1、Open Journal of Transportation Technologies 交通技 术,2023,12(5),431-437 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/ojtt https:/doi.org/10.12677/ojtt.2023.125047 文章引 用:李炳志,李彦澄,胡 卓凡,殷子鸣,张少凯,闵凡路.MgO 固化 碳化盾构离心高液限粉土界限含水率试验研究J.交通技术,2023,12(5):431-437.DOI:10.12677/ojtt.2023.125047
2、MgO固化 碳化盾构离心高液限粉土界限 含水率试验研究 李炳志1，李彦澄1，胡卓凡1，殷 子鸣1，张少 凯1，闵凡路1,2 1河海大学 土 木与交通 学院，江苏 南京 2河海大学 岩 土力学与 堤坝 工程教育 部重 点实验室，江苏 南京 收稿日期：2023 年8 月21 日；录用日 期：2023 年9 月14 日；发布 日期：2023 年9 月25 日 摘 要 针 对泥 水盾构产 生的 工程废弃 土可 塑性无法 满足 工程规范 要求 的问题，开展 活性氧化 镁固 化碳 化高液限 粉土 的界限含 水率 试验研究。分 析液、塑 限及 塑性指数 变化 规律，探 究可 塑性变化 原因。高液限 粉 土在
3、 掺入 氧化镁后，增 大掺量或 延长 碳化时间 均可 使固化 碳化 土的塑限 提高，液限和 塑性 指数降低，塑性指数最低为7。可塑性不断降低的原因可能有两种：一是由于氧化镁掺入后产生的水化产物与细粒颗粒胶凝团聚，使细粒含量降低，土体吸水能力减弱，导致土体液限降低；二是由于氧化镁颗粒的掺入及反应使级配更加合理，水分对土体结构的影响降低，导致塑限升高。wL和wp的变化共同导致塑性指数的降低。关键词 泥 水盾构，高液 限粉土，碳化，界限 含水率 Experimental Study on the Limit Water Content of MgO Modified Carbonized Shiel
4、d Tunnel Centrifugal High Liquid Limit Silt Bingzhi Li1,Yancheng Li1,Zhuofan Hu1,Ziming Yin1,Shaokai Zhang1,Fanlu Min1,2 1College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing Jiangsu 2Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering,Ministry of Education,Hohai University
5、,Ministry of Education,Nanjing Jiangsu Received:Aug.21st,2023;accepted:Sep.14th,2023;published:Sep.25th,2023 Abstract In response to the problem that the plasticity of engineering waste soil generated by slurry shield 李炳志 等 DOI:10.12677/ojtt.2023.125047 432 交通技术 tunneling cannot meet the requirement
6、s of engineering specifications,an experimental study on the limit water content of activated magnesium oxide modified carbonized high liquid limit silt was conducted.Analyze the change rule of liquid and plastic limit and plasticity index,and inves-tigate the reason of plasticity change.It is found
7、 that after the high liquid limit silt is mixed with magnesium oxide,increasing the amount of MgO or prolonging the carbonization time can make the plastic limit of the modified-carbonated soil increase,the liquid limit and plasticity index de-crease,and the plasticity index is as low as 7.The reaso
8、n for the plasticity decreasing may be two kinds:firstly,due to the hydration products produced after the magnesium oxide mixing with the fine particles gelling agglomeration,so that the fine particles content decreases,and the soil bodys ability of absorbing water is weakened,which results in the d
9、ecrease of the liquid limit of the soil;and secondly,because the magnesium oxide particles are not mixed with the liquid limit of the soil,it is the reason for the decrease of the liquid limit.Due to the magnesium oxide par-ticles and reaction to make the grading more reasonable,the influence of wat
10、er on the soil struc-ture is reduced,resulting in higher plastic limit.The changes in wL and wp together lead to a de-crease in the plasticity index.Keywords Slurry Shield,High Liquid Limit Silt,Carbonation,Limit Water Content Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed
11、under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言 泥水盾构 工法 以其安全、高 效等优势 在越 来越多的 水下 隧道工程 建设 中被广泛 应用 1 2 3，甚 至在一些全 断面 黏土地层 中也 开始使用，如 济南济泺 路穿 黄隧道工 程 4、扬州瘦西 湖隧道 5 等。然而其水力 出土 的方式，使得 在掘进过 程会 产生大量 的废 弃泥浆。即使 经过一系 列的 脱水减量 处理，依然会 产 生大 量的 废弃黏土。
12、以 济南济泺 路穿 黄隧道工 程为 例，工程 采用 双台泥水 盾构 同向穿越 全断 面粉质黏 土 地层，产生 了共 约 1233 万方 4的含水 率约 280%的废弃 泥浆，经 过筛 分、旋流、离 心及板框 处理 后，单台盾构约产 生 210 万 方泥 饼。这些 土因 无法 满足 相关 规范 6 7中物 理指 标的 要求(如塑 性指 数、无侧 限强 度等)而无 法直接利 用。如 不及 时进行处 理，不仅会影 响工 期，还可 能因 处理不当 而导 致环境污 染。目前，化 学固 化方法经 常 被用 于处 理工程废 弃土，常见的 化学 固化剂通 常包 括生石灰、水 泥等无机 固化 材料。而 这些 固
13、化剂耗 能 较高，需 要一种更 加高 效、环保 的固 化材料或 固化 方法进行 废弃 土处理。对于 泥水盾构 产生 的废弃土，其在改性处 理后 性质的变 化规 律，也是 值得 关注的。已有学者针对 固化材料方面 研究 8 发现 相较于生石灰、水泥等材料，氧化镁被认 为是一种绿色 可持续、富有前景 的固化剂，具 有低碳环保、强度增长潜力 大等优势。另 有学者通过研 究加速碳化技 术 9，发 现可 以提高碳 化废 弃土的含 碳量 和稳定性，减 少碳排放 及对 环境的污 染，并可用于 多个 再利用领 域。为了改善泥水盾构废弃土的性质并提高其资源化利用的可行性，如何控制碳化条件，以保证在泥水盾构废弃土
14、固化 碳化获得较好效果的同时，能够吸收更多的 CO2，达到节能固碳的目的，是日前研究的重点。关于氧化 镁固 化碳化 废弃 土的改性 机理 10-15，目 前一般认 为包 括水化反 应(式 1、2)、火 山灰反应(式 3、4)和 碳化反应(式 58)。22MgO H O Mg 2OH+(1)Open Access李炳志 等 DOI:10.12677/ojtt.2023.125047 433 交通技术()22Mg+2OH Mg OH+(2)22Mg+2OH+SiO MSH+(3)223Mg 2OH Al O MAH+(4)2 2 32MgO CO 3H O MgCO 3H O+(5)()()()(
15、)22 3 22 52 45Mg OH 4CO H O Mg CO OH 5H O+(6)()()()()2 322 52 45Mg OH 4CO Mg CO OH 4H O+(7)()()()()22 3 22 22Mg OH CO 3H O Mg CO OH 3H O+(8)本 研究 采用 江阴 靖江 长江 隧道 工程 的泥 水盾 构离 心高 液限 粉土，通 过界 限含 水率 试验，对固化碳化废弃土 进行 研究。通 过改 变养护条 件和 碳化条件 t，分析泥水 盾构 废弃土碳 化后 可塑性，探究塑限 wp、液限 wL、塑性指数 Ip的变化规律，为日后城市地下隧道建设过程中盾构废弃土的合理处
16、理和利用提供参考。2.材料与方法 2.1.试验材料 试 验所 用废 弃土 取自 江苏 省江 阴靖 江长 江隧 道，来源 于泥 水盾 构穿 越粉 质黏 土地 层时 产出的泥浆。离心脱水 后产 生的废弃 土的 塑限和液 限分 别为 55.1%和 70.4%，塑 性指数为 15，呈明显 软塑 状且无法 击实。为保 证研 究效果避 免废 弃土风化 失水，待泥浆 离心 后立刻取 样。废弃土的 基本 物理性质 指标 见表 1。该废弃土 细粒 含量为 80.3%，砂粒含量 为 16.6%，根 据 土的工 程 分类标准 16，属于粉土 中的高液 限粉土(MH)(wL 50%)。Table 1.Basic pr
17、operties of waste soil 表 1.废弃土基 本性质 含水率(%)密度(g/cm3)比重 粒径(%)塑限(%)液限(%)塑性指数 0.005 mm(0.0050.075)mm(0.0752)mm 56.01 1.41 2.61 3.1 80.3 16.6 55.1 70.4 15 Figure 1.Particle analysis graph 图 1.颗粒分析 曲线图 李炳志 等 DOI:10.12677/ojtt.2023.125047 434 交通技术 颗粒分析 试验 采用 Mastersizer 2000 激 光 粒度仪进 行测 定。放 入少量 土样于烧 杯中，加入
18、大量纯 水并用 玻璃 棒进行搅 拌、稀释。用 样品 注射器吸 入少 量稀释混 合液，注入超 声波 测量专用 烧杯 中进行测 量。颗粒粒径 测量 结果如 图 1 所 示，测试 得到 有效粒 径 d10(9.3 m)、中值 粒径 d30(26.3 m)、限制粒 径 d60(45.7 m)。根据下式 9、10 可以计 算 得出不均 匀系 数 Cu为 4.91；曲率系 数 Cc为 1.63。根据 土的工程分类标准 16，该 土级配不 良。60 10 uC dd=(9)()()230 10 60 cC d dd=(10)式中，Cu 不均匀系 数；Cc曲率系 数，13 时 级 配连续，当 Cu 5，1 C
19、c 3，且 细粒含 量不超过5%时级配良好，反之则不 良 16；d10有效粒径，单位：m；d30中值 粒 径，单位：m；d60限制粒径，单 位：m。试验所使 用的 固化剂 MgO 产自辽宁 海城，颜色为 淡黄 色，外形 呈极 细状粉末。利 用 X 射 线荧光 光谱全元素、半 定量检 测 MgO 的 主要成 分 含量如 表 2，根 据 规范 YB/T4019-2006 17，通过 柠檬 酸中和法测定其活 性 ACC 值为 75 s。Table 2.The main chemical composition content of MgO 表 2.MgO 主要化学成分含量 成分 MgO SiO2 I
20、L CaO Al2O3 Fe2O3 含量(%)87.43 4.92 4.32 2.18 0.67 0.47 2.2.试验方法 试验共设 计 了 3 种不 同的 氧化镁掺 量，即 am=3%、9%、15%。氧化 镁掺量 am(the amount of magnesium oxide)定义为氧化镁质量与干土质量之比。按照设计比例将氧化镁加入至废弃土中，利用机械搅拌机以100 rot/min 的转速搅 拌 5 分钟，而 后静 置至室温。将 试样用塑 料薄 膜包裹密 封，置于养护 箱中 养护，养护条件为 温度(20 2)、湿 度 90%。在试样达 到 表 3 要 求的 对应龄期 后取 出，按照 试验
21、 方案计划 的碳 化时间 t 进行 碳化。在 碳化 桶内装好试样后，拧 紧法兰盘 螺 母，关 闭排 气 阀，设定 50 kPa 通气压 力后 缓慢打开 加压 气瓶阀门，检 查碳化 桶气密性；确保 无漏气和 异响 后，打开 排气 阀排气 1 分 钟，将碳 化桶 内的空气 排尽；关闭排 气阀，将调压阀设定 为 200 kPa 碳化压 力 进行加速 碳化 试验。碳 化完 成后，测 定碳 化试样的 界限 含水率。Table 3.Test program 表 3.试验方案 试验名称 MgO 掺量 养护龄期(天)碳化时间(小时)界限含水率 3%、9%、15%7 0、1、4、8 试验按照 土 工试验方 法标
22、 准第 9.2 条，利用 GYS-2 型液塑 限联 合测定仪，测 定试样的 液塑 限。根据式 11 计 算塑性指 数 Ip：p LpI ww=(11)李炳志 等 DOI:10.12677/ojtt.2023.125047 435 交通技术 2.3.碳化装置设计 空气中 的 CO2浓度仅占 0.03%，在自然 条件下发 生的 碳化反应 不充 分，且缓 慢的 碳化过程 会使 试样表面形成 一层 碳化硬壳，阻 碍反应进 一步 发生。因 此，为研究氧 化镁 在高纯 度 CO2加速碳化条 件下 的 碳化效果，采用 南京土壤 仪器 厂加工制 造的 加速碳化 加固 装置。器 材如 图 2 所示。试验选用 工
23、业 法生产的CO2气体，纯 度达 99.5%。碳化装置 由 CO2加压 气瓶、计时装 置和 碳化桶三 部分 组成。碳 化桶 材质为有机玻璃，内部 直径 140 mm，高 260 mm。每层最 多可 放入 6 个 试样，最多放 三层，并且桶 内设 有多孔管保 证每 个试样。上部 进气口通 过塑 料软管连 通二 氧化碳加 压气 瓶，下部 排气 阀用于卸 压；碳化压力 依 靠压力表及 调压 阀控制，气瓶 内充满 99.5%高纯液 化 CO2，始终将 碳 化压力维 持在 设定压力，减 压阀最高可保证 0.5 Mpa 的碳化 压力。高纯液 化 CO2，始终 将碳 化压力维 持在 设定压力，减 压阀最高
24、可保 证 0.5 Mpa的碳化压 力。Figure 2.Carbonized reinforcement test device(unit:mm)图 2.碳化加固 试验装置(单位：mm)3.结果 各 am下界 限 含水率、塑性 指数的变 化如 图 3、图 4 所 示。随着 t 的 延长，各 am下的 wp基本呈现上升趋势，最大 为 60.4%，与 废弃土相 比提 升了 5.3%；液 限 wL和 Ip也逐渐下 降，wL最小为 67.2%，降 低了 3.2%；Ip最低为 7，降低 了 53.5%，且均低于 废弃 土。在 t 4 h 时，各 am下的 wp快速升 高、wL和 Ip快速下降，4 h 后
25、 wp、wL和 Ip均 趋于稳 定。碳化前 4 h 界限含水率的快速变化表明碳化反应剧烈进行，水化产物快速消耗生成碳化产物，胶结能力增强使土粒团聚能力提高，进一步消耗孔隙水转化为碳化产物中的结晶水，提高了水稳定性，水分对土体结构影响减小，导致 wp升高；Mg(OH)2通过碳化反应转化为镁式碳酸盐产物，胶结团聚能力增强，使细粒团聚为更大的土颗粒，比表面积减小，土体吸水能力减弱，wL降低。根据图 3、图 4 中 wp、wL和 Ip的变化规律可 以看 出，在掺 入氧 化镁后，wp上升，wL和 Ip下降。wp的升高表 明掺 入氧化镁 后，生成的 MSH 凝胶态水 化产 物和 Mg(OH)2结晶态水化
26、产物将土 体内 的孔隙水分 别转化 为势能 更高的 结合水 和矿物 水 18，水 分对土体 结构的 影响降 低。wL的降 低表明 了土壤 可塑 态上限含水 率持 续下降，即土 体对水分 的吸 收能力降 低。Ip随 am的增 加而持续 下降，表明 土体可 塑性不 断降低，主要有 两种原因：一 是由于掺入氧 化镁后随着水 化反应的进行，Mg(OH)2水化产物与细 粒颗粒胶凝团聚，使细 粒含量降 低，土体吸水 能力 减弱，导致土 体 wL降低；二是由于 氧化 镁掺入土 体后 使土体 结构更稳定，土 体骨架更 为合 理，水分 对土 体结构的 影响 降低，导 致 wp升高。李炳志 等 DOI:10.12
27、677/ojtt.2023.125047 436 交通技术 Figure 3.The change of liquid-plastic limit of magnesium oxide modified carbonated soil with different carbonization time 图 3.不同碳化 时间氧化镁固化 碳化土液 塑限变化图 Figure 4.The plasticity index variation of magnesium oxide modified carbo-nated soil with different carbonization time 图
28、 4.不同碳化 时间氧化镁固化 碳化土塑 性指数变化图 根据公 路路 面基层施 工技 术细则 6要求，土 壤 Ip 26，而本 文中废弃 土以 及所有 am、t 条件下的固化 碳化 土均满足 要求。4.结论 1)针 对江阴 靖江长江 隧道 泥水盾构 离心 脱水后的 高液 限粉土，在 掺 入氧化镁 并固 化碳 化后，通 过李炳志 等 DOI:10.12677/ojtt.2023.125047 437 交通技术 增大 am、延长 t 可使 wp提高，wL和 Ip降低；wp升高 了 0.5%5.3%，wL降低了 0.4%2.9%，Ip降低 了6.7%53.3%，最低 为 7。2)所有固化、碳化条件下
29、的固化 碳化土均满足 公路路面基层施工技术细则 规范中 Ip 26 的要求。3)氧化 镁 固化碳化 高液 限粉土可 塑性 不断降低，有 两种原因：一 是由于 Mg(OH)2水 化产物 与细粒颗粒胶凝 团聚，使细 粒含量 降低，土体吸 水能力减 弱，导致土 体 wL降低；二是由 于氧化镁 颗粒 的掺入 及反应使土 体粒 径级配更 加合 理，土体 骨架 更稳定，水分 对土体结 构的 影响降低，导 致 wp升高。wL和 wp的变化共 同导 致塑性指 数的 降低。基金项目 本文作者 感谢 国家自然 科学 基金(No.52078189)、中央高 校基本科 研业 务费专项 资金 资助(B230201037
30、)对研究的 支持。参考文献 1 Alberto-Hernandez,Y.,Kang,C.,Yi,Y.and Bayat,A.(2018)Clogging Potential of Tunnel Boring Machine(TBM):A Review.International Journal of Geotechnical Engineering,12,316-323.https:/doi.org/10.1080/19386362.2016.1277621 2 Lu,Y.,Ma,J.-M.,Xu,Q.-J.and Han,M.-N.(2004)TBM in the Future of Chi
31、na.Marine Georesources&Geotech-nology,22,185-193.https:/doi.org/10.1080/10641190490467116 3 Pirastehfar,K.,Shivaei,S.,Sadaghiani,M.H.and Nikooee,E.(2022)3D Numerical Investigation of the Effects of Driving of the New Mechanized Tunnel on Existing Segmental Linings and Ground Surface SettlementsA Cas
32、e Study:Shiraz Metro Line 2.International Journal of Geotechnical Engineering,16,878-889.https:/doi.org/10.1080/19386362.2020.1816381 4 Wang,D.,Min,F.,Lyu,H.,et al.(2023)Recycling Waste Sand from Slurry Shield Tunneling:A Sustainable Filter Aid for Waste Slurry Dehydration.Journal of Cleaner Product
33、ion,383,Article ID:135387.https:/doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.135387 5 吴昌胜,朱志铎.不同直径盾构 隧道地层损失率的对比研究J.岩土工程学报,2018,40(12):2257-2265.6 交通运输部公路科学研究院.JTG/T F20-2015 公路路面基层施工技术细则S.北京:中国 标准出版社,2015.7 中国建筑科学研究院,机械工 业勘察设计研究院.JGJ 79-2012 建筑地基处理技术规范S.北京:中国标准出版社,2012:257 p.8 Harrison,J.(2003)New Cements Based
34、on the Addition of Reactive Magnesia to Portland Cement with or without added Pozzolan.Proceedings of the CIA Conference:Concrete in the Third Millenium,Brisbane,5 February 2003,24-35.9 蔡光华,刘 松玉,曹 菁菁,王亮.二氧化碳碳化技术研究进展J.南京工程学院学报(自然科学版),2017,15(1):1-11.10 Amaral,L.F.,Oliveira,I.R.,Bonadia,P.,R.Salomo,R.
35、and Pandolfelli,V.C.(2011)Chelants to Inhibit Magnesia(MgO)Hydration.Ceramics International,37,1537-1542.https:/doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.01.030 11 Botha,A.and Strydom,C.A.(2001)Preparation of a Magnesium Hydroxy Carbonate from Magnesium Hydroxide.Hydrometallurgy,62,175-183.https:/doi.org/10.1
36、016/S0304-386X(01)00197-9 12 Temuujin,J.,Okada,K.and Mackenzie,K.J.D.(1998)Role of Water in the Mechanochemical Reactions of MgO-SiO2 Systems.Journal of Solid State Chemistry,138,169-177.https:/doi.org/10.1006/jssc.1998.7768 13 蔡光华.活性氧 化镁碳化加固软弱土的试验与应用研究D:博士学位论文.南京:东南大学,2017.14 李兆恒.MgO-SiO2-H2O 胶凝体 系的反应机制及应用研究D:博士学位论文.广州:华南理工大学,2015.15 袁润章.胶凝材 料学M.武汉:武汉理工大学出版社,1996.16 南京水利科学研究院.GB/T 50145-2007 土的工程分类标准S.北京:中国 计划出版社,2007:38.17 中钢集团洛阳耐火材料研究院.轻烧氧化镁 化学活性测定方法Z.洛阳:中钢集团洛阳 耐火材料研究院,2006:1-4.18 马佳伟.石灰改 性脱水废弃黏土水分转化规律及碳化加固试验研究D:硕士学位论文.南京:河海大学,2022.
