自大湾区概念提出以来，广东沿海地区的建设步伐正不断加快，与之伴随的是在工程建设过程中产出大量的建筑垃圾。在我国，建筑垃圾产量正以3%的速度逐年递增，然而仅5%的建筑垃圾得到资源化利用^[1]。其中，在基坑开挖、地基换填处理工程和河道清淤等过程中会造成大面积的淤泥废置，这些淤泥废弃土若不及时进行处理利用，不仅会侵占大量土地资源，还会影响环境^[2]。

对于废弃土的再利用，国内外学者进行了多方面的尝试^[3-4]。张烈鑫等^[5]将建筑废弃土用作粘结剂来生产烧结砖。张亚洲等^[6]把泥水盾构中的废弃土重新利用到盾构过程的注浆材料和混凝土骨料中。沿海地区的废弃淤泥土具有含水质量分数高、孔隙比大、强度低、有机质质量分数高和渗透性小的不良工程性质，为避免给工程留下安全隐患，在资源化利用前常常需要进行固化处理^[7-9]。王建平等^[10]利用粉煤灰、矿粉等材料固化淤泥后部分取代碎石来处理软土地基。肖继强^[11]将纳米材料加入作为固化淤泥的外加剂，发现其能有效改善固化淤泥作为路基材料的性能。陶君军^[12]在疏浚淤泥中加入工业废渣进行固化，发现其能满足各项路用性能指标。然而，目前对于淤泥资源化利用的研究仍集中于河道淤泥和疏浚淤泥，在固化海相淤泥的再利用研究上仍存在较大的空白。

本文选取了广州南沙区的海相淤泥，对不同水泥质量分数的淤泥固化土进行击实试验以获取最大干密度，并在此基础上设置不同的压实度，对水泥固化淤泥废弃土进行无侧限抗压强度试验和水稳定性试验。通过分析多种条件下的强度特性，探究水泥固化淤泥废弃土作为填土材料进行资源化利用的可行性。

本试验采用的淤泥取自广州市南沙区万顷沙某工地，淤泥上层覆盖着2 m厚的回填土，淤泥层厚约为3 m，其颜色为深黑色，淤泥中含有较多细颗粒，黏性强。淤泥的基本性质按照土工试验规范(GB/T 50123-1999)进行，具体物理指标见表1，淤泥的颗粒级配由激光粒度分析仪测得，仪器测试范围为0.01~3 500 μm，详细的颗粒级配曲线见图1。试验中采用的水泥为PO42.5R普通硅酸盐水泥，硅酸盐水泥的化学组成成分由波长色散X射线荧光光谱仪测得，仪器测试精度为0.01%，准确度为0.05%，详细数据见表2。

表 1(Table 1)

表 1 淤泥的基本物理性质 Table 1 Physical properties of silt 含水质量 分数/% 密度/ (g·cm–3) 孔隙比 液限/% 塑限/% 液限 指数 塑限 指数 69.28 1.67 1.74 52.84 38.14 2.12 14.7

表 1 淤泥的基本物理性质 Table 1 Physical properties of silt

图 1(Figure 1)

图 1 淤泥级配曲线 Figure 1 Grading curve of silt

表 2(Table 2)

表 2 水泥的主要化学成分 Table 2 Chemical composition of cement 化合物 CaO Fe2O3 SiO2 Al2O3 MgO SO3 Loss 质量分数/% 62.36 4.27 22.65 5.74 0.85 1.08 1.03

表 2 水泥的主要化学成分 Table 2 Chemical composition of cement

本试验的水泥固化淤泥废弃土试样采用静力压实仪制备，根据击实试验得到的最大干密度、最优含水质量分数和模具尺寸(高80 mm、内径39.1 mm)，分别计算出不同压实度(90%，96%，100%)及不同水泥质量分数(5%，10%，15%)情况下所需的淤泥干土量和掺水量，按比例将干土和水泥混合搅拌均匀后加入相应体积的去离子水并再次搅拌，待搅拌均匀将混合料分成3层加入到模具中，每次加入混合料后进行静力压实，在加入下一层混合物前需要进行刨毛。每组制作3个平行试样，完成制样后进行脱模，然后放置于养护箱中在25 ℃和90%湿度条件下养护至设定的龄期(7，14，28 d)，备用于后续的试验。

本试验采用的是重型击实试验。称取烘干粉碎后的淤泥废弃土2 kg，根据前期试验按照干土质量的比例加入不同质量分数(15%，17%，20%，22%，25%，30%)的去离子水进行焖料。焖料2 h后根据不同质量分数加入水泥，分5层将混合料加入到击实筒中，每次加入混合料后启动击实仪进行56击，每次加入下一层混合料前需进行刨毛。击实完成后根据试样的含水质量分数、体积和质量计算出试样的干密度并绘制出干密度和含水质量分数的关系曲线，曲线上峰值点的坐标即分别代表试样的最大干密度和最优含水质量分数。

采用乳胶膜将水泥固化淤泥废弃土试样固定在三轴仪上并在试样上下均装上不透水水板。固定安装好试样后用试验机的手轮将压力室里土样与活塞杆和量力环接触，当量力环中百分表上读数出现变化时立即停止摇动手轮。将剪切速率调至0.9 mm/min，启动三轴仪电机进行剪切并收集数据，当试样的轴向应变达到4%时结束试验。

当制备完成的试样在养护箱中养护至6，13，27 d时，将试样从养护箱中取出放置于盆子中，倒入去离子水至试样被完全浸泡。浸泡24 h后将试样从盆中取出并用抹布擦干，进行无侧限抗压强度试验。无侧限抗压强度试验需在30 min内完成以避免试验过程中的水分蒸发影响试验结果。

由图2可以看出，在淤泥废弃土中掺入水泥后，最大干密度随着水泥质量分数的增加而减小，最优含水质量分数则随着水泥质量分数的增加逐渐趋近。这可能是由于淤泥土中掺入水泥后，水泥具有一定的吸水性，而且水泥水化反应需要额外的水参与反应导致了在水泥掺入后，最优含水质量分数增加；而干密度的减小是由于水泥颗粒覆盖在土颗粒表面，形成了较大的团聚体，使得土颗粒挤占了更多的空间，从而降低了最大干密度^[13]。除此之外，本文还能从图中看出在掺入水泥后，水泥固化淤泥废弃土的干密度变化随含水质量分数变化变得更为平缓，这说明水泥的掺入能降低土体干密度对含水质量分数的敏感度^[14]。

图 2(Figure 2)

图 2 水泥固化淤泥废弃土干密度与含水质量分数变化关系 Figure 2 Relationship between dry density and moisture content of cement stabilized waste silt

对不同质量分数水泥固化后的淤泥废弃土试样进行了无侧限抗压强度试验，其中试验测得的应力应变曲线如图3所示。从图3中可以看出，使用水泥固化淤泥废弃土后，试样的无侧限抗压强度明显增加，而且会随着水泥质量分数和龄期的增加而增加。在掺入10%水泥后，水泥固化淤泥废弃土试样养护7，14，28 d后的强度较掺入5%水泥的试样分别增加了38%，137%，131%，而掺入15%水泥的试样相较于掺入10%水泥的试样，则分别增加58%、75%和108%，可以看出，水泥质量分数增加到一定程度后，强度改善效果会逐渐减弱。同时，从图中还可以看出水泥的掺入对于水泥固化淤泥废弃土的早期强度(7~14 d)有明显的改善，在养护龄期较长时，随着水泥质量分数的增加其强度的提升效果也会更为显著。这是因为淤泥废弃土中的水泥可以与水发生反应，生成丰富的水化硅酸钙(C-S-H)和水化硫铝酸钙(钙矾石)，这些物质可以有效地把土颗粒胶凝在一起，同时部分水化物还可以填充试样中的孔隙，提高试样的致密性和整体性，进而提高试样的强度^[15]。此外，试样的峰值应变会随着水泥质量分数的增加而减小，而且当达到峰值强度后，试样的应力会出现陡降现象，这表明淤泥废弃土中水泥质量分数的增加会削弱试样的延展性并在破坏时发生脆性破坏。

图 3(Figure 3)

图 3 水泥固化淤泥废弃土的应力应变曲线 Figure 3 Stress-strain curves of cement stabilized waste silt

由于实际工程中的填土材料一般很难达到100%的压实度，所以本试验在以最大干密度对应100%的压实度的情况下另外设置了90%，96%的压实度，并对不同压实度的样品进行了无侧限抗压强度试验。图4展示了不同压实度下水泥固化淤泥废弃土的无侧限抗压强度。从图4中可以看出，试样无侧限抗压强度随着压实度的降低而降低，降幅均比较明显，平均达到了38.4%，特别是在掺入水泥质量分数较低(5%)时，降幅变得更为明显，平均达到了40.2%。在压实度比较低的时候，试样内部会存在较多的孔隙，当水泥质量分数较低时，这些孔隙不能被有效地填充，土颗粒和水化产物之间形成的空间结构就会变得不再牢固，使得水泥固化淤泥废弃土的强度出现较大的削弱。

图 4(Figure 4)

图 4 不同压实度下水泥固化淤泥废弃土的无侧限抗压强度 Figure 4 UCS of cement stabilized waste silt under different compactness

表3展示了水泥固化淤泥废弃土的水稳定性指标，联合图4可以看出，大部分试样的无侧限抗压强度在泡水后都发生了明显的降低，其中掺入5%水泥的90%压实度试样的平均强度仅为泡水前的12.7%。在压实度较小的情况下，试样内部孔隙较多，而低质量分数的水泥又不能及时地将孔隙填满，极容易使得试样内部的水化产物在浸泡过程中被溶出，影响整体的结构性。在压实度或水泥质量分数提高时，从水稳定系数可以看出试样的水稳定性有了明显的提升。当水泥质量分数提高到15%、养护龄期达到28 d且压实度大于96%时，水稳定系数达到了90%以上，试样表现出较好的水稳定性。此外，从表3中还可以发现96%压实度和100%压实度的试样水稳定系数差别不大，在掺入15%水泥时，低压实度的试样出现水稳定系数高于高压实度试样的情况。这可能是因为当水泥质量分数较高时，水泥固化淤泥废弃土内部生成的大体积水化产物(钙矾石)使得高压实度的试样内部发生膨胀破裂，而这些大体积水化产物在低压实度时恰好能将试样内部空间完全填充，使试样具备更好的整体性，表现出更为优异的水稳定性能^[16]。

表 3(Table 3)

表 3 水稳定性指标统计结果 Table 3 Statistical results of water stability index 水泥质量分数/% 压实度/% 无侧限抗压强度/MPa 水稳定系数/% 浸水 未浸水 7 d 14 d 28 d 7 d 14 d 28 d 7 d 14 d 28 d 90 0.09 0.10 0.14 0.81 0.88 0.89 11.1 11.4 15.7 5 96 0.68 0.77 0.89 1.53 1.63 1.82 44.4 47.2 48.9 100 0.94 1.03 1.12 2.01 2.15 2.16 46.8 47.9 51.9 90 0.62 0.72 0.87 1.31 1.41 1.62 47.3 51.1 53.7 10 96 1.27 1.63 2.03 2.34 2.82 3.20 54.3 57.8 63.4 100 1.30 2.44 2.59 2.94 3.60 4.12 44.2 67.8 62.9 90 0.79 1.19 1.73 1.60 2.10 3.00 49.4 56.7 57.7 15 96 1.49 3.36 4.96 2.67 3.94 5.06 55.8 85.3 98.0 100 2.06 4.27 5.40 3.03 5.27 5.95 68.0 81.0 90.8

表 3 水稳定性指标统计结果 Table 3 Statistical results of water stability index

本文探讨了不同水泥质量分数下水泥固化淤泥废弃土的击实特性，并根据击实试验结果探究不同击实度下的水泥固化淤泥废弃土的力学特性和水稳定性，得出以下结论：(1) 对于水泥固化淤泥废弃土的击实特性，随着水泥质量分数的增加，试样的最大干密度有所降低，最优水泥质量分数则逐渐增加。(2) 在淤泥废弃土中掺入水泥后，试样的早期强度改善效果相较于后期会更为显著，同时水泥的掺入会使得淤泥固化土延展性降低，破坏状态为脆性破坏。(3) 在5%水泥质量分数时，试样的强度随压实度的降低会出现明显降低。水泥质量分数和压实度的增加可以有效提高水稳定性，但在较高压实度的情况下，压实度对水稳定系数的影响效果会削弱。