1. 引言
随着经济的快速发展，目前越来越多的城市正在发展以地铁为代表的轨道交通，新建地铁盾构区域的环境越来越复杂，遇到复合地层条件下穿既有铁路、轨道交通线、市政管等复杂构筑物的情况越来越多。各大中城地铁建设进入高峰期，由于土压平衡盾构法施工具有对周围环境影响较小的优点逐渐成为我国城市地铁建设的主要工法。但在盾构施过程中会产生大量废弃泥浆，如何对科学处理这些废弃泥浆成为难题。据不完全统计，目前建筑垃圾已占城镇总量的30%~40%，处理成为难题。全国每年建筑垃圾处置还存在收集程度低、理工艺粗放等问题。浙江省每年产生建筑垃圾约7500万吨，其中杭州主城区每年产生建筑垃圾350万吨 [1] 。目前的建筑垃圾综合资源利用率偏低，盾构泥浆和钻孔等废弃由于含水高活性物质含量低等原因情况尤甚 [2] [3] [4] 。
陈源等 [5] 利用掺加了泥浆质量2%的水泥，其中0.5%的水玻璃和0.1%硫酸铝等外加剂后，固化的泥浆得到较高强度。郝彤 [6] 对郑州4号线地铁盾构掘出的渣土，提出地铁区间盾构施工中掘出的渣土难以安置、污染环境回收利用等问题，探讨通过利用盾构区间掘进渣土替代部分中砂制备新型同步注浆材料，实现利用盾构区间掘进渣土固废资源化利用，以郑州盾构工程掘出渣为研究对象制备新型同步注浆材料，在无水下抗分散剂强化的情况下，材料除抗压性能偏低外，其余性能指标均能达到同步注浆材料性能要求。李雪 [7] 以南京地铁10号线盾构隧道泥浆研制同步注浆材料，通过改变胶砂比、粉灰比，得到同步注浆浆液性能较高。姜军 [8] 对广州地铁盾构渣土研制了烧结砖。近年来，常使用矿渣、水泥、粉煤灰等粉体，在激发剂作用下配置成土体固化剂，现已经广泛应用于各种泥浆的固化处理 [9] [10] [11] 。
出于废弃泥浆现场快速处理处置研发的现实需要，本文以实际施工过程中产生的钻孔桩、盾构废弃泥浆为研究对象，研发适宜于城市道路路基材料的固化剂配方和配合比，由于原料泥浆量大，传统运输及对方成本高昂，固化剂、外掺的量较低可以大量节省城市建设成本，同时解决了底泥堆放产生的经济成本以及可能产生的环境污染治理成本，具有一定的社会意义和工程技术价值。
2. 试验材料和制备
2.1. 杭州地铁泥浆和粘结剂化学组分
试验所用的原始泥浆取自于杭州市西起梅灵南路，东至水澄路，沿之江路、老复兴街的盾构隧道以及明挖段隧道抗拔桩现场，盾构隧道切削地层主要为中风化泥质粉砂岩、中风化凝灰质砾砂岩、强风化泥质粉砂岩等泥岩地层。泥浆经过压滤呈板结状，颜色为暗红色，将其放入105℃烘箱内，烘干8 h，得到干燥的地铁盾构废弃泥浆，再经过研磨过0.25 mm筛，分别测试泥浆的物理化学性质，如表1、表2所示。
Table 1. Chemical composition of waste mud and binder from Hangzhou metro (%)
表1. 杭州地铁废弃泥浆和粘结剂化学组分(%)
由表1可知，杭州地铁盾构泥浆SiO2 + Al2O3 + Fe2O3含量高达76.41%，非常接近火山灰(SiO2 + Al2O3 + Fe2O3)含量，可以考虑用于烧制水泥掺合料，理论上可以替代粘土质原料。黄晓庆等 [4] 对添加了石灰、黄土、粉煤灰等不同原料的污泥改性物进行了测试，得到当熟石灰添加量达到10%以上、PH值达到12以上时，处理的污泥混合物抗压强度随着熟石灰的增加而增加。
Table 2. Main mineral composition of mud (%)
表2. 泥浆主要矿物成分 (%)
利用X射线荧光光谱仪(XRD)分析杭州盾构废弃泥浆的矿物成分含量，分别见图1和表2。由表1和图2可知，杭州地铁盾构废弃泥浆主要矿物成分含有方解石、石英、斜长石、蒙脱石、伊利石等。含有高达19%的蒙脱石和11%的伊利石矿物，属于膨润土，具有较大的膨胀性能。试验选用的粉煤灰为Ⅰ级灰，颜色呈尘灰色，颗粒大小不均。粉煤灰和矿渣(GGBS)采用XRF方法测试其化学成分见表1。
2.2. 固化土的制备
将烘干过筛的地铁盾构废弃泥浆粉末与固化剂三种成分：粉煤灰、矿渣、生石灰，按照表3的配比见表3，以烘干的泥浆质量为1.0，将称量好的泥浆、固化剂搅拌均匀后，将水倒入塑料桶内，再次将其搅拌均匀，把固化土泥浆装入直径D = 48 mm、H = 50 mm的塑料试模内，最后放入温度为20 ± 2℃、RH = 95%的恒温恒湿养护箱内，养护到相应龄期再测试其无侧限抗压强度。
3. 试验结果分析
根据前人相近的试验研究结果，确定固化剂各组分——粉煤灰、矿渣、生石灰适应的掺量范围，按
(a) 全岩粉末片
(b) 乙二醇饱和片
Figure 1. XRD of original mud in Hangzhou metro
图1. 杭州地铁原始泥浆XRD
Table 3. Preparation parameters of experimental raw materials
表3. 试验原料制备参数
照正交试验单因素控制变量设计，在养护龄期3 d、7 d、14 d和28 d下，参照JTG E51-2009《公路工程无机结合料温度材料试验规程》 [12] 测试7 d水稳系数、无侧限抗压强度作为检测指标，以对各种固化剂组分进行优选，确定固化剂最优配比。根据实际工程背景，现场地铁盾构废弃泥浆经过压滤后的初始含水率约34%左右，将杭州地铁盾构泥浆水土比设计为0.5、1.0、2.0三种情况，将每组试验3个平行试样的算术平均值作为本组试验的无侧限抗压强度。
由表4可知，1#、4#、5#试样固化剂相同配比相同，水土比不同情况下，养护28 d后，1#样水土比为0.5，28 d无侧限抗压强度为2245 kPa，4#样水土比为1.0，28 d无侧限抗压强度为524 kPa，5#样水土比为2.0，28 d无侧限抗压强度为208 kPa，随着水土比增大，无侧限抗压强度急剧下降。因4#、5#试样3 d、7 d强度较低，试样比较软，脱模时试样变形和破损较大，未测试其3 d和7 d的无侧限抗压强度。1#、2#、3#试样7 d的水稳系数分别为0.83、0.82、0.91，均大于0.75，当生石灰掺量一定时，随着矿渣(GGBS)的增加，水稳系数和28 d无侧限抗压强度也随之增大。矿渣中含有较多的活性成分，如硅酸、铝酸等(见表1)与水和生石灰发生反应，产生水化产物，从而提高固化土的强度和稳定性。同时，矿渣微粉可以填充固化土中的孔隙，减少泥浆中的孔隙度，从而提高了固化土的密实性和稳定性。
Table 4. 7-day water stability coefficient and 28 day unconfined compressive strength of each group of samples
表4. 各组试样7 d水稳系数及28 d无侧限抗压强度
图2为1#、2#、3#、6#试样随龄期无侧限抗压强度变化曲线图，由图可知，1#试样3 d无侧限抗压强度约为28 d无侧限抗压强度的20%，7 d增长到28 d的53%，14 d增长到78%；2#试样3 d无侧限抗压强度约为28 d无侧限抗压强度的46%，7 d增长到28 d的84%，14 d增长到97%；3#试样3 d无侧限
Figure 2. Curve of strength variation with age for different mix proportions
图2. 不同配合比随龄期强度变化曲线
抗压强度约为28 d无侧限抗压强度的40%，7 d增长到28 d的71%，14 d增长到80%；6#试样3 d无侧限抗压强度约为28 d无侧限抗压强度的43%，7 d增长到28 d的85%，14 d增长到86%。试验结果表明：固化剂掺量固定时，生石灰掺量为0.09比掺量为0.12的试样初期无侧限抗压强度增长较慢，而当生石灰掺量都为0.12时，2#、3#、6#无侧限抗压强度增长速度差别不大，将矿渣含量由0.090、0.126、0.210逐步增大时，28 d的无侧限抗压强度从1902 kPa、2530 kPa、5300 kPa逐渐增大，特别是6#试样较3#试样生石灰和粉煤灰含量不变，只增加了矿渣约1倍，而28 d无侧限抗压强度增加了约3倍。
4. 结论
为了探究高蒙脱石含量的地铁废弃泥浆的固化处理后用于城市道路路基材料，选用了杭州地铁盾构废弃泥浆作为研究对象，进行了一系列试验研究，试验结果表明，采用生石灰作为碱激发材料，固化高蒙脱石含量的废弃泥浆具有一定的效果，得到的主要结论如下：
1) 当固化剂掺量不变时，28 d无侧限抗压强度，随矿渣掺量的增加而增加，说明矿渣对地铁泥浆固化后的强度是主要影响因素。
2) 水稳性方面，当固化剂总掺量达到泥浆干重的30%时，水稳系数均超过了0.75。
3) 强度增长速度方面，生石灰含量为0.090的3 d、7 d无侧限抗压强度增长速率比生石灰含量为0.120的3 d、7 d的无侧限抗压强度增长速率低约50%；生石灰含量为0.120的14 d的无侧限抗压强度约为28 d的无侧限抗压强度的85%。
NOTES
*通讯作者。