堤坝防护治理是世界范围内许多国家共同面临的亟待解决的问题.在我国一些水资源丰富、洪水内涝频发的省份，每年因治理洪水、内涝的费用就高达数亿元，作为有效的防洪防涝手段，堤坝防护起着极其重要的作用^[1].因此，需要采取行之有效的措施处理堤坝，以避免因堤坝的质量引起不必要的损失.目前，利用高强度水泥和混凝土筑堤等常规方法，因运输成本过高等原因受到越来越多国家质疑，而就近采用江河附近黏土进行固化改性，作为堤坝防护用料的方案，因其成本低、运输方便等优点备受推崇.该方法既可以解决堤坝用料运输难、成本高的问题，又可以使粉煤灰等工业废料得到有效利用.国内许多学者针对黏土固化处理进行了一系列深入研究, 得出了一些成果^[2-5].目前，土壤固化稳定技术趋向成熟，方法有很多，已经由单一的外掺(如水泥、石灰、消石灰等)发展到了多种成分的复掺(包括有机和无机)，并逐渐发展成为一种全新的工程材料——土壤固化剂^[6-9].它以专门加固土壤为特性，在与土壤混合后通过一系列物理化学反应，可产生胶结土粒、填充孔隙的作用，将松散土体转为致密胶结材料，较大幅度地改善和提高土壤的强度、耐久性等.

大型工业锅炉、燃煤发电厂等排出的粉煤灰长期大量积压堆放，不仅严重污染环境, 而且还占用了大量土地，是目前世界上排放量最大的工业废料之一，而且其综合利用率目前实际只有30%左右^[10].如何有效地解决粉煤灰所带来的危害是各个国家都在尝试克服的难题.

由于粉煤灰自身是一种细颗粒的无黏性材料，在掺入量较大的情况下，可以人为地减少黏粒含量，这对黏土性质的改善有很大意义^[11-13]，本文在传统水泥和石灰固化方法的基础上，利用大掺量低钙粉煤灰和细砂等多种材料，进行高含水率黏土固化处理改善黏土的力学性质降低黏土的含水率，达到高含水率黏土减水增强和粉煤灰等废弃物双重资源化利用的目的.

1 试验 1.1 材料 1.1.1 试验黏土

试验黏土取自黑龙江省松嫩干流堤坝工程现场，其基本物理性质指标如表 1所示.根据土的分类方法，试验用泥属高液限黏土，其击实试验结果如图 1所示，颗粒级配结果如图 2所示.

1.1.2 固化材料

研究采用低钙粉煤灰、水泥、细砂和石灰作淤泥固化材料.低钙粉煤灰中CaO含量小于1%，且SiO₂+Al₂O₃含量大于70%，归为F类粉煤灰^[2]，其基本物理性质见表 2.

试验过程中水泥和石灰既可作为固化剂与黏土发生多种反应，又可充当碱激活剂与低钙粉煤灰发生火山灰反应.水泥主要化学成分为CaO、SiO₂和Al₂O₃.石灰主要化学成分为CaO，其含量大于90%.细砂主要化学成分为SiO₂，颗粒粒径小于2 mm.

1.2 方法 1.2.1 击实试验

预估最优含水率，按依次相差2%的含水率制备1组(不少于5个)试样.将一定量土样平铺于不吸水的盛土盘内，按预定含水率用喷水设备往土样上均匀喷洒所需加水量拌匀并密封于盛土器内静置备用，静置24 h.然后将击实仪放在坚实的地面上，击实筒内壁和底板涂一薄层润滑油，从预先准备好的试样中定量称取土料分3层填入击实筒内以便分层击实.击实试验完成后，计算得出SD6C3L30FA20S、SD6C3L40FA20S和SD6C3L50FA20S 3种改性后不同粉煤灰含量固化土的最优含水率和最大干密度.

1.2.2 减水试验

取2 200 g风干粉碎土样，分为11份放入真空袋中加水搅拌至最优含水率，并取出约20 g土样称重，测其实际初始含水率.然后将称量好的定量固化剂，混合均匀后分别倒入10个真空袋中，将土样与固化剂搅拌均匀并密封，各固化剂掺加量见表 3.为测其减水效果，需测量混合搅拌均匀固化剂后0，3，12，24，72和168 h等不同时间点对应含水率，以便跟踪含水率随时间变化过程.

2 试验结果与分析 2.1 黏土固化土的击实特征

未固化黏土和黏土固化土击实曲线，即干密度随实测含水率变化曲线，如图 3所示.

由此确定未固化黏土和黏土固化土的最大干密度和最优含水率见表 4.对于未固化黏土，其最大干密度为1.61 g/cm³，最优含水率为21.5%.掺入大量粉煤灰等固化剂后，引起淤泥固化土的最优含水率降低，最大干密度略有降低.分析认为^[14-16]，主要是由于水泥和石灰的水化作用而导致固化土需水量增加、干密度变化.尽管单掺石灰和水泥会导致需水量增加，但是由于掺入了大量粉煤灰和细砂的原因，导致颗粒间空隙较大，最优含水率降低，最大干密度略有降低.由表 4可知，对于混合料SD6C3L30FA20S、SD6C3L40FA20S、SD6C3L50FA20S，在石灰被同掺量水泥取代的过程中，尽管设计混合料的最大干密度和最优含水率发生变化，但其变化幅度很小.

2.2 黏土固化土的减水效果

黏土固化土直观的减水效果，如图 4所示.黏土固化土含水率因不同粉煤灰掺量而随时间的定量变化，如图 5所示.在其他固化剂含量不变情况下，粉煤灰含量越多，初期减水效果越好，在后期不同掺量固化剂对试样的减水效果影响较小，最终试样含水率基本趋于一致.这是由于初期粉煤灰含量高的试样在粉煤灰的作用下减水速率快，但随着时间的推移，粉煤灰吸水效果减弱，不同固化剂掺量试样的减水效果基本不再受粉煤灰含量多少的影响.未固化黏土和黏土固化土经过减水试验后试样的含水率，如图 6所示.减水效果在3、7 d时均变化不大，近乎恒定.这主要是由于，试样的含水状态在最初加入固化剂后就降至一定水平，后期几乎保持不变.对比这3种大掺量粉煤灰固化土，其减水效果较未固化黏土均有较大程度的提高.在黏土固化土中，石灰对试样减水起到促进的作用，比较几种不同石灰掺量的试样，如图 7所示，石灰含量为20%时，含水率降低约28%，而石灰含量为10%时，含水率降低约25%.

结果表明：

1) 粉煤灰掺量越高，各龄期对应固化土的减水程度和减水效果愈加明显.粉煤灰中含有大量的粒径分布不均的玻璃微珠，粒形完整、表面光滑、质地致密，且粉煤灰干料必然消耗部分水分无疑能起到减水和填充致密作用，原有充水的孔隙则被粒径很小的玻璃微珠和碎屑占据，因此从实验结果上来看，粉煤灰干粉的掺量越大，减水效果越明显.

2) 水泥掺量越高，各龄期时固化土的减水效果也呈增加趋势；这是因为水泥在水化过程中，反应消耗了部分水分，并且会产生水化热、促使进一步减水.细砂掺量增加，各龄期时固化土的减水效果也略微增加.分析认为这是固化材料和黏土填充在细砂颗粒的空隙中使整体结构密致，含水量降低.

3) 石灰掺量的比重越高，对固化土减水效果的提升越明显.分析认为这是因为石灰在遇水后的反应放热，消耗了试样中的水分，使黏土试样含水量呈现下降趋势.

3 结论

1) 相比未固化黏土，大掺量粉煤灰诱发固化黏土的最优含水率和最大干密度均略有降低.所设计固化材料中粉煤灰、石灰、水泥和细砂的掺量变化并不会引起混合料最大干密度和最优含水率的显著变化.

2) 所设计固化材料能够有效降低高含水率黏土的初始含水量，对于用作堤防填筑材料具有重要意义.水泥、粉煤灰和细砂等材料掺量越大，减水效果越明显，固化土减水速度越快，所需时间较短，且168 h后减水效果基本稳定.

3) 随着晾晒时间延长，未固化土减水速度明显劣于固化黏土, 固化剂含量明显变化会引起减水效率大幅度变化.