Feasibility study on waste silty clay as a recycled slurry material for slurry shield tunneling
本研究表明，通过使用碳酸钠进行化学改性以增强其胶体稳定性和过滤性能，废弃粉质粘土可作为一种在砂质及粗砂地层中进行盾构掘进的可行且可持续的再生泥浆材料，尽管由于滤饼形成不足，其在砾石层中的有效性受到限制。
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在现代城市繁忙的街道下方，被称为盾构机的巨型机器正在为地铁和地下交通开辟路径。这些机器不仅仅是在挖掘；它们必须不断抵挡着挤压向它们的土壤和水的压力。为了实现这一点，它们向隧道面注入一种特殊的液体泥浆，称为泥浆（slurry）。这种泥浆完成了一个关键的技巧：当它渗入周围土壤的微小缝隙时，会留下一个薄薄的、坚固的表层，即滤饼（filter cake），起到临时墙壁的作用。这道墙平衡了压力，在机器向前挖掘的同时确保隧道的安全，防止坍塌。几十年来，该行业一直依赖一种名为膨润土（bentonite）的天然粘土来制作这种泥浆。然而，膨润土是一种有限的资源，开采和加工成本高昂。与此同时，隧道工程会产生大量的自身废弃土，通常是粉砂和粘土的混合物，目前这些物质被视为垃圾并倾倒在填埋场中。工程师们面临的问题是，是否可以将这些废弃土进行清理，并将其转化回建造隧道所需的泥浆，从而创建一个既能节省资金又能保护环境的闭环。
来自武汉大学和东北大学的研究小组着手通过测试是否可以通过简单的化学添加剂处理废弃粉砂质粘土，使其能够替代膨胀土，以此来回答这个问题。他们首先从沈阳的一个地铁施工现场采集废弃土壤，将其干燥并研磨成细粉。为了让这种粉末表现出隧道施工所需的高性能泥浆特性，他们将其与水、少量的细砂和碳酸钠（一种类似于苏打水的常见家用化学品）混合在一起。他们测试了数十种不同的配方，通过调整水、粉末和砂的用量来寻找完美的平衡点。他们的目标是创造出一种既足够浓稠以携带岩石碎片，又足够稳定而不会在管道中沉淀，并且能够形成那层至关重要的隧道壁保护层的混合物。经过广泛测试，他们确定了一个最佳配方：一种特定的土水比例、精确的碳酸钠用量以及定量的细砂。事实证明，这种混合物的流动性和稳定性特征与行业标准的膨润土泥浆完全一致。
随后，研究人员进入了最关键的测试阶段：观察这种新泥浆是否能在不同类型的地面中实际形成保护墙。他们建造了一个装满沙子和砾石的大型透明柱体来模拟大地，然后在高压下将这种新泥浆注入其中，密切观察泥浆如何与土壤相互作用。在细中砂层中，结果令人振奋。改良后的泥浆渗入程度恰到好处，堵住了缝隙，形成了一层坚固的表层，有效地抵御了水压。在这种条件下，泥浆将超过百分之八十五的泵送压力转化为稳定地面的力量，这一性能水平达到了隧道建设的严格安全要求。虽然该泥浆形成的表层比天然膨润土制造的略逊一筹，但其强度足以胜任工作。
然而，当研究人员在砾石层中测试这种泥浆时，情况发生了变化，因为石头之间的间隙要大得多。在这种粗糙的环境中，泥浆未能形成保护层。由于颗粒太小，无法跨越砾石石块之间的宽大间隙，因此泥浆直接流失了，未能留下密封层。压力转换效率降至百分之四十以下，这意味着泥浆无法阻挡土壤或水。这一发现至关重要，因为它界定了这种新材料的局限性。它在砂质土壤中表现良好，但在没有进一步改进的情况下，无法用于松散的砾石地层。研究人员证实，在砂层中的成功归功于一种化学转化。碳酸钠改变了粘土颗粒表面的电荷，使它们相互排斥并在水中均匀分布，就像膨润土的自然行为一样。这使得颗粒能够以正确的方式聚集，从而堵塞土壤缝隙，这一过程通过观察泥浆及其形成的表层的微观结构得到了验证。
研究结论指出，经过简单化学改性后的废弃粉砂质粘土，是砂质地面隧道施工中一种可行且可持续的膨润土替代方案。它提供了一种将巨大的废弃物问题转化为价值资源的途径，显著降低了成本并减少了建筑业对环境的影响。然而，研究人员明确表示，这并非万能解决方案。虽然改良后的泥浆在构成地下世界大部分内容的砂土和粉砂中表现出色，但它目前还无法处理砾石地层中巨大的开放孔隙。对于那些具有挑战性的条件，泥浆需要通过加入较大的颗粒来增加厚度。目前，这一发现为建筑业开启了一扇新的大门，证明了只要地面条件合适，用于挖掘隧道的土地本身就可以用来帮助建造隧道。
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