建筑棄土無機(jī)復(fù)合固化技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用*

陸惠平，邢 淵，肖景平,江訓(xùn)利,黃志義

（1.華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312000；2.浙江大學(xué)交通工程研究所，浙江 杭州 310058）

1 概述

隨著我國礦山資源保護(hù)力度的增大以及建筑工程的增多，許多地區(qū)傳統(tǒng)筑路材料（宕渣、塘渣等）大量短缺。利用土壤固化技術(shù)將大量建筑棄土進(jìn)行固化，用作道路路基及基層填料，成為解決筑路填料短缺的有效途徑。土壤固化技術(shù)是指在土壤中添加一定量的增強(qiáng)土顆粒黏結(jié)和固化的材料，改善和提高土壤工程技術(shù)性能。至今為止，土壤固化技術(shù)已形成了一門綜合結(jié)構(gòu)力學(xué)、膠體化學(xué)、土壤化學(xué)等理論的綜合性交叉學(xué)科。通常土的固化劑按土壤固化劑材料種類來分，可以分為無機(jī)固化劑、有機(jī)固化劑、離子類固化劑和生物酶類固化劑等。無機(jī)類土壤固化劑主要指采用水泥、石灰、粉煤灰、高爐礦渣、電石渣等無機(jī)結(jié)合料為主固化劑而組成。當(dāng)前我國路基土的無機(jī)固化劑主要采用水泥和石灰以及礦渣等，但由于水泥土存在收縮較大、容易開裂等弱點(diǎn)，土石灰土早期強(qiáng)度相對較低、水穩(wěn)定性較差。文章介紹一種HCL新型的無機(jī)固化材料，克服了傳統(tǒng)無機(jī)固化劑的容易開裂和水穩(wěn)定性差等弱點(diǎn)，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

HCL無機(jī)復(fù)合固化劑是以水泥、石灰等為主要固化組分，通過引入活性激發(fā)組分、抗裂組分、水穩(wěn)定性組分以及土壤修復(fù)組分（可選，針對重金屬污染土），以降低黏土礦物反應(yīng)活化能，增強(qiáng)膠凝材料在各類土體中水化硬化反應(yīng)活性，提高水化硅酸鈣（CSH）和水化鋁酸鈣（CAH）等凝膠相含量。該材料與傳統(tǒng)水泥土、石灰土相比，水穩(wěn)定性和開裂性能具有較為明顯的增強(qiáng)，能較好地適用于南方多雨地區(qū)或地下水位較高的地區(qū)。HCL固化劑還具有適用性廣、對土質(zhì)要求低的特點(diǎn)，能固化淤泥質(zhì)土、粉土、尾礦以及各類建筑棄土等，具有較好的市場推廣前景。

2 材料試驗(yàn)及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自紹興某工地建筑棄土，取土深度為2m以下，為粉土。經(jīng)50℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重，過4.75mm篩后得到試驗(yàn)備用土樣。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）測試其基本的物理指標(biāo)，測試結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)段土樣基本指標(biāo)

固化劑材料為HCL系列中粉土類無機(jī)復(fù)合固化劑，主要為水泥和石灰以及其它外加劑。試驗(yàn)用水泥為“錢潮牌”325號普通硅酸鹽水泥，石灰為杭州拓海新材料有限公司生產(chǎn)的磨細(xì)的熟石灰粉，其化學(xué)具體組成如表2所示，微觀形貌圖如圖1所示。從圖1中可以看出，水泥和石灰主要由不同顆粒大小、形狀不規(guī)則的碎屑狀顆粒組成。

表2 水泥、石灰化學(xué)組成 單位：%

2.2 試驗(yàn)方法

（1）試件制作及養(yǎng)護(hù)。根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行制樣，試樣采用50mm×50mm的圓柱型試模。根據(jù)高速公路、一級公路的壓實(shí)度要求，試驗(yàn)壓實(shí)度選擇95%。制樣完成后，將試樣放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至齡期。

（2）力學(xué)性能試驗(yàn)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007），采用萬能試驗(yàn)機(jī)，控制軸向應(yīng)變速率為1mm/min。養(yǎng)護(hù)至齡期時(shí)，提前1d取出浸水，浸水24h后再進(jìn)行無側(cè)限抗壓。本次試驗(yàn)測定7d和28d齡期固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（劈裂試驗(yàn)）參照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行，試驗(yàn)用的劈裂夾具壓條寬度為6.35mm，半徑為25mm。試件養(yǎng)護(hù)至27d取出并浸水，浸水1d后取出，試驗(yàn)過程保持加載速率為1mm/min。

3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 水泥、石灰微觀形貌圖

為了驗(yàn)證HCL固化劑的有效性并確定最佳固化劑摻量，進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)共測試了3%、5%、7%和9%四種固化劑摻量下的固化土強(qiáng)度。通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，能初步反應(yīng)HCL固化劑在道路路基中應(yīng)用效果。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測得了不同固化劑摻量及不同齡期條件下HCL固化土的強(qiáng)度，如表3、圖2所示。由圖2可看出，隨著HCL固化劑摻量的增加，固化土的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，固化土的強(qiáng)度保持持續(xù)增長。對比7d和28d齡期強(qiáng)度，可看出7d齡期強(qiáng)度能達(dá)到28d的在50%以上，說明HCL固化劑早期強(qiáng)度發(fā)展較快。

3.2 劈裂（間接拉伸）試驗(yàn)結(jié)果分析

為了進(jìn)一步分析固化土的抗開裂性能，對28d齡期的試件進(jìn)行了劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)測得的代表性曲線如圖3所示，其開裂強(qiáng)度大小如表3所示。從圖3可以看出隨著固化劑摻量的增加，固化土的劈裂強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，同時(shí)從圖中試驗(yàn)曲線直線段還可以發(fā)現(xiàn)，隨著固化劑的增加，直線部分的斜率逐漸增大，這間接表明，隨著固化劑量的增加，固化土的劈裂回彈模量不斷增大。

表3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂試驗(yàn)結(jié)果表 單位：MPa

圖2 HCL固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 HCL固化土28d開裂強(qiáng)度試驗(yàn)曲線

4 試驗(yàn)段施工工藝

試驗(yàn)段依托紹興市某區(qū)新建道路工程，用以驗(yàn)證固化廢棄細(xì)粒土路基填料的路用性能，并總結(jié)了固化廢棄細(xì)粒土路基填料的施工工藝流程、施工機(jī)械設(shè)備和施工過程控制要點(diǎn)等。試驗(yàn)段在路床頂以下60cm厚度路基采用HCL固化土，共分3層鋪筑，每層20cm，采用分層連續(xù)施工工藝。

4.1 施工工藝過程

施工順序：挖機(jī)配合自卸車轉(zhuǎn)運(yùn)土—挖機(jī)粗平—鏵犁和旋耕機(jī)翻曬（人工清除土中大的塊石和雜物）—含水率和粒徑檢測（含水率在高于最佳含水率2%～3%時(shí)進(jìn)行固化劑撒布，粒徑不大于4.75mm）—挖機(jī)配合人工進(jìn)行固化劑撒布—旋耕機(jī)配合鏵犁拌和固化土—固化劑均勻度檢測（目測，拌和至土的顏色均勻）—振動壓路機(jī)碾壓—壓實(shí)度檢測（灌砂法，壓實(shí)度不小于95）—膠輪壓路機(jī)消除輪?。▋H最后一層）。

（1）備土和上料。根據(jù)填筑厚度和松鋪系數(shù)，采用挖掘機(jī)配合自卸車，將填料土運(yùn)輸至指定位置并進(jìn)行初平，松鋪厚度為25cm；用挖掘機(jī)進(jìn)行翻曬后進(jìn)行含水率檢測；挖機(jī)配合人工撒布固化劑，保證固化劑灑鋪均勻。

（2）現(xiàn)場拌和。土和固化劑攤鋪結(jié)束后，開始用旋耕機(jī)進(jìn)行拌和。旋耕機(jī)從兩邊向中間依次翻拌，每次拌和重疊翻拌1/3，拌和遍數(shù)3遍以上。拌和時(shí)設(shè)專人跟隨旋耕機(jī)隨時(shí)檢查拌和深度和有無夾層，及時(shí)指揮旋耕機(jī)操作人員調(diào)整拌和深度。拌和深度應(yīng)打入下層5～10mm，以利于下層黏結(jié)。

（3）碾壓和精平。拌合均勻后，立即輕壓整平?？紤]施工季節(jié)環(huán)境較為干燥，當(dāng)固化土含水量在最佳含水量或略高于最佳含水量1～2個(gè)百分點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行碾壓。碾壓時(shí)先碾兩側(cè)，再碾壓中間，輪跡搭接一般不小于20cm。壓路機(jī)的碾壓速度，開始2遍采用1.5～2.0km/h，之后采用2.5～3.5km/h。壓路機(jī)不可在已完成地段調(diào)頭和急剎車。每鋪筑一層測量標(biāo)高并檢測壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求，一層碾壓完成后，繼續(xù)下一層施工，直到頂層施工完成。

（4）養(yǎng)生。固化土路基碾壓成型后濕養(yǎng)不宜少于7d，以土工布或塑料薄膜覆蓋并經(jīng)常灑水保濕養(yǎng)生。固化土路基成型后其未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求之前，除灑水車以外，不得通行其他載貨車輛。

（5）質(zhì)量檢查驗(yàn)收。按照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2017）進(jìn)行路基填料施工質(zhì)量的檢測及驗(yàn)收工作，主要測試指標(biāo)包括壓實(shí)度、彎沉和回彈模量等。本試驗(yàn)段結(jié)果檢測路基頂面回彈彎沉均在30～38（mm1/100），完全達(dá)到路基強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求。

4.2 施工控制要點(diǎn)

施工前需制定完善的施工方案，落實(shí)人員與機(jī)械設(shè)備安排。為保證施工質(zhì)量，需要注意以下幾點(diǎn)：（1）做好路基排水與防水；（2）控制好壓實(shí)時(shí)最佳含水率；（3）控制估計(jì)、固化劑與土的拌合均勻度；（4）進(jìn)行合理和充分碾壓。其他控制要點(diǎn)如保證路基兩側(cè)碾壓施工余寬不小于50cm，確保每批次拌合到成型需控制在3h內(nèi)完成等。路基碾壓成型后，需及時(shí)進(jìn)行充分濕養(yǎng)。

5 結(jié)束語

（1）無機(jī)復(fù)合固化技術(shù)能有效將建筑廢棄土固結(jié)形成具有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性的筑路材料，滿足道路路基填筑要求，不僅能當(dāng)前緩解筑路材料短缺問題，同時(shí)也為大量建筑棄土的資源化處理提供有效途徑。

（2）HCL固化劑是一種無機(jī)復(fù)合固化劑，可固化各類建筑取土和疏浚淤泥，能有效固化粉土用于路基填筑，具有早期強(qiáng)度發(fā)展較快，抗開裂性能較強(qiáng)和水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)南方多雨及地下水位較高地區(qū)的路基環(huán)境。

（3）HCL無機(jī)復(fù)合固化土路基施工的關(guān)鍵點(diǎn)，是要在合理固化劑劑量條件下，嚴(yán)格控制施工含水率和拌料均勻性，控制成本和攤鋪成型時(shí)間，及時(shí)進(jìn)行充分濕養(yǎng)，可以采用分層連續(xù)施工工藝保證施工層間連續(xù)性質(zhì)量。