤泥的强度有所降低，综合考虑，推荐采用4%作为固化剂中蛭石粉的最佳掺量。

3.3  生石灰掺量对淤泥强度影响

在固化剂组分中增加生石灰，制备CVC固化剂，蛭石粉在固化剂中主要起吸水作用，水泥起提高强度的作用，而生石灰兼具吸水与提高强度的功能。水泥掺量采用8%，蛭石粉掺量为4%，生石灰掺量分别选择2%，3%和5%，进行无侧限抗压强度试验和CBR试验，研究固化剂中生石灰掺量对淤泥性能的影响规律。

3.3.1  击实试验

通过击实试验，绘制击实曲线，得到不同试件的最佳含水率和最大干密度，试验结果见表5。由表5可知：在掺加一定量的生石灰后，固化剂固化后的淤泥最佳含水量有所提高，当掺量超过3%后，最佳含水量的提高不明显。

表5  固化淤泥的最佳含水量及最大干密度

Table 5  Optimum water content and dry density of silt

3.3.2  CBR

图8所示为不同压实度CVC固化淤泥CBR试验结果。由图8可知：在掺加水泥和蛭石粉的基础上，再掺加生石灰，可明显提高淤泥的CBR，在一定程度上弥补由于掺加蛭石粉引起的强度损失；在水泥及蛭石粉掺量不变的情况下，固化淤泥的CBR随生石灰掺量的增加而增大；但在固化剂中添加生石灰后，会导致淤泥的膨胀率显著增大，因此应控制生石灰的用量。

3.3.3  无侧限抗压强度

图9所示为CVC固化淤泥无侧限抗压强度试验结果。由图9可以看出：对于不同生石灰掺量的CVC固化淤泥，当生石灰掺量从0增加到5%时，淤泥的7 d抗压强度提高了46.3%，28 d抗压强度提高了16.2%。结果表明：生石灰的掺入对固化淤泥早期强度提高幅度明显，且当石灰掺量超过3%后，淤泥强度提高幅度不大。综合考虑，固化剂中生石灰掺量推荐采用3%。

图8  CVC固化淤泥CBR试验结果

Fig. 8  CBR test result of CVC stabilized silt

图9  CVC固化淤泥无侧限抗压强度试验结果

Fig. 9  Unconfined compressive strength test result of CVC stabilized silt

4  CVC处治淤泥路用性能分析

采用配比8%水泥、4%蛭石和3%生石灰制备CVC固化剂，进行抗压回弹模量试验、耐水性能试验和抗冻融试验，评价CVC固化剂固化淤泥的路用性能。为验证CVC固化剂的优越性，深入调查国内外研究成果，与其他类型固化剂的相关性能指标进行了对比分析。

4.1  抗压回弹模量

通过抗压回弹模量试验，测得CVC固化淤泥抗压回弹模量为882.7 MPa。与EN-1固化剂、TG-1固化剂、生石灰等固化剂在最佳掺量条件下的抗压回弹模量进行对比，试验结果如图10所示。从图10可以看出：新型CVC固化剂固化淤泥抗压回弹模量较大，高于其他固化剂，比只掺10%生石灰的固化淤泥高出近12%，表明新型CVC固化剂固化淤泥具有较好的力学性能，也满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)规定的填筑路基用稳定土抗压回弹模量600~900 MPa要求。

图10  不同类型固化剂的抗压回弹模量

Fig. 10  Compression modulus of resilience for different types of stabilizing agent

4.2  耐水性能

由耐水性能试验得到强度损失率为28.6%。在最佳掺量条件下，对比分析CVC固化剂、EN-1、ISS、TG-1、纯生石灰、纯水泥、HAS、奥特赛特等类型固化剂固化淤泥的抗冻融性能，结果如图11所示。从图11可以看出：CVC固化剂固化淤泥的强度损失率明显小于其他类型固化剂，较之于强度损失率最大的生石灰，其强度损失率低39%，具有较好的耐水性能。

图11  不同类型固化剂的耐水性能

Fig. 11  Water stability of resilience for different types of stabilizing agent

4.3  抗冻融性能

测定CVC固化淤泥试件经5次冻融循环后的BDR，在最佳掺量条件下，与EN-1、TG-1、纯生石灰、纯水泥、HAS固化剂、奥特赛特固化剂的抗冻融性能进行对比，结果如图12所示。从图12可以看出：大部分固化剂的BDR不足60%，而CVC固化剂的BDR为71.5%，明显高于其他类型固化剂的固化性能，应用新型CVC固化剂固化淤泥的抗冻性能在固化剂中处于前列，值得推广应用。

图12  不同类型固化剂的抗冻融性能

Fig. 12  BDR of silt stabilized by different types of stabilizing agent

5  结语

(1) 采用传统淤泥固化材料水泥与辅助固化材料蛭石和生石灰，制备出一种新型CVC固化剂，有效提高了淤泥的最佳含水率。

(2) 借助TEM试验、FTIR试验和XRD试验分析了固化淤泥的微观机理，蛭石粉能均匀分散在淤泥土颗粒周围，减少土粒结团现象；蛭石粉能有效吸收淤泥中的水分，且不影响淤泥中有机质的存在；蛭石固化淤泥的过程中，并没有发生化学反应产生新的物质，而只是物理吸水过程。

(3) 借助击实试验、CBR试验和无侧限抗压强度试验综合确定了固化淤泥填筑路基的CVC最佳配比，为8%水泥+4%蛭石+3%生石灰。

(4) 测定了最佳配比条件下固化淤泥的抗压回弹模量、耐水性能、抗冻融性能等路用性能指标，并与其他类型固化剂对比发现，CVC固化剂对淤泥路用性能改善效果较优，具有较强实用价值和应用前景。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2013-03-07；修回日期：2013-06-20

基金项目：天津市交通科技项目(2010-01)

通信作者：王朝辉(1980-)，男，河南滑县人，博士，副教授，从事道路工程研究；电话：13032924270；E-mail: wchh0205@163.com