MgO固化–碳化盾构离心高液限粉土界限含水率试验研究

Experimental Study on the Limit Water Content of MgO Modified Carbonized Shield Tunnel Centrifugal High Liquid Limit Silt

摘要: 针对泥水盾构产生的工程废弃土可塑性无法满足工程规范要求的问题，开展活性氧化镁固化–碳化高液限粉土的界限含水率试验研究。分析液、塑限及塑性指数变化规律，探究可塑性变化原因。高液限粉土在掺入氧化镁后，增大掺量或延长碳化时间均可使固化–碳化土的塑限提高，液限和塑性指数降低，塑性指数最低为7。可塑性不断降低的原因可能有两种：一是由于氧化镁掺入后产生的水化产物与细粒颗粒胶凝团聚，使细粒含量降低，土体吸水能力减弱，导致土体液限降低；二是由于氧化镁颗粒的掺入及反应使级配更加合理，水分对土体结构的影响降低，导致塑限升高。wL和wp的变化共同导致塑性指数的降低。

Abstract: In response to the problem that the plasticity of engineering waste soil generated by slurry shield tunneling cannot meet the requirements of engineering specifications, an experimental study on the limit water content of activated magnesium oxide modified carbonized high liquid limit silt was conducted. Analyze the change rule of liquid and plastic limit and plasticity index, and investigate the reason of plasticity change. It is found that after the high liquid limit silt is mixed with magnesium oxide, increasing the amount of MgO or prolonging the carbonization time can make the plastic limit of the modified-carbonated soil increase, the liquid limit and plasticity index decrease, and the plasticity index is as low as 7. The reason for the plasticity decreasing may be two kinds: firstly, due to the hydration products produced after the magnesium oxide mixing with the fine particles gelling agglomeration, so that the fine particles content decreases, and the soil body’s ability of absorbing water is weakened, which results in the decrease of the liquid limit of the soil; and secondly, because the magnesium oxide particles are not mixed with the liquid limit of the soil, it is the reason for the decrease of the liquid limit. Due to the magnesium oxide particles and reaction to make the grading more reasonable, the influence of water on the soil structure is reduced, resulting in higher plastic limit. The changes in wL and wp together lead to a decrease in the plasticity index.

1. 引言

泥水盾构工法以其安全、高效等优势在越来越多的水下隧道工程建设中被广泛应用 ‎[1] ‎[2] ‎[3] ，甚至在一些全断面黏土地层中也开始使用，如济南济泺路穿黄隧道工程 ‎[4] 、扬州瘦西湖隧道 ‎[5] 等。然而其水力出土的方式，使得在掘进过程会产生大量的废弃泥浆。即使经过一系列的脱水减量处理，依然会产生大量的废弃黏土。以济南济泺路穿黄隧道工程为例，工程采用双台泥水盾构同向穿越全断面粉质黏土地层，产生了共约1233万方 ‎[4] 的含水率约280%的废弃泥浆，经过筛分、旋流、离心及板框处理后，单台盾构约产生210万方泥饼。

这些土因无法满足相关规范 ‎[6] ‎[7] 中物理指标的要求(如塑性指数、无侧限强度等)而无法直接利用。如不及时进行处理，不仅会影响工期，还可能因处理不当而导致环境污染。目前，化学固化方法经常被用于处理工程废弃土，常见的化学固化剂通常包括生石灰、水泥等无机固化材料。而这些固化剂耗能较高，需要一种更加高效、环保的固化材料或固化方法进行废弃土处理。对于泥水盾构产生的废弃土，其在改性处理后性质的变化规律，也是值得关注的。

已有学者针对固化材料方面研究 ‎[8] 发现相较于生石灰、水泥等材料，氧化镁被认为是一种绿色可持续、富有前景的固化剂，具有低碳环保、强度增长潜力大等优势。另有学者通过研究加速碳化技术 ‎[9] ，发现可以提高碳化废弃土的含碳量和稳定性，减少碳排放及对环境的污染，并可用于多个再利用领域。为了改善泥水盾构废弃土的性质并提高其资源化利用的可行性，如何控制碳化条件，以保证在泥水盾构废弃土固化–碳化获得较好效果的同时，能够吸收更多的CO₂，达到节能固碳的目的，是日前研究的重点。

关于氧化镁固化–碳化废弃土的改性机理 ‎[10] - ‎[15] ，目前一般认为包括水化反应(式1、2)、火山灰反应(式3、4)和碳化反应(式5~8)。

$\text{MgO}+{\text{H}}_2\text{O}\to {\text{Mg}}^{\text{2}+}+{\text{2OH}}^{-}$ (1)

${\text{Mg}}^{2+}{\text{+2OH}}^{-}\to \text{Mg}{\left(\text{OH}\right)}_2$ (2)

${\text{Mg}}^{\text{2}+}{\text{+2OH}}^{-}{\text{+SiO}}_2\to \text{MSH}$ (3)

${\text{Mg}}^{\text{2}+}+{\text{2OH}}^{-}+{\text{Al}}_2{\text{O}}_3\to \text{MAH}$ (4)

$\text{MgO}+{\text{CO}}_2+{\text{3H}}_2\text{O}\to {\text{MgCO}}_3\cdot {\text{3H}}_2\text{O}$ (5)

$\text{5Mg}{\left(\text{OH}\right)}_2+{\text{4CO}}_2+{\text{H}}_2\text{O}\to {\left(\text{Mg}\right)}_{\text{5}}{\left({\text{CO}}_3\right)}_{\text{4}}{\left(\text{OH}\right)}_2\cdot {\text{5H}}_2\text{O}$ (6)

$\text{5Mg}{\left(\text{OH}\right)}_2+{\text{4CO}}_2\to {\left(\text{Mg}\right)}_{\text{5}}{\left({\text{CO}}_{\text{3}}\right)}_{\text{4}}{\left(\text{OH}\right)}_{\text{2}}\cdot {\text{4H}}_2\text{O}$ (7)

$\text{Mg}{\left(\text{OH}\right)}_2+{\text{CO}}_2+{\text{3H}}_2\text{O}\to {\left(\text{Mg}\right)}_{\text{2}}\left({\text{CO}}_{\text{3}}\right){\left(\text{OH}\right)}_{\text{2}}\cdot {\text{3H}}_2\text{O}$ (8)

本研究采用江阴靖江长江隧道工程的泥水盾构离心高液限粉土，通过界限含水率试验，对固化–碳化废弃土进行研究。通过改变养护条件和碳化条件t，分析泥水盾构废弃土碳化后可塑性，探究塑限w_p、液限w_L、塑性指数I_p的变化规律，为日后城市地下隧道建设过程中盾构废弃土的合理处理和利用提供参考。

2. 材料与方法

2.1. 试验材料

试验所用废弃土取自江苏省江阴靖江长江隧道，来源于泥水盾构穿越粉质黏土地层时产出的泥浆。离心脱水后产生的废弃土的塑限和液限分别为55.1%和70.4%，塑性指数为15，呈明显软塑状且无法击实。为保证研究效果避免废弃土风化失水，待泥浆离心后立刻取样。废弃土的基本物理性质指标见表1。该废弃土细粒含量为80.3%，砂粒含量为16.6%，根据《土的工程分类标准》 ‎[16] ，属于粉土中的高液限粉土(MH) (w_L ≥ 50%)。

Table 1. Basic properties of waste soil

表1. 废弃土基本性质

Figure 1. Particle analysis graph

图1. 颗粒分析曲线图

颗粒分析试验采用Mastersizer 2000激光粒度仪进行测定。放入少量土样于烧杯中，加入大量纯水并用玻璃棒进行搅拌、稀释。用样品注射器吸入少量稀释混合液，注入超声波测量专用烧杯中进行测量。颗粒粒径测量结果如图1所示，测试得到有效粒径d₁₀ (9.3 μm)、中值粒径d₃₀ (26.3 μm)、限制粒径d₆₀ (45.7 μm)。

根据下式9、10可以计算得出不均匀系数C_u为4.91；曲率系数C_c为1.63。根据《土的工程分类标准》 ‎[16] ，该土级配不良。

$C_u=d_{\text{6}0}/d_{\text{1}0}$ (9)

$C_c={\left(d_{30}\right)}^2/\left(d_{10}\times d_{60}\right)$ (10)

式中，C_u——不均匀系数；C_c——曲率系数，1~3时级配连续，当C_u ≥ 5，1 ≤ C_c ≤ 3，且细粒含量不超过5%时级配良好，反之则不良 ‎[16] ；d₁₀——有效粒径，单位：μm；d₃₀——中值粒径，单位：μm；d₆₀——限制粒径，单位：μm。

试验所使用的固化剂MgO产自辽宁海城，颜色为淡黄色，外形呈极细状粉末。利用X射线荧光光谱全元素、半定量检测MgO的主要成分含量如表2，根据规范YB/T4019-2006 ‎[17] ，通过柠檬酸中和法测定其活性ACC值为75 s。

Table 2. The main chemical composition content of MgO

表2. MgO主要化学成分含量

2.2. 试验方法

试验共设计了3种不同的氧化镁掺量，即a_m = 3%、9%、15%。氧化镁掺量a_m (the amount of magnesium oxide)定义为氧化镁质量与干土质量之比。按照设计比例将氧化镁加入至废弃土中，利用机械搅拌机以100 rot/min的转速搅拌5分钟，而后静置至室温。将试样用塑料薄膜包裹密封，置于养护箱中养护，养护条件为温度(20 ± 2)℃、湿度 > 90%。

在试样达到表3要求的对应龄期后取出，按照试验方案计划的碳化时间t进行碳化。在碳化桶内装好试样后，拧紧法兰盘螺母，关闭排气阀，设定50 kPa通气压力后缓慢打开加压气瓶阀门，检查碳化桶气密性；确保无漏气和异响后，打开排气阀排气1分钟，将碳化桶内的空气排尽；关闭排气阀，将调压阀设定为200 kPa碳化压力进行加速碳化试验。碳化完成后，测定碳化试样的界限含水率。

Table 3. Test program

表3. 试验方案

试验按照《土工试验方法标准》第9.2条，利用GYS-2型液塑限联合测定仪，测定试样的液塑限。根据式11计算塑性指数I_p：

$I_p=w_L-w_p$ (11)

2.3. 碳化装置设计

空气中的CO₂浓度仅占0.03%，在自然条件下发生的碳化反应不充分，且缓慢的碳化过程会使试样表面形成一层碳化硬壳，阻碍反应进一步发生。因此，为研究氧化镁在高纯度CO₂加速碳化条件下的碳化效果，采用南京土壤仪器厂加工制造的加速碳化加固装置。器材如图2所示。试验选用工业法生产的CO₂气体，纯度达99.5%。碳化装置由CO₂加压气瓶、计时装置和碳化桶三部分组成。碳化桶材质为有机玻璃，内部直径140 mm，高260 mm。每层最多可放入6个试样，最多放三层，并且桶内设有多孔管保证每个试样。上部进气口通过塑料软管连通二氧化碳加压气瓶，下部排气阀用于卸压；碳化压力依靠压力表及调压阀控制，气瓶内充满99.5%高纯液化CO₂，始终将碳化压力维持在设定压力，减压阀最高可保证0.5 Mpa的碳化压力。高纯液化CO₂，始终将碳化压力维持在设定压力，减压阀最高可保证0.5 Mpa的碳化压力。

Figure 2. Carbonized reinforcement test device (unit: mm)

图2. 碳化加固试验装置(单位：mm)

3. 结果

各a_m下界限含水率、塑性指数的变化如图3、图4所示。随着t的延长，各a_m下的w_p基本呈现上升趋势，最大为60.4%，与废弃土相比提升了5.3%；液限w_L和I_p也逐渐下降，w_L最小为67.2%，降低了3.2%；I_p最低为7，降低了53.5%，且均低于废弃土。在t < 4 h时，各a_m下的w_p快速升高、w_L和I_p快速下降，4 h后w_p、w_L和I_p均趋于稳定。碳化前4 h界限含水率的快速变化表明碳化反应剧烈进行，水化产物快速消耗生成碳化产物，胶结能力增强使土粒团聚能力提高，进一步消耗孔隙水转化为碳化产物中的结晶水，提高了水稳定性，水分对土体结构影响减小，导致w_p升高；Mg(OH)₂通过碳化反应转化为镁式碳酸盐产物，胶结团聚能力增强，使细粒团聚为更大的土颗粒，比表面积减小，土体吸水能力减弱，w_L降低。

根据图3、图4中w_p、w_L和I_p的变化规律可以看出，在掺入氧化镁后，w_p上升，w_L和I_p下降。w_p的升高表明掺入氧化镁后，生成的MSH凝胶态水化产物和Mg(OH)₂结晶态水化产物将土体内的孔隙水分别转化为势能更高的结合水和矿物水 ‎[18] ，水分对土体结构的影响降低。w_L的降低表明了土壤可塑态上限含水率持续下降，即土体对水分的吸收能力降低。I_p随a_m的增加而持续下降，表明土体可塑性不断降低，主要有两种原因：一是由于掺入氧化镁后随着水化反应的进行，Mg(OH)₂水化产物与细粒颗粒胶凝团聚，使细粒含量降低，土体吸水能力减弱，导致土体w_L降低；二是由于氧化镁掺入土体后使土体结构更稳定，土体骨架更为合理，水分对土体结构的影响降低，导致w_p升高。

Figure 3. The change of liquid-plastic limit of magnesium oxide modified carbonated soil with different carbonization time

图3. 不同碳化时间氧化镁固化–碳化土液塑限变化图

Figure 4. The plasticity index variation of magnesium oxide modified carbonated soil with different carbonization time

图4. 不同碳化时间氧化镁固化–碳化土塑性指数变化图

根据《公路路面基层施工技术细则》 ‎[6] 要求，土壤I_p < 26，而本文中废弃土以及所有a_m、t条件下的固化–碳化土均满足要求。

4. 结论

1) 针对江阴靖江长江隧道泥水盾构离心脱水后的高液限粉土，在掺入氧化镁并固化–碳化后，通过增大a_m、延长t可使w_p提高，w_L和I_p降低；w_p升高了0.5%~5.3%，w_L降低了0.4%~2.9%，I_p降低了6.7%~53.3%，最低为7。

2) 所有固化、碳化条件下的固化–碳化土均满足《公路路面基层施工技术细则》规范中I_p < 26的要求。

3) 氧化镁固化–碳化高液限粉土可塑性不断降低，有两种原因：一是由于Mg(OH)₂水化产物与细粒颗粒胶凝团聚，使细粒含量降低，土体吸水能力减弱，导致土体w_L降低；二是由于氧化镁颗粒的掺入及反应使土体粒径级配更加合理，土体骨架更稳定，水分对土体结构的影响降低，导致w_p升高。w_L和w_p的变化共同导致塑性指数的降低。

基金项目

本文作者感谢国家自然科学基金(No.52078189)、中央高校基本科研业务费专项资金资助(B230201037)对研究的支持。