HCL無機復合固化建筑棄土試驗與分析*

章 煒，王泓偉，陳新江，黃志義

1.浙江大學工程師學院，浙江 杭州 310015

2.湖州南潯賽誠工程材料有限公司，浙江 湖州 313009

3.浙江大學交通工程研究所，浙江 杭州 310058

隨著我國生態文明體制改革進程的加快，為推進綠色發展，建設美麗中國，傳統粗放模式的礦石行業迎來了轉型升級，交通基礎設施的高速建設使得對宕渣、碎石等公路工程領域常見路基填料的需求增多，供求矛盾日益突出，同時城市迅速發展尤其是城市建筑和地鐵建設帶來的建筑棄土體量巨大，合理處置建筑棄土已成為城市亟須解決的突出問題。利用棄土固化既能一定程度上解決城市建筑棄土處置問題，又能減緩公路工程筑路材料短缺的供求矛盾，具有良好的社會經濟效益和推廣價值，有利于推進公路行業綠色發展。

固化劑是新型環保節能工程材料，作用是固化各類土體，一般將其分為無機類固化劑、有機類固化劑、生物酶類固化劑和離子類固化劑四大類。其中，無機類固化劑因具有較好的適應性和長期穩定性而被廣泛應用[1]。復合型固化劑通常為上述某幾類固化材料的合理配比組合，目的是增強固化劑對不同類型土的適用性，是近年來固化劑研發的方向之一[2]。文章介紹了一種新型HCL無機復合固化劑，并在實踐中將其用以固化建筑棄土，經室內試驗與力學特性研究，已成功用于道路路基填筑，將建筑棄土變廢為寶。

1 試驗原材料

1.1 HCL無機復合固化劑

HCL無機復合固化劑為固體粉狀成品干粉，主要成分以水泥為主，并根據不同的建筑棄土的物理化學及力學特點進行針對性的組合配置。因此，HCL無機復合固化劑能夠適應各類建筑棄土、疏浚淤泥、軟土地基等固化技術要求，滿足道路與水利項目的路基填筑、大壩加固等工程需求。

1.2 試驗用土

試驗土樣取自某工程項目建筑棄土，經烘干、破碎、過篩后進行試驗，土樣如圖1所示。

圖1 試驗土樣

2 室內試驗

試驗場所為浙江大學土木水利交通工程實驗中心道路實驗室，所有試驗均按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）和《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）相關規定進行操作。

2.1 建筑棄土含水率測定試驗

在取回的建筑棄土中，選取3個不同部位進行含水率測定，按烘干法進行，經整理計算后，最終測得建筑棄土的平均含水率為24%。

2.2 建筑棄土液塑限測定試驗

對建筑棄土進行液塑限測定，試驗結果如表1所示。建筑棄土液塑限曲線如圖2所示，試驗得到的3組數據各取對數后，坐標圖上對應的3個數據點近似在同一條直線上，故曲線采用線性擬合。最終得到該建筑棄土的液限wL為29，塑限wP為13，塑性指數IP為16。

圖2 建筑棄土液塑限曲線圖

表1 建筑棄土液塑限測定試驗數據

2.3 最佳含水率及最大干密度測定試驗

通過擊實試驗測定建筑棄土及不同固化劑摻量下固化土的最佳含水率及最大干密度。試驗包括建筑棄土（0%固化劑摻量）、固化土A（3%固化劑摻量）、固化土B（5%固化劑摻量）、固化土C（7%固化劑摻量）和固化土D（9%固化劑摻量）共5種土的擊實試驗，每種土分別做5個不同含水率的擊實試件。

文章采用輕型擊實試驗方法進行擊實試驗，擊實筒為內徑100mm、高127mm的小筒。在計算分析的過程中，混合料的密度計算保留小數點后3位有效數字，含水率的計算保留小數點后1位有效數字；繪制含水量-干密度曲線時，試驗各點采用4次多項式函數擬合曲線，曲線最大值點對應的含水量為最佳含水率，對應的干密度為最大干密度。試驗結果如表2所示。根據試驗得到的不同固化劑摻量下的最佳含水率及最大干密度，分析并繪制變化趨勢圖，如圖3所示。

表2 不同固化劑摻量固化土最佳含水率及最大干密度數據

圖3 不同固化劑摻量下最佳含水率、最大干密度變化趨勢

2.4 加州承載比（CBR）試驗

利用前期測得的最佳含水率及最大干密度，對建筑棄土及不同固化劑摻量下的固化土進行CBR試驗[3]，試驗主要內容為試件成型、膨脹量測定試驗和貫入試驗。試驗對象為建筑棄土（0%固化劑摻量）、固化土A（3%固化劑摻量）、固化土B（5%固化劑摻量）、固化土C（7%固化劑摻量）和固化土D（9%固化劑摻量）共5種土，對同一種土，按規程要求做5個平行試件。試驗結果如表3所示。不同固化劑摻量下膨脹量、CBR值變化趨勢如圖4所示。

表3 不同固化劑摻量固化土CBR試驗數據匯總表 單位：%

圖4 不同固化劑摻量下膨脹量、CBR值變化趨勢

2.5 無側限抗壓強度試驗及劈裂試驗

通過萬能試驗機進行無側限抗壓強度試驗及劈裂試驗，試驗包括固化土A（3%固化劑摻量）、固化土B（5%固化劑摻量）、固化土C（7%固化劑摻量）和固化土D（9%固化劑摻量）共4種土，最佳含水率和最大干密度的數值利用前期已測得的數據，對試驗數據進行整理分析，最終得到的結果如表4、圖5所示[4]。

表4 無側限抗壓強度試驗及劈裂試驗結果 單位：MPa

圖5 不同固化劑摻量下無側限抗壓強度、劈裂強度變化趨勢

2.6 結果分析

經過對此次試驗數據的整理分析可得，建筑棄土天然含水率為24%，液限wL為29%，塑限wP為13%，塑性指數IP為16，屬于粉質黏土。建筑棄土和各摻量固化土室內試驗匯總結果如表5所示，由于部分建筑棄土試件在養護完成浸水1d后崩解，因此取消了建筑棄土的無側限抗壓強度試驗和劈裂試驗。試驗過程中摻入固化劑后的部分固化土試件如圖6所示。

圖6 HCL固化土試件

表5 室內試驗結果匯總表

3 力學模擬分析

為模擬HCL固化土路基在車輛荷載作用下的力學響應，利用Abaqus 2019非線性有限元軟件建立模型，模型為雙向雙車道二級公路，路面寬度為6m，路基邊坡為1∶1。不考慮路肩、排水溝、中央分隔帶、預埋管道及各交通安全設施，以原地面作為路基的路堤部分，橫斷面示意圖及荷載具體加載位置如圖7所示。

圖7 模型橫斷面示意圖（單位：mm）

計算模型參考標準軸載BZZ-100中的相關計算參數，將單軸雙圓均布垂直荷載簡化為單軸單圓均布荷載，當量圓直徑設為300mm，均布荷載A和均布荷載B壓強設為0.7MPa，各結構層彈性模量和泊松比如表6所示。

表6 各結構層力學模型參數

在Abaqus 2019非線性有限元軟件中建模，設定相關材料參數和力學加載參數，結構層⑤基底全約束、左右兩側法相約束。HCL無機復合固化土路基彈性模量根據課題組前期測定的數值設定為217.4MPa，對照組傳統路基彈性模量設定為100MPa，經建模并加載運行，模擬在車輛荷載作用下各有限元的位移和應力，得到截面總位移云圖、截面Mises應力云圖。為更真實地反映對照組之間的差異，方便直觀對比，將對照組的云圖比例尺調整一致，最終模擬結果如圖8、圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，HCL無機復合固化土路基與傳統土路基在路基結構應力方面差別不大，但HCL無機復合固化土路基的位移明顯小于傳統土路基，說明前者路基的結構抗變形能力得到了很大提高。

圖8 荷載作用下截面總位移云圖

圖9 荷載作用下截面Mises應力云圖

4 評價分析

自然界土的種類繁多，用于公路路基的填料需挖取方便、容易壓實、強度高、水穩定性好。建筑棄土成分混雜不齊、組成極不均勻，未經過一定的技術措施處理則難以直接用于道路路基填筑，一般采用無機類固化劑進行穩定固化處理[5]。傳統無機類固化劑有水泥、石灰等，由于有機和生物固化技術固化機理復雜[6]，因此其質量和穩定性有待進一步研究。

4.1 不同類型無機固化劑的技術性能比較

（1）水泥穩定土。水泥穩定土是一種傳統的穩定土，雖然具有較高強度和板體性，但在施工過程中，當水泥用量過大時，容易產生收縮開裂等病害。另外，水泥的水化和硬結作用反應較快，施工時對最大壓實時間要求較為嚴格，從加水拌和到碾壓成型，所涉及的主要工序需在較短的時間內完成。水泥穩定土在鋪筑和養生時，用水需求較大，在取水困難路段或干旱地區，不適合用水泥作為固化劑。因水泥本身的性質，水泥穩定土路段不適宜在雨季施工，若在雨季施工，需投入較高的措施費用。采用水泥直接進行建筑棄土固化，固化穩定性效果不理想、質量難以控制。

（2）石灰穩定土。石灰穩定土也是一種傳統的穩定土。石灰土強度可調節的區間有限，對塑性指數較小的土體，即使使用較大摻量的石灰進行固化，也達不到較高的強度。另外，石灰穩定土的抗拉強度較低，不適宜用作重交通高等級道路的路面基層。石灰穩定土的收縮系數較大，在相同情況下，石灰土的收縮開裂現象較水泥穩定土更為嚴重。其強度發展緩慢，早期強度低，水穩定性和溫度穩定性都較差[7]。將石灰直接用于建筑棄土固化，固化穩定性效果很不理想、質量難以控制。

（3）HCL無機復合固化土。HCL無機復合固化劑在固化土體后，對比單一水泥穩定土和石灰穩定土，其水穩定性、抗裂性能均得到較大的提升；并且通過調節固化劑的組分，可固化粉質土、淤泥質土和尾礦，擴大了工程應用范圍。HCL無機復合固化技術可以滿足絕大多數建筑棄土固化要求，是一種新型的先進固化技術。

4.2 效益分析

（1）社會效益。采用HCL無機復合固化劑進行建筑棄土的固化，以雙向四車道填方路基為例，平均填土高度為1.5m、邊坡坡度為1∶1.25、路基寬度為20m的道路，每修100km道路就可利用建筑棄土330萬m3，不僅可以節省大量礦山開采填料，還可以為大量的城市建筑棄土提供合適的去處，社會效益顯著。

（2）經濟效益。以華東地區東南沿海區域為例，與直接采購宕渣、碎石等傳統路基填料相比，利用HCL新型無機復合固化劑固化棄土，無機復合固化劑摻量計4%～8%，1m3建筑棄土的固化處理綜合成本為90～100元，由于當地近年來宕渣短缺，1m3傳統路基填料綜合成本約為120元。按1km路基填料30000m3計算，采用HCL固化土技術可降低工程成本約75萬元，100km填方路基道路節省造價約7500萬元，經濟效益巨大。

5 結論

（1）隨著HCL固化劑摻量的增加，固化土的最佳含水率、CBR值、無側限抗壓強度、劈裂強度均呈上升趨勢，最大干密度、膨脹量呈下降趨勢。

（2）摻入固化劑后，建筑棄土性質發生改變，黏結性、水穩定性明顯提高，強度大幅度提升。

（3）試驗結果表明，HCL無機復合固化劑可有效固化工程現場建筑棄土。

（4）基于Abaqus非線性有限元軟件分析得到，采用HCL無機復合固化土作為路基結構層時，各結構層有限元的位移和應力都比以傳統路基作為路基結構層時小。

（5）對HCL無機復合固化劑和傳統無機固化劑（水泥、石灰）進行技術性能對比，可知HCL無機復合固化劑在抗裂性和水穩定性方面都有較大提升。

（6）通過對某公路模擬采用HCL無機復合固化劑的效益進行分析可知，采用HCL無機復合固化劑時，每100km填方路基可利用廢土330萬m3，節省造價7500萬元，社會與經濟效益顯著。