高含水率有机疏浚沉积物再生制备流动固化土：物理力学性质、微观结构机理及全尺寸现场验证

《Transportation Geotechnics》：Recycling high-water-content organic dredged sediment into flowable solidified soil: Physico-mechanical properties, microstructural mechanisms, and full-scale field verification

　　

摘要高含水率有机疏浚土 (DS) 由于其过高的含水率、低强度、较差的体积稳定性以及有机物对水泥水化的干扰，难以直接再利用。本研究提出了一条直接回收路线，将此类疏浚土转化为流态固化土 (FSS) 用于路基回填，而无需常规的絮凝 - 脱水预处理。选取胶结料掺量和水土比作为主要设计变量。通过实验室测试评估了流动性、水化动力学、无侧限抗压强度 (UCS)、水稳定性、干湿耐久性和干燥收缩。补充腐殖酸 (HA) 添加实验量化了有机物的干扰作用，同时采用 X 射线衍射 (XRD)、热重 - 微分热重 (TG-DTG)、扫描电子显微镜 - 能谱仪 (SEM-EDS) 和低场核磁共振 (LF-NMR) 来表征相演变、微观结构和孔隙结构。流动性损失遵循一阶衰减模型 (R2≥ 0.97)，且所有混合物在 120 分钟后仍保持至少 156 mm 的流动值。添加 1.0 % HA 使 72 小时累计放热量和 3 天 UCS 分别降低了 22.0 % 和 36.6 %。UCS 随养护龄期和胶结料掺量的增加而增加，而过量的水会增加残余孔隙率并削弱承载骨架。大多数水稳定性系数超过 0.90。在干湿循环下，早期损伤后伴随持续水化和基体重构出现了部分强度恢复。选定的 20 % -0.71 配合比显示出良好的现场均匀性，其穿透阻力大于石灰稳定土，28 天芯样 UCS 为 1.38 MPa，符合环保要求，且一年服务性能稳定。这些结果证明了将有机 DS 直接回收作为 FSS 进行路基回填的可行性。

引言河流、湖泊、港口和城市水道的持续疏浚，每年在全球产生数亿吨疏浚土 (DS) [1], [2]。这些沉积物通常具有高含水率、细颗粒、高压缩性、低强度的特点，特别是在城市和沿海环境中，含有大量的有机物。这些不利特性使得未经处理的 DS 不适合直接用于工程，从而限制了其资源利用潜力 [3], [4]。在这些特性中，高含水率是区分 DS 与普通软土的最显著特征。新鲜 DS 的天然含水率通常超过其液限，导致其处于流体或流塑状态。因此，新鲜 DS 通常需要耗时的预处理，如沉降、脱水或在沉淀池中临时储存，然后才能运输到处置场 [5]。加上大量的水和合适的处置场稀缺，这使得海洋倾倒、限制处置和卫生填埋等传统管理路线越来越难以维持 [6]。从可持续岩土工程的角度来看，将 DS 转化为建筑材料已成为减少废物处置压力和替代天然借土材料的诱人策略 [7], [8], [9]。

近期研究表明，DS 在适当的加固或固化处理后，可再利用于路基、护坡、回填、免烧砖等应用 [3], [6], [10], [11], [12], [13]。然而，此类处理疏浚土的工程性能强烈依赖于沉积物固有性质、胶结料类型和掺量、含水率、养护制度和环境暴露条件。水泥基加固/固化仍然是改善软土和 DS 的最广泛采用的方法之一。添加水泥胶结料可促进水化反应、阳离子交换、絮凝、火山灰反应和孔隙填充，从而将松散的土 - 水悬浮液转化为水泥结合土基体 [14]。对于高含水率粘土，以往研究表明，强度发展受水泥含量、初始含水率、养护时间和空隙结构共同影响 [15], [16], [17]。这些发现与流态固化土 (FSS) 尤为相关，在 FSS 中，工作性和硬化性能必须通过水可用性和胶结作用的耦合控制来平衡。然而，高含水率有机 DS 的加固比传统无机软粘土更具挑战性。有机物，特别是腐殖质，可吸附在水泥颗粒上并络合 Ca2?离子，从而减少钙物种在水化产物成核和沉淀中的可用性，并延缓早期胶结 [18]。同时，吸附的有机层可能阻碍水泥与水的直接接触并干扰熟料溶解。一些酸性有机组分也可能降低孔隙溶液的局部碱度，进一步延缓水泥水化并限制硅酸钙水化物 (C-S-H)、铝酸钙水化物 (C-A-H) 和钙矾石的形成 [19], [20]。这些效应共同削弱了颗粒间结合并抑制强度发展。因此，有机 DS 需要一种混合设计，既能克服有机干扰，又能避免过量水引起的稀释和孔隙形成。

FSS 是一种受控低强度材料 (CLSM)，已被公认为回填工程的有效解决方案 [21]。与传统的压实填料相比，CLSM 类材料无需密集的机械压实即可放置，特别适合沟槽回填、管廊、涵洞、桥台以及其他受限或不规则回填空间 [22], [23]。近年来，致力于利用工业副产品和建筑废物开发 CLSM 的努力相当可观。例如，Xiao 等人提出了利用城市废玻璃和红泥的碱激活 CLSM 配方，表明反应性固体废物既可提供铝硅酸盐源，又可提供强度发展的碱激活潜力 [24]。他们还研究了由废玻璃粉、熟石灰和细石灰石骨料制备的 CLSM，其中火山灰反应有助于水泥产物的形成 [25]。这些研究表明，基于反应性固体废物的系统有利于 CLSM 生产，因为其化学活性成分可促进水泥结合和强度发展。

除了工业固体废物外，废土和建筑衍生土也被探索为 CLSM 成分。Li 等人利用水泥处理建筑废粘土制备了 CLSM，展示了将富含粘土的建筑残留物转化为流态回填材料的可行性 [26]。Zhang 等人利用废弃海洋疏浚粘土，配合水泥和粒化高炉矿渣制备了 CLSM [27]。Fang 等人进一步探索了用于处理盾构渣土和生产 FSS 的镁渣 - 粉煤灰 - 水泥胶结料，突出了含活性 Ca-Mg-Si-Al 固体废物在促进化学胶结中的作用 [28]。相比之下，以结晶二氧化硅和铝硅酸盐矿物为主的 DS 通常反应性较低，其高含水率和有机物进一步使胶结复杂化。以往大多数关于 FSS 或 CLSM 的研究侧重于实验室规模的无机土、建筑衍生土、脱水沉积物或有机含量相对较低的材料。很少有研究直接在不进行絮凝 - 脱水预处理的情况下将高含水率有机 DS 转化为 FSS，甚至更少有一项研究集成了新鲜状态行为、水化过程、机械和耐久性能、微观结构演变以及全规模现场验证。这一差距对于高标准的路基回填尤为重要，其中流动性、强度、耐久性、体积稳定性、环境安全性和现场性能必须同时得到满足。

基于这些考虑，本研究调查了高含水率有机 DS 直接回收为用于路基回填的 FSS，而无需常规的絮凝 - 脱水预处理。选取胶结料掺量和水土比 (W/S) 作为关键设计变量。进行了一系列实验室测试，以评估新鲜状态流动性、随时间变化的工作性损失、水化热、无侧限抗压强度 (UCS)、水稳定性、干湿抵抗性、质量变化和干燥收缩。补充增量腐殖酸 (HA) 添加实验考察了腐殖质对水化放热和早期强度发展的影响。采用 X 射线衍射 (XRD)、热重 - 微分热重 (TG-DTG)、扫描电子显微镜能谱仪 (SEM-EDS) 和低场核磁共振 (LF-NMR) 来表征相演变、与水化相关的热行为、微观结构、元素组成和孔隙特性。最后，修建了一个全规模现场试验段，以评估浇筑均匀性、现场穿透阻力、贝克曼梁弯沉、现场芯样强度和完整性、环保符合性以及一年服务性能。

与以往关于水泥处理疏浚土和 CLSM/FSS 的研究相比，本研究主要有三点进展。第一，开发了一条直接回收路线，将高含水率有机 DS 转化为可泵送的 FSS，而无需常规的絮凝 - 脱水或长期堆存，从而将现有研究扩展到脱水或有机含量相对较低的沉积物。第二，建立了胶结料掺量和 W/S 比与工作性、水化动力学、强度、耐久性、体积稳定性和微观结构演变之间的综合关系。补充 HA 添加实验进一步提供了腐殖质对早期水化和强度发展抑制作用的直接证据。第三，将实验室得出的混合设计转化为全规模路基拓宽应用，并在施工质量、机械响应、环保符合性和一年服务性能方面进行了验证。总的来说，本研究为高含水率有机 DS 的直接工程再利用建立了从实验室到现场框架。

章节片段

原材料
本研究使用的 DS 采样自中国江苏省苏州市的一条公共水道。DS 的天然含水率为 62.7 %，表明处于高含水状态。DS 的基本物理和指标特性详见表 1。根据 ASTM D4318 [29]，液限 (LL) 和塑限 (PL) 分别为 42.36 % 和 17.82 %，导致高塑性指数 (PI) 为 24.54。根据统一土壤

水土比的影响
图 8 说明了在固定胶结料掺量为 16 %、20 % 和 24 % 时，不同 W/S 比 FSS 混合物的流动性随时间的演变。在所有胶结料掺量下，增加 W/S 比始终提高混合物的初始 (0 h) 流动性。例如，在固定胶结料掺量为 16 % 的情况下，将 W/S 比从 0.68 提高到 0.77 使初始流动值从 283 mm 增加到 375 mm。这种增强主要由自由水体积内决定

施工均匀性评估
基于实验室性能和施工实用性的综合评估，选择了胶结料掺量为 20 % 且 W/S 比为 0.71 的配合比用于全规模现场应用。虽然 24 % -0.68 配合比实现了最高的 UCS，但选定的配合比提供了流动性保持、强度发展、耐久性和胶结料消耗之间更平衡的组合。特别是，20 % -0.71 配合比保持了泵送和现场施工所需的工作性

结论
本研究得出以下结论：
(1) 建立了一条直接回收路线，无需絮凝 - 脱水预处理即将高含水率有机 DS 转化为 FSS。随时间变化的流动性损失遵循一阶衰减模型，决定系数高于 0.97。即使在 120 分钟后，最小流动值仍为 156 mm，表明混合物为泵送、运输和自流平提供了足够的操作窗口

CRediT 作者贡献声明
胡子豪：写作 - 初稿，可视化，验证，方法论，调查，数据管理，概念化。张志卓：可视化，验证，软件，数据管理。罗宣利：软件，方法论，调查，数据管理。马前伟：验证，方法论，调查，数据管理。黄睿杰：写作 - 审阅与编辑，可视化，数据管理。Prithvendra Singh：写作 - 审阅与编辑，监督，方法论。蒋宁君：写作 - 审阅与编辑

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
本研究得到了国家重点研发计划 (资助号 2023YFC3709604)；国家自然科学基金 (资助号 42377166)；江苏省重点研发计划社会发展项目 (资助号 BE2023800)；贵州省科技计划 (资助号 黔科合支撑 [2024] 一般 155) 的资金支持。

胡子豪 | 张志卓 | 罗宣利 | 马前伟 | 黄睿杰 | Prithvendra Singh | 蒋宁君

中国江苏省南京市 211189 东南大学岩土工程研究所