復合廢棄泥漿土在道路填料中的應用研究

李富有

（浙江華恒交通建設監理有限公司，浙江 紹興 312000）

0 引言

當前，隨著城市化建設進程的不斷加快，城市高架橋、軌道交通和重點交通路網全面推進，產生了大量的建筑廢棄泥漿，無論是大量財力投入對泥漿進行集中運輸、固化處置，還是固化產物占用的大量土地資源，已成為各級地方政府新的難題。對建筑廢棄泥漿的資源化利用已成為現階段國家、省（市）的一項重要工作，當前雖在一定領域進行了利用嘗試，但存在利用數量少、利用效率低等問題，與日益增長的廢棄泥漿數量不成正比。

國內外學者相繼開展了類似的研究，如丁慧等［1］研究了粉煤灰、工業礦粉固化疏浚淤泥作為路基材料的可行性；曹玉鵬等［2］研究利用水泥、生石灰、高分子添加劑復合高含水率疏浚淤泥；丁飛鵬［3］探討了利用水泥、粉煤灰和 ALLU 強力攪拌固化設備對鉆孔灌注樁泥漿進行就地固化并利用于路基填筑的可行性；Huang 等［4］研究了重塑及原狀疏浚淤泥固化后的應力-應變行為和強度、壓縮特性；張鐵軍等［5］利用生石灰對高含水率疏浚淤泥進行拌和處置，得到土含水率變化規律的研究。本文就工程建設過程中產生的大量建筑廢棄泥漿通過機制砂石粉、石灰復合應用于道路填料的研究，為建筑廢棄泥漿的資源化利用提供借鑒。

1 建筑廢棄泥漿處置的主要方式與原理

當前建筑泥漿處理主要采用 3 種方式：一種是設置在施工現場的泥漿離心分離脫水裝置；一種是泥漿的就地固化強力攪拌工藝；一種是泥漿集中處置的泥漿脫水固結一體化處理技術。

1.1 泥漿離心分離脫水裝置

該脫水裝置一般由轉筒、螺旋推料器和差速器組成，利用離心力作用使泥漿中的顆粒、密度較大的沉渣與密度較小的液體分離，達到脫水的效果。對泥漿濃度較低或固相、液相比重差別不大時脫水效果較差，需添加高分子絮凝劑等外加劑；同時采用該方式脫水的泥漿顆粒不均勻，路用性能一般，脫水廢液不能直接排放，設備噪音大，環保性較差。

1.2 就地固化強力攪拌法工藝

泥漿經沉淀后，利用強力攪拌頭、挖掘機、固化劑自動供料系統組成的就地固化成套系統實現固化劑與土體的均勻攪拌，使泥漿就地固化，采用該方式處置的泥漿成本較高，目前僅用于道路范圍內的河塘、既有泥漿池等的處置，對建筑泥漿處置的大面積應用尚不具備條件。

1.3 泥漿脫水固結一體化集中處置工藝

泥漿采用專業泥漿運輸車外運至固化處置工廠，通過沉淀池將較大顆粒粒徑的石塊、垃圾、漂浮物通過格柵機攔截，在調節池內加入 HEC 固化劑與 FSA 泥沙聚沉劑，采用機械拌和曝氣方式使泥漿調質均勻，再利用彈性板框壓濾機進行深度脫水，尾水排放市政管網。該方式目前普遍采用，具有處置高效、環保無害的優點。

綜合上述 3 種方式和資源化利用現狀，本文主要針對采用泥漿脫水固結一體化集中工藝處置后的廢棄泥漿土展開研究。

2 建筑廢棄泥漿土理化性能檢測

2.1 建筑廢棄泥漿土顆粒分析

廢棄泥漿土通過篩分法得到顆粒曲線，如圖 1 所示。并利用 Mastersizer2000 型激光粒度儀對粒徑＜0.075 mm 顆粒進行粒度分析，得到顆粒分布結果如圖 2 所示。

圖1 廢棄泥漿土篩分析結果

圖2 廢棄泥漿土＜0.075 mm 顆粒分布曲線

從圖 1 和圖 2 可以發現廢棄泥漿土粒度較細，顆粒級配與天然黏土類似。

2.2 廢棄泥漿土元素組成與含量檢測

利用 X 射線熒光光譜分析（XRF）對廢棄泥漿土的化學成分進行分析，其結果如表 1 所示。

表1 XRF 檢測結果

從以上分析可知，廢棄泥漿土的主要成分為：SiO2、Al2O3、CaO 和 Fe2O3。

2.3 建筑廢棄泥漿土基本物理性能檢測

對廢棄泥漿土的界限含水量、有機質含量、易溶鹽含量等基本物理性能進行測試。其測試結果如表 2 所示。

表2 廢棄泥漿土基本物理性能

廢棄泥漿土液限、塑性指數與易溶鹽含量等指標滿足規范［6，7］要求。

3 建筑廢棄泥漿土力學性能研究

3.1 建筑廢棄泥漿土標準擊實

廢棄泥漿土經標準擊實試驗，測定最佳含水率為 14.6 %，最大干密度為 1.84 g/cm3（見圖 3），含水率與干密度關系曲線如圖 3 所示。

圖3 含水率與干密度關系曲線

3.2 廢棄泥漿土 CBR 檢測

在最佳含水量狀態下，分別進行壓實度為 100 %、98 % 和 93 % 的 CBR 試驗，得到試驗結果如表 3 所示。

表3 CBR 值測試結果

根據土質路基上路床壓實標準不低于 96 % 的要求，未經處置的廢棄泥漿土 CBR 值不滿足要求，需進行改良處理。

3.3 廢棄泥漿土水穩定性檢測

根據樂金朝［8］等對鋼渣穩定土水穩定性研究的試驗方法對廢棄泥漿土進行干濕循環試驗，以干濕循環后的無側限抗壓強度表征其水穩定性能，得到其 0 次、1 次和 2 次干濕循環試驗數據如表 4 所示。

表4 干濕循環后的無側限抗壓強度

從表 4 可以看出，1 次干濕循環后，廢棄泥漿土強度降低 0.05 MPa，2 次干濕循環后試樣開始崩解，其強度為 0，說明廢棄泥漿土的水穩定性較低。

4 廢棄泥漿復合土設計與路用性能研究

廢棄泥漿土 CBR 值不滿足規范［9］要求的填料最小承載比要求，同時廢棄泥漿土在 2 次干濕循環后試樣開始崩解，其強度為 0。鑒于上述情況，需添加固化材料形成復合土應用于道路填筑。本研究通過單一添加石灰復合和綜合添加機制砂生產過程中產生的石粉和石灰復合形成復合土。

4.1 石灰與機制砂石粉性能

對石灰進行有效鈣鎂含量檢測，其檢測結果為 86.7，試驗所用的石灰為一級石灰。同時對機制砂石粉進行界限含水量和顆粒分析試驗，其試驗結果如表 5 所示。

表5 機制砂石粉基本物理指標

4.2 石灰復合廢棄泥漿土的 CBR 值

石灰添加按測定廢棄泥漿土干土質量的 5 %、6 %、7 %、8 %、9 %、10 % 進行室內檢測，得到不同石灰摻量時的最優含水量和最大干密度的試驗結果，如圖 4 所示。

圖4 不同石灰摻量時石灰改性廢棄泥漿土的最大干密度和最優含水量

在最優含水量的條件下，按照每層 30 擊的試驗方法，進行 CBR 試驗，得到石灰改性廢棄泥漿土的 CBR 試驗結果如圖 5 所示。

圖5 石灰改性泥漿土的 CBR 測試結果

從圖 4 和圖 5 可以看出，采用石灰改性廢棄泥漿土時，當石灰劑量達到 7 % 時復合土 CBR 值達到峰值 11，最大干密度為 1.72 g/cm3，最佳含水率 17.4 %。

4.3 機制砂石粉、石灰復合廢棄泥漿土

石灰作為復合土重要的復合材料，其資源日益緊張，采購成本增加明顯。同時隨著基礎設施建設的大力推進，傳統建筑材料已日益緊缺，天然河沙已很難獲取，機制砂已成為當前行業發展的新形勢。而作為機制砂產物的石粉目前利用附加值低、利用率不高；如能利用機制砂石粉代替部分石灰，經濟效率明顯。

本研究按廢棄泥漿土干土質量的 4 %、5 %、6 %、7 % 的石灰+1 %、2 %、3 %、4 %、5 % 機制砂石粉（以下簡稱“復合廢棄泥漿土”）進行室內檢測。首先進行擊實試驗得到復合改性廢棄泥漿土最優含水量和最大干密度分別如圖 6、圖 7 所示。

圖6 復合廢棄泥漿土的最優含水量

圖7 復合廢棄泥漿土的最大干密度

從圖 6 可以看出，復合廢棄泥漿土的最優含水量為 16 %～18 %，并且隨著機制砂石粉和石灰含量的增加，復合廢棄泥漿土的最優含水量逐漸變大。從圖 7 可以看出，復合廢棄泥漿土的最大干密度的范圍為 1.7～1.76 g/cm3，并且隨著機制砂石粉和石灰含量的增加，復合廢棄泥漿土的最大干密度逐漸減小。

在此基礎上進行復合廢棄泥漿土的 CBR 試驗，在最優含水量的條件下，按照每層 30 擊的試驗方法，進行 CBR 試驗，試驗結果如圖 8 所示。

圖8 復合廢棄泥漿土的 CBR 試驗結果

根據圖 8 檢測結果，摻加石灰和機制砂石粉的復合土，當摻加 5 % 石灰+2 % 機制砂石粉時復合土 CBR 值達到峰值 11.2，其最大干密度 1.74 g/cm3，最佳含水率 17.1 %。結合圖 5 可知，摻加 5 % 石灰+2 % 機制砂石粉復合土與單一摻加 7 % 石灰復合土 CBR 值基本一致，最大干密度有所增加，路用性能滿足規范要求，因此，采用機制砂石粉代替部分石灰具有可行性。

4.4 廢棄泥漿復合土水穩定性

在地下水位較高的杭嘉湖平原，路基材料受地下水中的潛水及毛細水的影響最為顯著，因此有必要對復合廢棄泥漿土的水穩定性進行研究。本研究中通過測定不同摻量和不同摻配條件下的復合土無側限抗壓強度來表征復合廢棄泥漿土的水穩定性能，試樣的含水率為最佳含水率，水穩定性試驗結果如表 6 所示。

由表 6 可知，隨著石灰摻量的增加，7 d 無側限抗壓強度和水穩系數均表現出增大趨勢，說明復合廢棄泥漿土水穩定性隨石灰摻量表現出不同程度的提高；但 7 % 與 9 % 摻灰量的改良效果基本一致，而且過多地摻加石灰對于廢棄泥漿土的水穩定性效果呈下降趨勢。石灰、機制砂石粉復合土 7 d 無側限強度和水穩定性要優于單一石灰復合土，以 5 % 石灰+1%～5 % 機制砂石粉復合為例，3 %～5 % 的機制砂石粉摻量對復合土無側限強度增大無明顯趨勢，且水穩定系數基本趨于穩定。

表6 復合廢棄泥漿土水穩定性試驗結果

依照規范［10］中穩定土水穩系數比應滿足γ≥105 % 的要求，因廢棄泥漿土在 2 次干濕循環后試樣開始崩解，其強度為 0，故在廢棄泥漿土中添加少量石灰均能滿足水穩系數比的要求。石灰摻量從 1 %～5 % 時，石灰改性廢棄泥漿土的水穩系數比均大于 105 %。而當石灰含量從 5 %～9 % 時，其水穩系數比開始降低，因此，當單一石灰劑量超過 5 % 時的泥漿復合土滿足規范要求的水穩系數比。

5 廢棄泥漿復合土拌合、攤鋪、碾壓工藝

5.1 廢棄泥漿復合土的拌合

通過試驗段驗證復合土在道路填料中的應用，針對石灰、機制砂石粉以及廢棄泥漿土可能造成的環境污染情況，采用集中廠拌工藝進行復合土的加工生產。

石灰采用生石灰粉和熟石灰粉，比例分別為摻加用量的 40 % 和 60 %。將生石灰粉與機制砂石粉拌合均勻，將廢棄泥漿土與生石灰粉、機制砂石粉通過雙螺旋反向就地攪拌設施進行拌和，形成復合泥漿土，并在廠拌工廠內悶料，時間一般為 3～5 d，使復合泥漿土含水率降低至 20 %～23 %。復合泥漿土利用改進后的穩定粒料拌合機與熟石灰粉強制拌合，拌合遍數不少于 2 遍，形成機制砂石粉、石灰復合廢棄泥漿土，控制復合土含水率在 18 %～20 %。

5.2 廢棄泥漿復合土攤鋪、碾壓

由運輸車輛將復合土運輸至道路填筑現場，由路面攤鋪機進行鋪筑，松鋪厚度控制在 25 cm 左右；采用壓實機具碾壓密實，機械組合為先振動壓路機碾壓 2 遍，再羊足碾碾壓 3 遍，最后雙鋼輪壓路機碾壓 1 遍完成。

5.3 試驗段檢測

為驗證復合土的實際應用效果，依據規范選擇某一級公路上路床進行普通石灰土與廢棄泥漿復合土的檢測結果對比。

5.3.1 現場壓實度檢測

對施工完成后的復合廢棄泥漿土和普通石灰土路基進行壓實度檢測，其檢測結果如表 7 所示。

表7 現場壓實度檢測結果

根據壓實度檢測結果，均滿足高速、一級以及城市主干道標準的路基壓實度驗收要求，且泥漿復合土與普通石灰土填料路基壓實度無明顯差異。

5.3.2 路基彎沉檢測

采用貝克曼梁法對成型復合廢棄泥漿土與普通石灰土路基進行彎沉檢測，相關結果如表 8 所示。

表8 路基彎沉檢測結果

根據彎沉檢測結果，滿足高速、一級公路及城市主干道的設計標準要求，同時復合土采用廠拌工藝，均勻性較普通石灰土路拌工藝好，彎沉標準差較小，較常規的土石混合料路基優勢更明顯。

6 結論

通過對建筑廢棄泥漿的化學成分、物理、力學性能及其用于道路填料的復合土摻配設計和施工工藝 4 方面的研究，可得到如下結論：

1）根據理化性能研究發現，建筑廢棄泥漿具有和普通粘性土相似的化學組成，其主要成分為 SiO2、Al2O3、CaO 和 Fe2O3，由此將建筑廢棄泥漿代替普通黏性土用于道路填料具有可行性。

2）根據力學性能研究得到建筑泥漿的最大干密度和最佳含水量分別為 1.84 g/cm3和 14.6 %。未經復合處置的建筑泥漿其 CBR 值較低，水穩定性差，不能滿足路用要求，需采用無機結合料對其進行穩定。

3）單一摻加石灰的復合土，當石灰劑量達到 7 % 時，復合土 CBR 值達到峰值 11，最大干密度為 1.72 g/cm3，最佳含水率 17.4 %；摻加石灰和機制砂石粉的復合土，當摻加 5 % 石灰+2 % 機制砂石粉時，復合土 CBR 值達到峰值 11.2，最大干密度 1.74 g/cm3，最佳含水率 17.1 %。根據檢測結果，機制砂石粉可代替部分石灰，且路用性能未降低。同時根據 7 d 無側限抗壓強度測定結果，采用石灰、機制砂石粉復合土其強度值較單一摻加石灰復合土有明顯提升，水穩定性更好，其中石灰劑量為 5 % 時復合土具有較好的水穩定性，且水穩系數比γ≥105 %，滿足填料的路用性能要求。

4）通過開展廠拌合現場攤鋪工藝研究，其中悶料與廠拌環節是工藝控制的關鍵，采用路面攤鋪機能進一步提高工作效率和鋪筑質量，各項現場指標均達到道路填筑驗收的要求。

從以上研究結論可以看出，通過石灰、機制砂石粉改良的建筑廢棄泥漿應用于各等級道路填料能夠達到驗收要求，可以推廣應用。Q