加工廢料再生工藝及在軟弱路基增強中的應用

鮑大順

（中鐵十一局集團第一工程有限公司，湖北襄陽）

軟弱路基特點是地基承載力低、荷載下變形較大，從而給公路建設帶來許多問題，直接影響到路面的平整度、光滑度和路面結構的穩定性[1]，從而對于路面車輛的安全性、經濟性以及舒適性造成影響。增強軟弱路基的方法很多，水泥和石灰等傳統穩定劑是目前的有效手段之一，但這些水泥和石灰等穩定劑的成本昂貴，用量眾多，且不能實現資源再生，因此亟需開發成本更低的軟弱路基穩定劑[2]。加工廢料具有保有量巨大、穩定性高以及加工成本低等優點，本文以沙廈高速為例，研究了加工廢料在增強軟弱路基工程中實際應用的效果。

1 加工廢料的組成及特點

能夠應用于增強軟弱路基處理的加工廢料有磚塵、粉狀高爐礦渣、微硅粉、稻殼灰以及粉煤灰等，其主要成分如表1 所示。

表1 加工廢料的主要成分

磚塵廢料主要來源于磚及磚結構的切割和拆除產生的廢料。粒狀高爐礦渣是生鐵制造過程中的副產品。在生鐵的生產過程中，熔融的高爐礦渣通過快速水淬冷卻形成粘稠狀態，從而形成了高活性無定形態的高爐礦渣。硅粉是電爐生產金屬硅或硅鐵的副產品，其活性和火山灰特性高度類似。稻殼灰是稻殼燃燒后的產物，主要成分為二氧化硅、氧化鈣和礦物質。粉煤灰是由煤燃燒后形成的細粉末，也可用于軟弱路基的增強。

2 加工廢料的再生工藝設計

2.1 加工廢料的再生工藝流程設計

材料學者 Davidovits 用“ 地質聚合物”（geopolymer）對這些水泥替代品的機理進行解釋[3-4]。粉煤灰能夠通過硅鋁酸鹽氧化物（Si2O5、Al2O3）與堿性聚硅酸鹽發生化學反應，進而產生聚合Si-O-Al 鍵的“地質聚合物”，進而提高路基材料的密度和承載能力，要使加工廢料獲得水泥和石灰類似的性能，必須對其進行機械加工，使其具有特定的粒級結構。加工廢料再生工藝流程如圖1 所示。

圖1 加工廢料再生工藝流程

如圖1 所示，該工藝選用了分選、破碎、磁選、震動篩分以及球磨等工序。加工廢料的原料棄置時間較長，塵土含量太多，分選和給料的過程中會產生較大的揚塵，因此需要在分選和給料的過程中采用水霧除塵系統抑制揚塵。鋼渣中含有大量的鐵，因此在反擊式破碎工藝后，需要采用磁選除去廢料中的鐵物質[4]。經過磁選、風選后的加工廢料進入震動篩，震動篩根據篩網尺寸對加工廢料按粒度大小進行分級，細料進入球磨機，較粗的加工廢料當做建筑骨料，而較大的加工廢料則送入破碎設備繼續破碎[5]。

2.2 加工廢料的再生工藝參數設計

球磨加工的時間越長，加工廢料的顆粒會變細，比表面積會大大增加，水化反應的速度越充分，水化后的強度也會大大提高，不同粉磨加工下對加工廢料的比表面積如表2 所示。

表2 不同粉磨時間加工廢料的比表面積

如表2 所示，球磨時間在45 min 后，隨著球磨時間的增加，加工廢料的細度變化很有限，因此，球磨加工的時間設定為45 min，此時球磨對廢料的加工效率最高。

2.3 加工廢料的配方設計

為了確保加工廢料替代水泥作為增強軟弱路基材料的應用效果，本研究邀請多位專家在實驗室環境下對加工廢料的配方進行實驗和論證。考慮到施工的實際情況，專家推薦對加工廢料的配比進行調整，增加強度方面的富裕系數，最終確定將磚塵、粉狀高爐礦渣、微硅粉、稻殼灰以及粉煤灰的配比調整為：粉狀高爐礦渣35%，微硅粉24%，稻殼灰8%，磚塵11%，粉煤灰22%，此配方下的加工廢料質量檢測結果如表3所示，活性指數如表4 所示。限于文章篇幅，加工廢料粉體設計配比的室內實驗和測試過程不再展開論述。

表3 復合加工廢料的質量檢測結果

表4 加工廢料的活性指數

如表4 所示，隨著齡期的增加，加工廢料的活性指數呈現明顯上升趨勢，7 d 齡期的活性指數能夠達到103%，28 d 齡期的活性指數能夠達到107%，這是因為加工后廢料不僅比表面積較大，水化程度較高，廢料中的不同物質可以產生協同效應充分生成了“地質聚合物”。

3 加工廢料在軟弱路基增強中的應用

3.1 路段概況

沙縣- 廈門高速公路（簡稱沙廈高速，下同），為中國福建三明市沙縣區與廈門主城區的快速通道。工程所在地福建降水充沛，沿線稻田、溝塘密布，地表水發育，呈現典型的軟弱地質特征。另外，工程沿線有多處多年淤積形成軟土區，這些軟土區的承載力低、易壓縮，接近淺處地表水，因而必須對路基實施增強處理。工程設計部門先后對該路段的軟弱路基提出了拋石擠淤、砂樁擠密、砂石墊層以及加工廢料換填等方案，經過技術、經濟以及工程進度等多方面的綜合比對和論證，決定在部分路段實驗性采用加工廢料墊層的軟弱路基增強方案。

3.2 施工工藝

根據施工地域的實際情況，該路段軟弱路基的處理方案是：先將路基上部的兩層軟土挖除，必要時配合工程技術降低工程區域的地下水位，施工時，每層平鋪50 cm 厚的加工廢料，采取“夯實- 震動碾壓- 夯實”的聯合施工工藝，其中夯錘重3 t，落距設定為8 m。施工時先用重錘夯一遍，再震動碾壓4～5 遍，碾壓完畢后再用重錘夯一遍，施工完畢后立刻檢測施工層的質量，合格后方可繼續上一層加工廢料的施工。每層施工完畢后，工程質檢員都要對施工層的質量進行嚴格檢查，確保加工廢料的每層施工都能達到設計的要求。

3.3 質量檢測

3.3.1 施工干密度檢測

加工廢料在每層的施工完畢后，需要采用灌水法檢測施工層的干密度，干密度的檢測結果如表5 所示。由表5 可知，每個施工層的干密度均在2.32～2.67 g/cm3之間，壓實系數接近于1，均達到設計參數的要求。

表5 干密度檢測結果

3.3.2 動力觸探試驗檢測

為檢測復合加工廢料增強軟弱路基的施工質量，全部墊層施工完畢后，需要對施工層進行動力觸探檢測，記錄每貫入10 cm 的實際錘擊次數。檢測結果表明，所有測點每10 cm 的平均錘擊數均大于40 次，其中最小為32 次，最高為56 次，充分說明采用復合加工廢料墊層的強度和密實度均較高，能夠滿足增強軟弱路基的設計要求。

3.3.3 墊層彎沉值檢測

彎沉值反映的是路基的綜合承載能力，彎沉值越小表明路基的承載力越大，軟弱路基增強的效果越顯著。采用加工廢料置換軟弱路基中的軟土后，采用貝克曼梁法進行路基彎沉值檢測，測得施工后路基的實際彎沉值變化范圍為1.32～2.14 mm，平均彎沉值為1.76 mm，小于軟弱路基增強的設計最大彎沉值2.5 mm，充分顯示了復合加工廢料在增強軟弱路基方面的良好效果。

4 結論

軟弱路基是制約公路工期和質量的關鍵性因素。選擇有效的路基增強措施不僅可以提高公路建設的工程效率，降低工程成本，還能夠大幅度提高路基的工程質量。本文對加工廢料的特點和增強機理進行了分析，對廢料再加工的工藝進行了設計。最后，本文以沙廈高速為例，研究了加工廢料在增強軟弱路基中的實際應用，質量檢測結果表明，采用加工廢料施工時，每個施工層的干密度在2.32～2.67 g/cm3之間，施工層的壓實系數接近于1，所有測點每10 cm 的平均錘擊數均大于40 次，實際彎沉值平均變化1.76 mm，小于軟弱路基增強的設計容許彎沉值2.5 mm，充分證明了加工廢料在增強軟弱路基方面的良好效果。將加工廢料應用于軟弱路基增強工程，可以實現工農業廢料的循環利用，從而帶來可觀的環境收益和經濟效益。