上海交通大学
硕士学位论文
粉煤灰固化淤泥路用性能及填筑技术研究
姓名：白玉恒
申请学位级别：硕士
专业：岩土工程
指导教师：徐永福;黄金荣
20090201
粉煤灰固化淤泥路用性能及填筑技术研究
摘要
随着我国城市化进程加快，交通基础设施建设正处于快速发展的黄金时期，随之引起的环保问题和资源紧缺问题也日益突出。在保证公路建设可持续发展的同时，又能解决环保和资源紧缺问题的有效措施已被日渐关注。
本文将公路路堤填筑材料紧缺问题与淤泥传统抛填产生的环境污染相结合，将粉煤灰加入淤泥，使淤泥固化，通过室内试验研究淤泥粉煤灰固化剂的击实特性、强度特性和水稳定性，并分析了击实延迟和聚丙烯纤维对固化淤泥力学性质的影响。依托江苏省231省道兴化至泰州段（兴泰公路），系统分析粉煤灰固化淤泥填筑路堤的施工技术，主要取得以下研究成果：
（1）粉煤灰固化淤泥的击实试验结果表明：淤泥的最大干密度随粉煤灰掺
入量增加而减小，最优含水量随粉煤灰掺入量增加而增加；同时，随着击实延迟
时间增加，固化淤泥的最大干密度减小、最优含水量增加；固化淤泥的CBR值
随粉煤灰含量的增加而增大。
（2）粉煤灰固化淤泥的三轴试验结果表明：固化淤泥的破坏形式随含水量减小、粉煤灰含量增大，表现为脆性破坏；在粉煤灰固化淤泥中掺加聚丙烯纤维后，试样表现为塑性变形特性；固化淤泥的强度参数（c和φ）随龄期、粉煤灰含量、纤维含量增大而增大；淤泥和粉煤灰在均匀搅拌后，若不及时进行击实，随着时间延迟，击实试样的强度降低；固化淤泥试样在非饱和状态下浸水后，随着时间的增长，含水量变大，强度减小。
（3）现场路堤填筑和质量检测结果表明：淤泥经掺加粉煤灰固化后强度明显提高，含水量、压实度等路用性能指标满足路堤填筑材料要求；在现场施工过程中，
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应严格按照灰土比换算出的松铺高度要求进行淤泥土和粉煤灰填筑高度量测，控制好灰土比，防止粉煤灰含量过大产生的起皮现象和粉煤灰含量不达标而引起的强度降低问题；同时，应将土颗粒尽力打碎，使得淤泥与粉煤灰充分接触，增大水化反应面积。
关键词：淤泥，固化，粉煤灰，击实，CBR，应力-应变，强度，电渗，路堤填筑
II
STUDY ON ROAD PERFORMANCE AND FILLING
TECHNOLOGY OF SOLIDIFIED MUDDY SOIL
ABSTRACT
With the acceleration of our country urbanization process, traffic infrastructure construction is in the rapid developing golden period，then the environmental protection problem and resources shortage problem followed by it is increasingly outstanding. Highway construction in ensuring sustainable development, while solving the problem of environmental protection and resource scarcity of effective measures at the same time have been of increasing concern.
This paper combines the environmental pollution produced by muddy soil traditional parabolic filling and the inadequacy problem of highway embankment filling materials. We added fly-ash to muddy soils and then solidify muddy soils. By tests we research the compaction characteristics, unconfined compression strength, time delay and water stability of the muddy soil fly-ash curing agent and analyze the effects of compaction delay and polypropylene-fiber on solidified muddy soil. And we systematically analyze the construction technology of the muddy soil fly-ash embankment backfill and constructionfilling embankment which relies on the project of Xing-Tai Road in Jiangsu province .Then we obtain the research results as follows:
1. Compaction test of solidified muddy soil by fly-ash shows that the maximum dry density of muddy soil and fly-ash mixture increased with fly-ash decreases, optimal water content of the mixture increases with the fly-ash increases. After the incorporation of fly-ash sludge, with the increase in delay time tamping, the maximum dry density of
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improved soils decreases; the optimal w increased. CBR value of the soils increases as the curing agent of fly-ash content increases.
2. Triaxial test of solidified muddy soil by fly-ash shows that improved soils tend to show the trend of brittle failure with water content reduced and fly-ash content increased.
c andφ of the soils increases with increases of age, fly-ash content, fiber content increases. If the improve
d soil is not timely tamping, its strength will becom
e lower and lower with the time delay. And the strength o
f solidified soils in non-saturated silt under the water becomes lower with w increase.
3. The use of solidified muddy soils in construction site showed that the strength of waste muddy soils solidified by fly-ash significantly improves. And engineering parameters like water content and degree of compaction meet the requirements of embankment materials. And we should control the height of muddy soils and fly-ash during construction strictly, and we should make every effort to smash the soil particles to increase the size of the hydration reaction by making full contact with the soils and fly-ash.
Keywords: muddy soil, fly-ash, solidified, compaction, strength-stress, strength,
electro-osmosis, embarkment contraction
IV
上海交通大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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上海交通大学
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第一章绪论
1.1 引言
淤泥是粘土矿物等细小颗粒在粒间静电力和分子引力的作用下，在海洋或湖泊地区等缓慢的流水环境中发生沉积所形成的絮状和蜂窝状结构。淤泥是一种高含水率的工程垃圾土，其含水量多为液限含水率的1.2~2.0倍，处于流动状态，几乎没有强度，不能直接为工程所用；由于颗粒细小，粘粒和有机质含量高，渗透系数非常低，很难通过脱水固结的方法提高其强度。因此，淤泥很难用作工程材料。
我国幅员广阔，江河湖泊众多，淤泥数量非常庞大，以江苏省为例，境内淤泥总量达14亿立方米，如果再加上长江、淮河、太湖等处淤泥，数量更是惊人。由于淤泥抛填形成的土地地基非常软弱，不易利用，因此造成大量土地资源的浪费，并且随着工业和城市的发展，污水处理率的提高，城市淤泥产量必然越来越大。市政淤泥是一种污染治理工艺的副产物，这种副产物富含微生物、病原体、病毒等，具有较强的污染性质[1]。市政淤泥如果处置不当，极易造成二次污染，其污染传播的途径是很广泛的，已经引起了我国政府的重视[2]。
目前，国内对淤泥的资源化利用方法有以下四种：
（1）吹填造陆方法
吹填造陆就是先在需要填方的地区修建围堰，然后将淤泥吹填在围堰内，进行地基处理后作为地基土使用。其优点是可以大规模处理，缺点是需要投入大量的地基处理费用，处理周期长。考虑到运输问题，一般用于海洋或近海港口产生的淤泥[3]。
（2）物理脱水方法
通过减少淤泥的含水量改善其工程性质的方法。国内常用的物理处理方法主要是自然晾晒法，其经济性好，但由于场地、时间和气候等方面的影响一般实施较为困难。在国外最常用的是机械脱水法，不受自然条件限制，但一次性投资较高，不适用于财力不强的发展中国家，而且需要进行二次处理才能满足工程要求的缺点[4]。
（3）热处理方法
通过加热、烧结的方法，利用淤泥中的粘土矿物转化为建筑材料。热处理方法可分为烧结和熔融两种。烧结后的泥土一般用来制砖或作为水泥制造的原材料进行使用。熔融是对淤泥加热脱水后将无机矿物熔化，而熔浆通过冷却处理后可以制作成陶粒，替代砂、砾石或制成轻型陶土砖转化为建筑材料。其优点是成品
的附加值高，但其处理能力和固定式处理工厂使其具有一定的局限性[5]。
（4）固化处理方法
通过向淤泥中添加固化材料，淤泥中的水和粘土矿物与固化材料进行一系列的物理化学反应从而改善了淤泥的工程性质。该处理方法既能消耗大量产生的疏浚淤泥，又解决了部分地区工程用土短缺的困难，具有处理量大、处理时间短的优点[6]。
固化处理方法是目前国内大规模处理淤泥最适宜的处理方法[4]。通过对淤泥进行固化处理，可以将高含水率，低强度的废弃淤泥转化为工程用土加以利用，处理后的淤泥具有高强度、低渗透的性质。可以根据工程使用要求来设计固化材料配方，一次处理便可以达到工程使用要求，具有处理量大、处理时间短的优点。处理后的淤泥可直接填筑地基或处理后临时置于存放地，待有工程应用时再进行填筑，具有使用时间可调节的优势。固化处理可以通过改变固化材料的添加量来调节固化土的物理力学性质，以满足不同的工程要求。因此，固化处理后的淤泥可以广泛应用于邻近的堤防加固工程、市政工程、道路工程和填海工程，作为良好的填方用土。对淤泥进行固化处理后，原先存在的污染物被包裹吸附在固化体内，不易向外界扩散，而且固化体具有很低的渗透系数，污染物很难从固化体中溶出，各项污染指标能够满足各项国家环境标准。
固化淤泥方法的出现，对有效利用淤泥，将其转变为可利用的土木填筑材料，有着非常重要的意义，不仅可以节约土地资源，减少环境污染，而且可以缓解我国土木工程材料日益短缺的问题，对我国的可持续发展也有着重大意义。
1.2 研究现状
对淤泥固化研究已有许多研究成果，采用的固化剂主要有水泥、石灰、HAS 固化剂、QL-1添加剂、钢渣和粉煤灰等，研究成果表明，采用固化淤泥作为路堤填料在技术上是切实可行的，但淤泥固化处理技术的研究在国内还刚刚起步，而且主要是以水泥作为固化剂，对粉煤灰等其他固化剂的研究成果比较少。
朱伟等[7]针对海洋疏浚泥传统抛填中产生的环境污染问题，提出将疏浚泥进行固化处理后转化为土工材料进行使用的方法，并对疏浚泥固化后作为土工材料的基本力学性质进行了试验。通过对大亚湾海洋疏浚泥不同水泥掺加量和龄期的试验，得到了固化土的无侧限抗压强度与水泥掺加量之间的线性关系，明确了固化土破坏应变随水泥掺加量呈乘幂减小的规律，并对固化系数和最小水泥掺加量等参数的物理意义进行了分析，给出了简单的推求公式。结果表明：淤泥经固化处理后能够满足作为普通填方土材料的需要，且可以根据工程的需要设计出经济
合理的固化方法，为实际工程的应用奠定了基础。
将淤泥经固化处理后作为填土材料使用的研究在国外较多，如日本伏木富山港疏浚填海工程[11]、新加坡“长基”国际机场第二跑道工程等。
陈萍等[2]阐述了淤泥的工程特性，指出资源化处理的可行途径，并着重介绍了目前国内外常用的3类处理技术（即物理脱水固结、高温烧结和化学固化）及其各自存在的优缺点。提出淤泥的资源化技术应根据淤泥组份、污染程度、待处理淤泥量、处理后的应用目的是污控标准等，结合当地的经济条件，因地制宜，采取经济有效、合理的固化处理技术。废弃淤泥资源化的处置和利用既可节约资源，又可保护环境，将成为一个符合我国可持续发展战略的新兴产业。
梁静等[8]研究了含水量、固化剂含量和龄期对固化淤泥的强度和渗透性的影响，分析了固化淤泥作为堤岸填筑材料的可能性和工程特性。
林安珍等[9]从资源的再生利用出发，对港口、航道的建设和维护工程产生的大量疏浚泥，提出利用固化材料固化疏浚泥作为填方材料的设想，并通过强度试验、溶出试验等一系列试验证实，固化疏浚泥作为填方材料在技术经济指标上完全可行。
张春雷等[10]结合无锡五里湖疏浚泥的处理问题，第一次利用国产大型淤泥固化处理专用设备和复合型淤泥固化材料，对疏浚出的底泥进行了固化处理和筑堤试验。通过对堤体现场取样测定了填筑土样的强度、变形和渗透性性质，结果表明采用淤泥固化处理设备固化的淤泥28 d强度、变形和渗透系数能够满足堤防筑堤的要求，可以作为土方材料进行使用，实现了疏浚泥的资源化利用，解决了大量疏浚泥难以处理的难题，同时也证明了国产淤泥固化设备在处理淤泥问题上具有技术可行性。
将淤泥经固化处理后作为填土材料的现场应用实践在国外较多，如日本伏木富山港疏浚填海工程[11]我国现场应用则刚刚起步，如朱伟等[3]在深圳盐田港中港区三期工程进行了现场试验研究，取得了良好的效果。在现场试验中发现，现场搅拌固化土的强度也是随水泥掺加量的增加呈线性增长，但现场强度比实验室试验强度有10-50%的折减。曾科林等[12]分别进行了固化淤泥的现场水下和陆上浇筑试验，分析比较了两种浇筑情况下固化淤泥的强度、变形以及填筑地基的承载力。试验结果表明，水下浇筑时只要控制好固化淤泥中的水不离析，反而能促进固化淤泥后期强度的增长。
国内对固化淤泥的固化剂研究主要围绕水泥和石灰粉，其中张义贵等[13]在分布大量的淤泥和淤泥质软土的某高速公路中，为保证实际工程加固处理的效果，开展了相关淤泥质软土及不同掺入比和不同龄期的水泥土的强度试验研究，分析了水泥土强度增长的因素和复合地基承载力的理论探讨，以确定相应的设计参数，为淤泥质软土的处治方案的确定提供依据。
储诚富等[14]对以连云港地区的海相软土为原料的水泥土进行了一系列物理、强度试验，分析了含水量、水泥用量和龄期对水泥土强度的影响，提出了似水灰比的概念用于水泥土强度的预测。采用提出的水泥土强度预测公式，根据某一似水灰比、龄期28d某种水泥土室内试验强度，可以预测不同含水量、不同水泥用量和不同龄期的水泥土室内试验强度。通过比较分析发现，得出水泥土强度预测公式，很好地应用于其他研究者己经发表的水泥土试验数据，进一步验证了所提出的强度预测公式的有效性。
范公俊等[15-16]利用封蜡法精确研究了水泥固化淤泥体积随含水率变化而变化的规律，发现了其双直线变化规律，给出了计算参数及计算方法。研究了初始含水率、水泥添加量、固化龄期对固化淤泥收缩性质的影响，发现其收缩性随初始含水率增加而增加，随水泥添加量增加而减小，随固化龄期增加而减小。从水泥加入后对骨架支撑能力、填充作用和土性改良作用为出发点，分别用无侧限抗压强度、孔隙比和液塑限为参数研究了其收缩性质变化的机理。提出了控制失水、提高固化水平和添加辅助材料的收缩控制措施。并对添加砂土和石膏控制固化淤泥的控制效果进行了试验研究，发现砂土的添加能够明显降低固化淤泥的收缩性，石膏在添加量较小时具有一定的效果，添加量过大时反而会有副作用。
张春雷等[17]对不同水泥掺加固化淤泥进行了固结不排水三轴剪切试验，对固化淤泥的破坏模式和抗剪强度参数进行了分析。试验结果表明：应力-应变曲线随着水泥量增加由理想弹塑型向应变软化型转变，当水泥量为50kg/cm3时，随固结压力的增加应力-应变曲线有理想弹塑性、应变软化和应变硬化三种类型：当水泥量高于100 kg/cm3时，试样都呈脆性破坏摸式.淤泥经水泥改良后成为一种结构性土，固结压力在小于试样结构屈服应力时对抗压强度影响不大。有效粘聚力随水泥里的增加呈较大的增长趋势，而有效内摩擦角分布在32°~42°，表明水泥固化淤泥的作用主要是提高土颗粒间的胶结，而填充孔隙的作用较弱。
梁松等[18]利用文献及试验的数据，对多种淤泥水泥土的强度预测公式进行了对比分析，结果显示：以7d强度来预测90d强度的准确性较差，而以14d和28d强度来预测90d强度的准确性较高。建议采用f cu,90=3f cu,28-2f cu,14或f cu,90=1.81f cu,14进行淤泥水泥土90d强度的预测，在通常情况下，这两个公式的预测误差不超过20％。
范昭平等[19-20]在淤泥固化的试验研究中发现有机质含量对淤泥固化的效果有着显著影响。通过对不同有机物含量的固化试验揭示了该种影响的规律，发现淤泥中的有机质存在着一个极限含量4.3％，当超过这一极限含量后，有机质量的增加不再对固化效果产生更大的影响。根据这一研究结果，提出了对于高有机质淤泥采用水泥-石膏进行固化的方法。
朱伟等[21]在现场进行了疏浚泥固化处理的施工、浇筑，并对填筑地基进行了
取样强度试验和原位静力触探试验研究。结果表明固化土的强度随水泥掺加量的增加呈线性增长，浇筑地基取样的强度比室内制样强度降低10%~50%，填筑地基的承载力可以满足填海工程地基设计的要求，疏浚泥固化处理土可以用作填海工程的材料。
刘玮等[22]通过大量的室内试验和多处试验路段施工经验表明，在淤泥质土中二次掺入总量为5%~8%的石灰使其成为石灰土，经“活化”到“砂化”，能大大改善其最佳含水量和最大干密度，提高CBR值，压实度可达90%~95%，比一次掺灰提高2~3个百分点。
刘林芽等[23]针对不同石灰配比下的改良粘土,分别进行了颗粒分析、击实试验、液塑限试验和渗透性试验,对石灰改良粘性土的物理性质进行了研究，为有线提速铁路路基石灰改良土的设计与施工提供参考。
杨绪军和宋铭栋[24]通过液塑限联合测定试验、击实试验和无侧限抗压强度试验，研究粘性土在掺入石灰后，不同灰比、不同龄期、不同外部条件下的液塑限变化、最优含水量和最大干密度的变化、无侧限抗压强度的变化规律，阐述了生石灰对粘性土塑性、压实度、强度和稳定性的影响及作用机理，指导工程实践。
魏华彬等[25]指出石灰加固淤泥的不足之处：与土壤形成的固化体强度增长缓慢，往往影响施工进度；固化体强度与石灰掺量在一定范围内成正比，若加大掺量而超出一定范围，其强度反而下降，对固化体强度要求较高的工程，石灰显得无能为力；干缩大，易开裂，易软化，水稳性也差，目前石灰固化土在公路系统中已很少用作高级路面的基层，而只能用于处理底基层。水泥固化淤泥的不足之处在于：受土壤类别限制，对塑性指数高的粘土、裂土有机土及盐泽土固化效果很不理想，甚至没有固化作用；干缩大，易开裂；水泥初、终凝时间无法调整，影响工程质量。并通过对HAS土壤固化剂的室内实验研究,结合随岳公路的现场施工，介绍了HAS土壤固化剂在淤泥改性做路基的性能特点,及其在实际应用中的可行性和优越性。
王吉刚等[26]对作为路基填料的淤泥质土的物理力学性质指标与加入石灰改性的灰土和石灰粉煤灰改性的二灰土强度变化、养护过程中的强度变化以及胀缩性等方面进行了承载比、无侧限抗压强度、膨胀和收缩对比试验研究。结果表明，淤泥质土在最佳含水量条件下有较高的强度，而浸水饱和后强度衰减很多，水稳性很差，经过改性的灰土与二灰土在强度和水稳性上都有明显的提高，并且基本可以满足设计要求，同时二者强度都随龄期的增长而增大，塑性指数和粘粒含量越高的淤泥质土用石灰改性后的强度越高，当有机质含量较大时，二灰土水稳性较差，不能满足设计要求。
蔡奕等[27]研究了添加石灰和纤维对胀缩性的控制，发现随着石灰量的增加，土样的膨胀性和收缩性均减小；纤维的增加有利于膨胀性的减小，这是因为当土
样泡水发生膨胀时，土中的纤维便产生拉力作用，抵消了土样内部的膨胀力，有效地阻止了土样的膨胀；纤维的掺入不但没有降低土样的收缩性，反而增加了收缩性，这是因为当土样因失水整体产生收缩时，一方面土中的纤维处于松弛状态，发挥不出抗拉作用，另一方面，纤维丝作为一个连接土样内部和外部的通道，使得土样内部的水分更容易迁移到外部并挥发，从而促使了土样进一步的收缩。
王振军等[28]对比了矿渣粉加固土和石灰粉加固土的抗干缩性能，认为矿渣粉加固土胶凝材料量相对偏多，增加了土体中吸附水和结构水的数量，减少了自由水的数量，干缩系数变小。另外，石灰粉加固土初期强度增长量低于矿渣粉加固土，对土体初期干缩的阻止能力较小，初期收缩较大。
同时，国内也开始尝试用其他如粉煤灰、HAS等新型加固材料，或者几种固化剂混合同时对淤泥进行固化处理。
刘振杰等[29]的试验研究结果表明：淤泥掺粉煤灰后其力学性质指标有了显著的改善，而且泥灰浆液混合吹填的沉积土比搅拌配制的二者混合土具有更好的工程性质。根据试验结果计算得知：泥灰比≤1的混合吹填地基加固比淤泥吹填地基加固能节省80%以上的预压时间或减少80%以上的砂井数目。
姬凤玲等[30]根据室内试验，研究了不同配比的淤泥固化土和轻量化土的无侧限抗压强度和密度，并分析了固化和轻量化的强度形成机理。疏浚淤泥土工材料化处理在技术上是可行的，且具有废物利用和保护环境的优点，可带来良好的环境效益和社会效益。
徐红和罗国煜[31]利用淤泥质粘土掺入不同比例的粉煤灰，分别进行了渗透、固结、直接剪切及三轴剪切试验，详细研究了粘土掺入粉煤灰后其工程力学性能变化的特征以及粉煤灰加固软土的机理。试验结果证实，利用粉煤灰处理软土地基是一种投资较少且有明显效果的方法，可带来良好的环境效益和社会效益。
林安珍[32]将粉煤灰作为新型填充材料应用于疏浚泥固化处理，可以达到充分利用地方资源、变废为宝的目的。在分析疏浚泥和粉煤灰的理化特征的基础上通过大量正交试验，对粉煤灰、水泥和石灰等填充集料与疏浚泥固化强度的关系进行了研究，同时对工程应用前景进行了探讨废弃淤泥作为再生资源的固化技术与工程应用研究。
贾苍琴等[33]采用水泥、粉煤灰对闽江口地区的软粘土进行改良加固试验，测试不同水泥及粉煤灰掺入质量比、不同龄期的加固软粘土的抗压强度，并运用扫描电子显微镜 (SEM )对加固土的微观结构特征进行观察分析。研究结果表明，当水泥掺入质量比为16 %，粉煤灰掺入量为水泥质量的40%时，加固土的强度最大，并且强度随着软粘土含水量的增加而降低，随着水泥掺入比、养护龄期的增长，水泥土及水泥-粉煤灰加固土的抗压强度也随之增加。
朱书景等[34]将性能优异的土壤固化剂(HAS)应用于海相淤泥的改性处理。通
过直接剪切、无侧限抗压强度灵敏度、标准固结试验、孔隙分析X射线衍射及扫描电镜等现代测试手段，研究了改性淤泥的强度特性，探讨固化剂的改性淤泥的机理。试验结果表明，一定掺量下的灰渣胶凝材料能够显著提高改性淤泥的各个龄期强度，改性淤泥的早期强度较高，后期强度能持续增长，同时具有良好的耐水浸泡性。扫描电镜试验结果表明，由于固化剂的加入，彻底改变了淤泥结构。在改性淤泥中，主体结构为钙矾石晶体形成的“空间网状结构”，辅助结构为在碱性环境中土颗粒之间的离子交换、团粒化作用和碳酸化作用所形成的微晶体与凝胶体结构。
徐艳 [35]通过对滨海地基的广泛调查和研究，根据滨海地基的特性，提出采用氧树脂构造硬壳层的设想，采用弹性薄板理论对其进行了理论分析并进行了简单的计算推导；由于淤泥表层水对环氧树脂固化有严重影响，因此从高分子聚合反应机理出发，以高分子单体为主剂、引发剂、促进剂等配制了一种专门针对表层快速固化的新型固化剂AX，有效消除了表层淤泥中的水对环氧树脂固化的影响，对不同含水量的固化淤泥进行了无侧限抗压强度试验和直接剪切试验；并以E-44型环氧树脂为基体，配制了一种快速固化的固化剂，并对其性能进行了室内实验。
李玉华等[36]提出了将一定的胶结料加入河底泥层，利用无机材料的化学反应及胶结料与淤泥之间的相互作用形成与混凝土相似的固化层。以该固化层作为河底，一方面可以减少河道清淤工程量；另一方面，将淤泥中的有害物质固结在固化层内，减少或减缓有害物质溶出造成的二次污染。
朱伟等[37]在疏浚淤泥中添加固化材料和EPS颗粒，制作成淤泥EPS颗粒混合轻质土，既可以资源化利用疏浚淤泥又可以减少软土的地基处理费用。通过直接剪切试验，获取了淤泥EPS颗粒混合轻质土的抗剪强度参数，即粘聚力与内摩擦角。研究发现粘聚力随水泥添加量和龄期的增加而增加，在水泥添加量较小时，粘聚力随EPS添加量增加而增加，在水泥添加量较大时，粘聚力随EPS颗粒添加量增加而减小，水泥添加量、EPS颗粒添加量和龄期对内摩擦角的影响不显著，淤泥EPS颗粒混合轻质土的内摩擦角总体分布在20°~35°。
朱伟等[38]针对有机质对疏浚淤泥固化处理效果产生的影响，研究有机质的主要成分腐殖酸对水泥固化的影响。研究表明，腐殖酸对水泥的水化具有抑制作用，腐殖酸含量对淤泥固化土的无侧限抗压强度和破坏应变的影响存在一个极限含量（3.62%），超过这一极限含量，随腐殖酸含量的增加固化土的强度和破坏应变几乎不再变化。同时，研究结果表明，随着腐殖酸含量的增加，固化土塑性增强。
李志威和朱书景[39]通过新型固化剂对江底淤泥的改性作用，使得江底淤泥达到作为堤岸码头填筑材料的技术要求，同时使得淤泥改性后淤泥改性土在抗剪强度指标上达到c≥30kPa、内摩擦角φ>25°，成为工程用土。一方面可以减少江底清
淤工程量，另一方面可以将淤泥作为填筑材料资源化利用。
焦志斌等[40]通过深层搅拌法加固太湖应天河工程富含有机质的淤泥质酸性土地基的多组现场水泥土强度试验，分析了淤泥质酸性土中影响水泥土强度的各种因素。试验和工程实践表明，使用高标号水泥（525#）并掺入适量的外加剂可大幅提高酸性淤泥水泥土的强度，复合地基承载力可达120kPa以上，水泥搅拌桩可以加固淤泥质酸性土地基。
唐朝生等[41]根据室内试验总结出无机纤维加固淤泥后强度的变化规律，取得了较好的固化效果。庄心善等[42]利用炉渣和粉煤灰等废渣，掺入适量水泥或石灰等胶凝剂来加固土壤，可以节约工程造价和改善环境。分别以水泥、石灰和水泥+石灰混合料加固由粉煤灰、粘土、细砂、淤泥、炉渣以不同配比组成的三种复合土，每种拌合物以相同的加水量分别制备3组试件，自然条件下养护3d、7d和28d后进行无侧限压强度试验。试验结果表明：掺入一定的水泥或石灰或同时加入水泥和石灰加固由粉煤灰、炉渣、软粘土、淤泥和细砂组成的复合土在技术上是可行的。
周旻等[43]为了探讨利用HAS土壤固化剂改性加固珠江河道疏浚淤泥的固化效果，进行了击实、无侧限抗压强度和抗渗等物理力学性能试验，通过对试验结果的分析，讨论了改性淤泥的压实性和抗压强度的变化规律。结果表明：HAS
固化剂改性后，淤泥的压实和渗透性有很大的改善，同时淤泥的强度能得到较大的提高，建立了改性淤泥的强度与龄期、掺入比的关系式，可供实际工程参考。
邵玉芳等[44]采用工业废料、水泥及添加剂对西湖疏浚淤泥进行固化。研究结果表明，淤泥固化土的强度能够达到公路基层填料的要求，但是淤泥的含水量对固化效果的影响很大，若将含水量降至100%以下，淤泥固化土的强度随固化材料掺入比和龄期的提高均有较大的增长，可获得理想的固化效果，钢渣和粉煤灰两种工业废料中，钢渣对淤泥固化土强度的提高幅度显著高于粉煤灰，当钢渣掺入比大于30%时，淤泥固化土Ⅰ和Ⅱ分别可作为公路基层和底基层的填料，但掺粉煤灰的淤泥固化土不能满足公路基层填料的强度要求，掺入少量的QL-1添加剂能显著提高淤泥固化土的强度，从成本和效果综合考虑，QL-1的掺入比不宜超过1.5‰，水泥掺入比大于10%才能有效地固化西湖淤泥，经估算，采用淤泥固化土作为公路基层填料与级配粒料造价相当，但其环保和社会效益却无法比拟。
杨云芳等[45]以水泥、石灰和粉煤灰为固化材料，按照正交方法设计配合比，进行了淤泥的固化试验，通过测试固化淤泥的颗粒级配及含水率，研究了淤泥固化后其颗粒粒径分布及含水率的变化，探讨了固化材料中的各组分对淤泥固化效果的影响。结果发现，粉煤灰最有利于淤泥内部自由水和吸附水的减少，而石灰对于增大粒径效果最明显。淤泥经化学固化后，粘粒含量从34%降低到1%以下，强度稳定性和耐水性大大提高。
Sezer等[46]通过三轴剪切及无侧限抗压强度试验研究了以石灰和粉煤灰占5%、10%、15%、20%的混合材料组成的固化剂对土耳其某地淤泥的强度变化规律。Lin等[47]将熟石灰加入污泥中，提高其强度，并通过试验数据测得加固后的淤泥强度参数为未经处理的7倍，取得了良好的实际效果。
Yong和Ouhadi[48]在淤泥中掺入石灰-粉煤灰固化剂，通过对CBR试验、XRD 扫描电镜以及pH值测定等数据，分析了固化淤泥技术应用的可行性。
1.3淤泥固化机理
1.3.1粉煤灰性质
所谓固化，是将固化剂掺入淤泥，与淤泥中的自由水发生水化反应，生成各种水化物，水化物由凝胶状态逐渐转变成较稳定的结晶体，填充至淤泥土颗粒的孔隙中，形成坚固的骨架，增强淤泥的强度[49]。
淤泥固化处理技术有多种固化剂可供选择，而各种固化剂掺入淤泥后的固化反应机理相似，现以粉煤灰为例，简要介绍粉煤灰固化淤泥的反应机理。
粉煤灰是煤粉在电厂锅炉中以悬浮态燃烧，残留矿物熔融急冷后的以微珠和多孔玻璃为主的一种工业废渣。通常是将磨得很细的煤粉，用热空气高速吹进煤粉锅炉燃烧后生成的。目前，我国的粉煤灰排放量每年约960万吨，居世界之首。按粉煤灰的含钙量的不同，可进行如下分类：CaO含量在1%~10%之间的，称为普通粉煤灰，亦称低钙粉煤灰（LFA），这种粉煤灰约占我国粉煤灰总量的80%以上；CaO含量超过10%的，称为高钙粉煤灰（HFA），这种粉煤灰约占我国粉煤灰总量的10%左右。
粉煤灰主要由5种矿物颗粒所组成：含铁铝的硅酸盐（60%~85%）、石英（1%~10%）、磁铁矿（氧化铁含量2%~20%）、硫酸盐（1%~4%）、碳粒（2%~5%），其颗粒多数呈球形，形貌有玻璃珠（含实心微珠、薄壁实心微珠或漂珠、厚壁心微珠、子母微珠及磁性微珠等）、海绵状多孔玻璃体、多孔状碳粒以及各种颗粒的粘连体，表面光滑，色灰，密度为1.77~2.43g/cm3，松散容重为516~1073kg/m3；主要以玻璃状态存在，另有一部分莫来石、α石英、方解石及β硅酸二钙等少量晶体矿物。因为普通粉煤灰中多数结晶矿物是石英、莫来石（3A12·2SiO2）和氧化铁或四氧化三铁，这些结晶矿物在常温下没有活性，所占比例较大，降低了普通粉煤灰的活性。
不同地区粉煤灰的化学组成差异非常大，粉煤灰中的主要化学成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO五种氧化物，具体数值列于表1-1中[50]。
McCarthy等[51]对北美地区178个粉煤灰试样的化学组成分析后认为，随CaO 含量增加，粉煤灰中的SiO2、Al2O3和Fe2O3降低。低级别煤的粉煤灰中的CaO
表1-1 粉煤灰中氧化物含量[50]
氧化物成分氧化物含量范围（%）平均值（%）
SiO2 33.9~59.7 50.6
Al2O3 16.5~35.1 27.1
Fe2O3 1.5~19.7 7.1
CaO 0.8~10.4 2.8
MgO 0.7~1.9 1.2 烧失量 LOI 1.2~23.6 8.2
主要来源于煤中的有机物，只有少部分来源于煤中的碳酸钙（CaCO3）、白
云石（CaMg(CO3)2）和石膏（CaSO3·2H2O）。
粉煤灰的水解和水化是一个复杂的物理、化学变化过程。在此过程中，不断
生成新的水化产物，并放出热量，产生体积变化和强度增大。粉煤灰固化淤泥的
强度构成是多层次的，粉煤灰固化淤泥的硬化机理主要有以下七种作用：水解和
水化反应、硬凝反应、离子交换和团粒化作用、碳酸化作用、结晶作用、改良作
用和填充作用。
1.3.2 粉煤灰加固淤泥物理、化学变化
（1）水解和水化反应
粉煤灰固化淤泥硬化过程中首先发生水解和水化反应，熟料矿物硅酸三钙、
硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙和硫酸钙与水发生水解和水化反应，生成水化
硅酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和水化硫铝酸钙晶体。主要的
水解水化反应如下：
①硅酸三钙在水化过程中的水化速度较快，能迅速使粉煤灰固化淤泥凝结硬
化，并形成具有相当强度的水化产物，反应过程为：
2(3CaO·SiO2)+ 6H2O→3(CaO·SiO2)·3H2O+3Ca(OH)2
②硅酸二钙与水作用时，因水化速度较慢而使水化产物的早期强度较低。但
其后期强度较高，甚至在几十年后还在继续水化，引起强度增加，反应过程为：
2(2CaO·SiO2)+ 4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2
③铝酸三钙水化迅速、放热多、凝结快；如果不加缓凝剂，会使急凝，反应
过程为：
3CaO·Al2O3+ 6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O
④铁铝酸四钙是一种溶剂矿物，早期的水化速度介于硅酸三钙与铝酸三钙之
间，后期水化速度逐渐降低，反应过程为：
4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2 O
⑤硫酸钙常与铝酸三钙一起与水发生水化反应，生成“水泥杆菌”，反应过程为：
3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaS O4·32H2O 水化物迅速溶于水，使粉煤灰固化淤泥颗粒表面不断暴露，继续与水反应，生成的水化物溶于水，直至溶液达到饱和，进而成为凝胶微粒悬浮于溶液中。此后，凝胶微粒的一部分逐渐自身凝结硬化而形成粉煤灰固化淤泥骨架，另一部分与周围具有一定活性的淤泥土颗粒发生反应，促进淤泥进一步胶结。此过程在24小时内基本完成，生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙将土颗粒包裹连结成网状结构。
在完全水化的胶体中，水化硅酸钙约占50%，是决定强度的主要因素；氢氧化钙约占25%；被称为“水泥杆菌”的水化硫铝酸钙使大量的自由水以结晶矿物水的形式固定下来，对于高含水量淤泥的强度增长有特殊意义，淤泥中自由水的减少量约为“水泥杆菌”生成量的46%。
水解和水化反应对粉煤灰固化淤泥硬化的贡献主要表现在：水解和水化产生了能逐渐自身凝结硬化而形成粉煤灰固化淤泥骨架、发展本身强度的凝胶微粒。水化产生了能与土粒联结包裹密实、发展形成强度的胶体。“水泥杆菌”的存在能使自由水转化结晶矿物水，直接增加强度。
经过水解和水化反应，粉煤灰固化淤泥中生成各种水化物，有的自身继续硬化，形成骨架；也有的与周围具有一定活性的粘土颗粒继续反应。
（2）硬凝反应
硬凝物质是含有硅和铝的物质，自己并不具有固化功能，在颗粒状时能与Ca(OH)2在常温下发生反应，生成具有硬凝效果的新物质，粘土矿物具有硬凝特性。粉煤灰水解、水化能生成相当多的硬凝固化物。当淤泥中加入Ca(OH)2后，孔隙水的pH值瞬间上升，升高的pH值会激发淤泥土颗粒表面的硅和铝，逐渐反应生成新的固化产物[52]。
粉煤灰固化淤泥中剩余大量Ca(OH)2，部分Ca(OH)2在孔隙水中发生电离反应：
Ca(OH)2→Ca2++2OH-
电离出Ca2+，同时孔隙水溶液pH值上升，产生Ca(OH)2比正常的氢氧化钙更加活跃。在较高的pH值和Ca(OH)2浓度下，溶液中析出的Ca2+超过离子交换的需要量，使粘土矿物中的活性胶态Al2O3和SiO2溶解，多余的Ca2+再与之反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙：
3Ca2++2Si4++14OH-→3CaO·2SiO2·3H2O+4H2O
4Ca2++4Al3++20OH-→3CaO·2Al2O3·Ca(OH)2·12H2O
如果粉煤灰的水解和水化可以被视为第一级固化反应，这些新生成的固化物应被视为粘土参加的第二级固化反应的生成物，随着水化物逐渐硬化，增大了粉煤灰固化淤泥的强度；同时，由于粉煤灰固化淤泥结构比较致密，水分不易侵入，从而使粉煤灰固化淤泥具有足够的水稳定性。
（3）离子交换和团粒化作用
由于淤泥为多相散粒体，与水结合时一般具有胶体的特征。淤泥中的SiO2与水形成硅酸胶体，经过化学反应，将周围的粘土颗粒胶结起来，形成具有一定连续性的硬骨架，包裹着没有任何变化的土颗粒，较小的土颗粒逐渐形成较大的土团粒。
由于粉煤灰水化生成Ca(OH)2等凝胶粒子，其比表面积比原粉煤灰颗粒的表面积大1000倍，表面能增大，吸附活性十分强烈，其结果是使大量的土粒形成团粒。同时，除了粉煤灰的水化和硬化过程外，粉煤灰水化产物还会与粘土发生反应，生成更多的固化产物。粉煤灰水化生成的氢氧化钙中的Ca2+与粘土颗粒吸附的Na+、K+等发生进行等量吸附交换，导致双电层厚度变薄，使淤泥土颗粒靠得更紧密。于是，较大的团粒进一步相结合，其结果会加强淤泥颗粒之间以及淤泥颗粒和粉煤灰颗粒之间的联结，形成粉煤灰固化淤泥的链条状结构，并且封闭了团粒之间的孔隙，从而形成较坚固的团粒结构，降低淤泥的渗透性和胀缩性，增加淤泥对周围环境含水量变化的抵抗力。
在粉煤灰固化淤泥中，粉煤灰最初发生的水解和水化反应被视为第一级固化反应，生成了常规的水化产物，孔隙水pH值上升，自由Ca(OH)2增加。较高的pH值和Ca(OH)2浓度使粘土矿物中的活性胶态Al2O3和SiO2溶解，并与Ca(OH)2反应生成二级固化产物。第二级固化产物主要产生于粘土颗粒表面和周围，团粒化的土粒被二级固化产物胶结起来，这种胶结强度可能比水化的粉煤灰与粘土之间的胶结更加坚固。粉煤灰颗粒（粉土级）与粘土颗粒相比尺寸很大，粉煤灰固化淤泥可以看作是粉煤灰－淤泥骨架中间充填粘土。骨架单元可以看作是以水化的粉煤灰颗粒为核心，周围层层吸附着参与硬凝反应的粘土。单元可以组成更大的集合体，把没有参加硬凝反应的粘土包裹起来。因此，粉煤灰固化淤泥不是水化产物与未发生变化的粘土颗粒的简单混合体，而是水化产物与粘土颗粒由硬凝反应联系起来的完整系统。
（4）碳酸化作用
粉煤灰水化物中的Ca(OH)2能吸收水中的HCO3-和与空气中的CO2作用生成CaCO3。这种反应也能使淤泥固结，提高淤泥的强度，但比硬凝反应的作用要差一些。Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O，此过程中对粉煤灰固化淤泥硬化的贡献主要表现在：CaCO3的形成，CaCO3强度较高，但是由于前述反应生成的游离状的
图1-1 包裹结晶水的粉煤灰固化淤泥絮凝状结构
Fig.1-1. Flocculated structure of the fly-ash improved muddy soil wrapped with crystal water
Ca(OH)2含量有限，考虑到吸收空气中CO2的量同样有限，碳酸化作用对粉煤灰固化淤泥硬化形成的强度贡献是有限的。
（5）结晶作用
随着水化产物中的各种盐类结晶的同时，结晶析出端，即晶边的Al3+正电荷将吸引结合与析出晶面的OH-负电荷，而晶面之间则发生排斥，从而形成所谓的“晶边－晶面”结合的蜂窝状结构。粉煤灰固化淤泥中的晶体起着重要的骨架作用；粉煤灰水化生成的水化硅酸钙凝胶起着连结晶体、泥团和泥粒的重要粘结作用，这种粘结力来源于范德华力、氢键和表面能的综合，比淤泥中主要的范德华力大得多，使粉煤灰固化淤泥强度远高于软粘土强度。发生结晶的物质包括：一级固化产物、二级固化产物（新矿物）、可溶性的盐类、自由水等几大类。粉煤
1-1所示，结晶过程中对粉煤灰固化淤泥硬
化的贡献表现在随时间的增长盐类结晶的发展，结晶过程还包含团粒化的状态，不同于阳离子物理交换团粒化，结晶过程是阴、阳离子的磁性激发，最终形成连续的晶体，同样起到骨架的作用[53]。
（6）改良作用
粉煤灰直接被用来改良软粘土的工程特性，通过两个方面降低淤泥的塑性，一是提高塑限，二是降低液限。粉煤灰与淤泥拌合后可以提高淤泥的强度同时降低其压缩性。粉煤灰固化淤泥中的剩余Ca(OH)2会电离出Ca2+，Ca2+与土颗粒周围的阳离子发生交换。同时Ca(OH)2开始侵蚀粘土矿物，溶解粘粒中的Al2O3和SiO2，粘粒成分参加反应，导致了粘土中的Al2O3和SiO2矿物成分含量的减少，直接降低其本身的塑性和遇水膨胀性。
改良作用也可以用“包裹作用”理解：粉煤灰固化淤泥可以看作是以水化的粉煤灰颗粒为核心，周围附着层参加了硬凝反应的粘土，组成更大的集合体，把没有参加硬凝反应的粘土包裹起来，粉煤灰固化淤泥骨架具有水稳定性，被其包裹在内的Al2O3和SiO2粘土矿物很难与水接触，相当于粘土中遇水可塑的Al2O3