0 引言

中国是世界上淤泥疏浚量第一大国，如2019年疏浚量就近20亿立方米，疏浚工程市场规模达552.7亿元，同比增长6.19%^[1]。疏浚产生的淤泥普遍具有含水率高、压缩性大、不排水抗剪强度小、工程利用价值低等特点。因此，如何处置疏浚淤泥已成为广泛关注的问题^[2]。经过长期的工程实践，研究者因地制宜地提出了一些对淤泥进行资源化利用的方法^[3]，其中固化处理技术以其工艺简单、效率较高、可降低淤泥污染及经固化后的土可作为填土资源等优点，受到国内外的普遍青睐并得以大量应用。

然而有时已固化的淤泥达不到作为路基填料的要求，则需要对其进一步加以改性处理^[4]。过去较多采用普通硅酸盐水泥、石灰等传统无机胶凝材料固化淤泥或对其进一步改性处理。但普通硅酸盐水泥、石灰的缺点是生产能耗高、CO₂排放量大、环境污染严重，而且石灰固化土的强度增长缓慢^[5]。以MgO—MgCl₂为主要成分的新型氯氧镁水泥，具有生产成本低、能耗小、CO₂排放量低和环境适应性强等优点^[6]，是绿色环保的无机胶凝材料。

氯氧镁水泥和常用的普通硅酸盐水泥不同，它是由MgO—MgCl₂—H₂O三元复合体系组成的镁质胶凝材料^[7-9]。已有研究表明，影响氯氧镁水泥强度与固化效果的因素包括了卤水浓度、Mg/Cl比、MgO/MgCl₂物质的量比，养护龄期和MgO活性等，其内在的驱动机制为氯氧镁水泥的水化产物从无定形凝胶逐渐转化为三相(3Mg (OH)₂·2MgCl₂·8H₂O)), 五相(5 Mg (OH)₂·2MgCl₂·8H₂O))和Mg (OH)₂晶体^[10-11]。

相关领域的专家对氯氧镁水泥及以其为基础复合而成的多组分胶凝材料在固化淤泥方面的研究进行了初步探索，并取得了一定的成果。如Ma等^[12]针对养护10 d的氯氧镁水泥固化淤泥进行宏观与微观试验，发现氯氧镁水泥固化淤泥的水化产物不仅提高了试样的强度，而且阻止了重金属离子从淤泥中析出。其原理在于生成的三相、五相等水合固化产物形成了结晶网络。肖学英等^[13]证实可以通过改变氯氧镁水泥的原料配比来改变固化砾石土的干密度，发现其击实样的干密度与卤水掺量、轻烧镁粉掺量及Mg/Cl比有关。Huang等^[14]利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和热重(TG)试验，从强度发展的角度，采用强度系数分析了氯氧镁水泥在盐水中的抗盐侵蚀性能。结果表明氯氧镁水泥具有优异的抗盐侵蚀性能，为氯氧镁水泥在盐碱地、盐湖区应用的可能性和前景提供了参考。王东星等^[15]通过无侧限压缩与间接拉伸试验，研究了养护龄期、延迟压实对氯氧镁水泥固化淤泥试样强度与刚度的影响，结果表明氯氧镁水泥固化淤泥的强度与刚度随着养护龄期和应变速率的增加而增加。此外，有学者尝试采用“MgO+粉煤灰”的复合，利用氯氧镁水泥中的活性MgO激发粉煤灰，达到提高改性淤泥的效果^[16-17]。

目前关于复合改性法的研究尚处于初步阶段，还有许多问题尚未解决，而关于采用基于氯氧镁水泥的多组分胶凝材料对已固化淤泥路用性能的改善效果和微观机理的研究还很少。本研究提出基于氯氧镁水泥，复合高钙粉煤灰和粒化高炉矿渣这2种工业固废材料，对已固化淤泥进一步加以改性处理，评价氯氧镁水泥基的多组分胶凝材料(M—F—G)改善固化淤泥路用性能的效果，并探明其微观机理，为固化淤泥的路基填料化利用技术提供参考。

1 直接用作路基填料的可行性评价

试验用固化淤泥取自武汉市两湖隧道东湖施工段。该工程为城市快速(一级)道路，其固化淤泥呈棕黄色，有轻微腐臭性气味。若将该工程隧道明挖所形成的大量固化淤泥用作辅道的路床填料，须首先评价其可行性。

1.1 评价依据

根据相关文献研究^[18-20]，评价土料能否用作路基填料，要求的物理力学指标包括液限、塑性指数、压缩系数、加州承载比。对于固化淤泥，当其被用作浸水路基或地下水位较高路基的填料时，还应评价其水稳定性。考虑无侧限抗压强度并非规范所要求的路基填料评价指标，本次不做相关试验。

1.2 试验结果分析

(1) 液限与塑性指数

按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)的试验方法，得到东湖固化淤泥的基本物理性质指标(见表 1)，有机质含量＜5%，颗分曲线如图 1所示，该固化淤泥可划分为低液限黏土。

由表 1可见，固化淤泥的液限为34% (＜50%)，塑限指数为21 (＜26)，均满足《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610—2019)和《城镇道路工程施工与质量验收规范》(CJJ1—2008)对于路基填料的要求。

(2) 加州承载比(CBR)

固化淤泥的贯入曲线如图 2所示，固化淤泥加州承载比随压实度的变化如表 2所示。在最优含水率下，加州承载比随着压实度的增加而增大。93%压实度时固化淤泥试样的CBR_2.5>6%，已满足CJJ1—2008规范对城市快速路下路床填料在规定压实(≥93%)下的最小强度(5%)要求，但不满足城镇快速路对上路床填料CBR_2.5≥8%的要求。

(3) 压缩系数

固化淤泥的压缩曲线如图 3所示，固化淤泥压缩系数随压实度的变化如表 3所示。随着试样压实度的增加，东湖固化淤泥压缩系数逐渐降低。但当压实度达到路床填土所要求的≥93%时，其压缩系数仍不低于0.5 MPa^―1，即为高压缩性土。参考《公路路基设计规范》(JTGD30—2015)关于特殊土作为路基填料时的相关规定，东湖固化淤泥不宜直接用作路床填料。

(4) 水稳定性

压实度分别为98%，96%，94%，92%的圆柱试样(直径38 mm，高度76 mm)均从泡水开始便发生崩解，1.5 h后所有试样均已完全崩解，状如散砂。因此东湖固化淤泥的水稳定性非常差。

综上所述，东湖固化淤泥在加州承载比、压缩性和水稳定性方面，均不满足相关规范的要求，必须进一步加以改性处理，才可能用作路基填料。为此，本研究提出基于氯氧镁水泥，结合高钙粉煤灰和粒化高炉矿渣2种固废材料，复合而成多组分胶凝材料(M—F—G)的改性方法。

2 改性材料与试验方案 2.1 改性材料

(1) 粉煤灰和粒化高炉矿渣

本次试验采用优质二级高钙粉煤灰(CaO含量≥ 10%)和S95级粒化高炉矿渣粉。

(2) 氯氧镁水泥

配制的氯氧镁水泥的主要原料包括：电容镁粉，MgO纯度≥97%，平均粒度为109 μm；六水氯化镁，MgCl₂·6H₂O纯度≥98%。参考相关文献[21-24]的研究，确定本次试验氯氧镁水泥的主要成分MgO与MgCl₂的摩尔浓度比为6∶1。

2.2 试验方案

改性试验的主要目标是获得改性材料的最优配比和改性固化淤泥的最佳养护龄期，而确定依据仍然是规范对路基填料的液限、塑性指数、加州承载比、压缩指数等指标的要求及水稳定性要求，并兼顾环保和经济性要求。为此，对氯氧镁水泥、高钙粉煤灰和粒化高炉矿渣的掺量、试样养护龄期进行设定。

尽管生产氯氧镁水泥的碳排放量较普通硅酸盐水泥要小，但从环保的角度，仍应尽量减少氯氧镁水泥的使用，而对FA和GGBS这2种工业固废材料则要尽可能多地利用。与此同时，考虑到改善固化淤泥物理力学特性的主要途径在于增加水化产物的生成量，因此应有一定量的氯氧镁水泥，以利用其中的活性MgO来激发粉煤灰。为此，本次氯氧镁水泥的掺量设定为恒定的低值3%。

粉煤灰和粒化高炉矿渣的掺量均分别为0%，2%，4%。养护龄期为3，7，14，28 d。为了对粉煤灰和粒化高炉矿渣的配比与养护龄期进行优选，需要考虑M—F—G多组分胶凝材料中各因素间的相互影响和作用。不同配比的多组分胶凝材料组合试验方案如表 4所示。表中，M代表氯氧镁水泥；F代表高钙粉煤灰；G代表粒化高炉矿渣；D代表养护龄期；F和G前面的数字代表该掺合料占干土质量的百分比；D前面的数字代表养护天数。试样编号中含0F或0G的试样称为单掺试样，含2F2G的试样称为双掺试样。

掺入M—F—G多组分胶凝材料改性固化淤泥试样的制备流程和方法如下。

(1) 根据表 4所设定的配比，将MgO、高钙粉煤灰、粒化高炉矿渣和风干碾磨的固化淤泥土样混合均匀，形成混合物；将MgCl₂溶解于足以使固化淤泥达到最优含水率的水中，并制备成溶液；把该溶液喷洒到上述混合物中并拌匀。

(2) 根据城市快速道路土质路基对路床填土的压实度要求(≥93%)，采用静压法制作压实度为94%，直径61.8 mm×高20 mm的环刀试样和直径38 mm×高78 mm的圆柱试样，其中环刀试样用于压缩试验，圆柱试样用于水稳定性试验。此外，采用击实法制作压实度90%和93%的CBR试样。

(3) 将试样置于恒温恒湿箱中，在标准温度(25±1) ℃和标准湿度(98±1)%下养护3，7，14，28 d。

3 改性效果分析 3.1 改性固化淤泥的界限含水率与击实特征

如1.2节所述，由于东湖固化淤泥的液限和塑性指数已满足规范要求，因此在此只给出未改性土样(编号为S)和3种改性土样养护3 d的物理指标，如表 5所示。3种改性土样养护3 d的重型击实曲线如图 4所示。

由表 5可见，对加入M—F—G改性材料的土样仅养护3 d，尽管3种配比改性固化淤泥试样的液限和塑性指数相差不大，但相比未改性土样均有所降低。这说明M—F—G对固化淤泥的液限和塑性指数仍有一定的改善作用。这主要归因于掺入多组分胶凝材料所产生的水化物的影响。

由图 4可见，2种单掺土样3M4F0G3D和3M0F4G3D的击实曲线均呈“双峰”形，而双掺土样3M2F2G3D则呈“单峰”形。这可能与单掺和双掺改性材料所产生的水化物不同，引起试样粒径分布的改变不同，进而使击实曲线表现出不同的特征。

由表 5可见，与未改性的固化淤泥土样相比，3种改性固化淤泥土样的最优含水率均增大, 约为14%，而最大干密度均则减小，从1.857 g/cm³减小到1.749~1.786 g/cm³。这与文献[25]的研究结果相似。其原因在于所掺入的多组分胶凝材料的密度低于固化淤泥的密度，且都属于亲水性材料。

3.2 CBR值

不同配比改性固化淤泥CBR随养护龄期的变化曲线如图 5所示。改性剂的掺入和养护龄期的延长能够有效提高固化淤泥的CBR值。养护3 d时，即使压实度仅90%，3种配比改性固化淤泥的CBR值均已达到约20%，比相同压实度下未改性固化淤泥试样的加州承载比(4.4%)有了显著提高；养护7，14，28 d时，改性固化淤泥试样的加州承载比继续保持了明显的增长趋势。这充分说明养护龄期对改性固化淤泥强度的影响是很大的。不同养护龄期下加州承载比的增长速率不同：养护至7 d时，3种配比改性试样增长速率的差异较小，但养护至14 d和28 d时，3M2F2G改性试样的加州承载比远大于3M0F4G和3M4F0G这2种配比改性试样的加州承载比。这也说明双掺比单掺对提高该固化淤泥强度的效果更好。

3.3 压缩性

3种配比改性固化淤泥试样的压缩系数随养护龄期的变化如图 6所示。与未改性固化淤泥试样的压缩系数相比(见表 3)，3种配比改性固化淤泥试样的压缩系数均大幅度降低，即使仅养护3 d，3种配比改性固化淤泥试样的压缩系数就比从未改性时的约0.50 MPa^―1降低至约0.10 MPa^―1。随着养护龄期的延长，压缩系数进一步减小：3M0F4G，3M2F2G，3M4F0G的压缩系数分别由养护3 d时的0.099，0.120，0.102 MPa^―1下降为养护28 d时的0.065，0.044，0.069 MPa^―1，降幅分别达到34.34%，63.33%，32.35%，其中以双掺3M2F2G改性试样的降幅最大。这同样说明双掺比单掺对于减小该固化淤泥压缩性的效果好。

3.4 水稳定性

随着养护龄期的延长，3M0F4G，3M2F2G，3M4F0G改性试样的水稳定性得到逐步改善，其中养护28 d的3M2F2G改性试样在浸泡7 d后仍能保持完整。这也验证了双掺比单掺对于提高该固化淤泥水稳定性的效果要好。

综上所述，可选定3%氯氧镁水泥+2%粉煤灰+2%粒化高炉矿渣(3M2F2G)，养护28 d作为东湖固化淤泥的改性方案，经处理后可用作路床填料。

4 微观机理分析

采用核磁共振试验得到的试样孔隙率随者养护龄期的变化如图 7所示。可以看出，随着养护龄期的延长，改性固化淤泥的孔隙率逐渐下降。在养护初期(3 d和7 d)，3种配比改性试样的孔隙率变化较小；当龄期达到14 d时，3种改性试样3M2F2G，3M4F0G，3M0F4G的孔隙率分别由养护7 d时的22.73%，23.89%，23.52%降低至10.80%，20.13%，21.93%，降低幅度分别为52.49%，15.74%，6.76%，依然是双掺使改性试样孔隙率的降幅最大。当龄期达到28 d时，除了3M0F4G改性试样外，3M2F2G和3M4F0G试样的孔隙率已基本稳定。

未改性固化淤泥试样与3种配比改性固化淤泥的弛豫时间T2分布曲线和孔径分布曲线如图 8所示。结合图 7和图 8可以看出：

(1) 三种配比改性剂的掺入均使固化淤泥试样的孔隙率明显减小。由图 8可见，未改性和改性试样的孔径主要分布在0.001~0.100 μm范围，并有少部分孔径位于0.1~1.0 μm范围，且孔径分布曲线平滑，2个波峰彼此靠近。这说明改性固化淤泥颗粒之间的孔隙连通性较好。

(2) 随着养护龄期的延长，3种改性固化淤泥在0.001~0.100 μm范围内的微孔分布率逐渐下降。结合图 7可知，3种改性试样的孔隙率均显著降低，从而增大了试样的密实性，使其强度得以提高(其中以双掺3M2F2G改性试样的效果最好。

未改性固化淤泥试样的SEM图像如图 9所示，双掺3M2F2G改性试样随养护龄期演化的SEM图像(放大2万倍)如图 10所示。

未改性固化淤泥呈明显的层状结构。经过改性处理以后，总体上随着养护龄期的延长，固化淤泥中层状结构逐渐变少(对比图 9(b)，图 10(a)、图 10(b))，孔隙率逐渐减小(见图 7)，试样变得密实；当养护龄期达到14 d和28 d时(见图 10(c)和(d))，M—F—G多组分胶凝材料改变了试样的微观结构，其结构变得非常紧密。这表明多组分胶凝材料在试样中发生了充分的水化反应。

随着养护龄期的延长，除了孔隙率减小以外，还可以清晰地看到有类似于“蜂窝”状的水化硅酸镁(M—S—H)等固体胶凝物质的生成，并均匀地包覆于土颗粒的表面(见图 10)。正是这些状如蜂窝的M—S—H型胶结物，将固化淤泥土颗粒紧紧地粘连在一起，使之变得密实，并使液限、塑性指数、压缩性下降，而强度和水稳定性则得到提高，从而使固化淤泥的路用性能得到有效改善。

5 结论

本研究基于以路基相关规范为依据判定武汉市两湖隧道东湖段固化淤泥不能直接用作路床填料的事实，提出基于绿色环保的氯氧镁水泥。结合高钙粉煤灰和粒化高炉矿渣这2种固废材料所形成M—F—G多组分胶凝料，对东湖固化淤泥进一步改性处理。通过试验与分析，得到如下结论。

(1) 采用M—F—G多组分胶凝材料改性固化淤泥，使其液限、塑性指数有所下降，压缩系数显著降低，加州承载比显著提高，水稳定性也得到明显改善。

(2) 综合不同配比改性材料对固化淤泥加州承载比、压缩系数和水稳定性的改善效果，发现采用粉煤灰+矿渣的“双掺”比仅粉煤灰或矿渣的“单掺”的改性效果更佳。结合规范要求，可选定3%氯氧镁水泥+2%粉煤灰+2%粒化高炉矿渣(3M2F2G)，养护28 d作为东湖固化淤泥的改性方案，处理后可用作路床填料。

(3) M—F—G多组分胶凝材料提高固化淤泥路用性能的微观机理，在于该复合改性剂能与固化淤泥发生充分的水化反应，生成水化硅酸镁(M—S—H)等固体胶凝物质，有效地填充固化淤泥的孔隙，并包覆土颗粒形成蜂窝结构，从而使固化淤泥的路用性质得到了明显改善。