廢棄砂質粉土在路基工程中的應用

鄧楊楊 錢赟

1. 杭州市城鄉建設設計院股份有限公司 浙江 杭州 310000；

2. 杭州市城東新城建設投資有限公司 浙江 杭州 310000

引言

本文將基于室內實驗研究城東新城范圍內的廢棄砂質粉土經過處理后[1]，作為路床填料的應用方案。研究成果為后續現場實驗打好理論基礎，并縮小現場實驗的實驗范圍，提高研究效率。實驗主體為固化劑B。其他外摻劑輔料為水泥、石灰、粉質黏土。實驗過程將對這幾種材料與原土混合后，經過不同摻量試件的交叉對比，尋找出滿足實驗指標、工程經濟性最佳的配合比，同時進行經濟性分析。

1 實驗材料和方法

1.1 主要實驗材料

1.1.1 原土：選自杭州市城東新城某工地開挖出的砂質粉土。經篩選處理后所得。土質分析如下表所示：

表1 原土土質分析表

1.1.2 固化劑B：某有機土壤固化劑，為液態。這類固化劑加入到土壤中，會產生化學聚合反應而生成大的有機分子鏈，并膠結土壤顆粒。大的有機分子交換到黏土分子的表面后，會產生屏蔽作用，減少土壤中的吸附水，增加固化土的抗滲透性，從而提高土的工程性質[2]。該固化劑在杭州市某道路工程（代號”道路D”）中有所應用。

1.1.3 水泥：普通42.5級硅酸鹽水泥。

1.1.4 石灰：鈣鎂含量為60%～65%的石灰。

1.1.5 粉質黏土：杭州某工地開挖廢棄土經篩選后所得，黏粒含量約為10%～20%。

1.1.6 水：杭州地區的自來水。

1.2 實驗方法

1.2.1 主控指標。根據規范要求，路床的設計主控指標為壓實度、彎沉、回彈模量、填料CBR值。但以上指標在實驗室環境與現場環境中的測量結果差別較大。建議作為后續現場實驗的復核檢驗指標。根據工程經驗，實驗室環境中的7d無無側限抗壓強度與上述指標存在較強的關聯性。因此，室內實驗主控指標采用：“7d無無側限抗壓強度”。用于鎖定最佳配合比范圍。后續現場實驗在室內實驗成果的基礎上再進行探索。

現行固化土各相關規范中對于固化土作為路床填料使用時，7d無無側限抗壓強度要求不明確，經咨詢相關專家意見，參考泡沫混凝土相關規范[3]設計指標，作為路床填筑時，7d無無側限抗壓強度≥1.0Mpa。

1.2.2 實驗流程。

1.2.2.1 固化劑B的最佳配合比實驗。

a.實驗混合料原材料的選擇。固化劑B，使用時需采用水泥及石灰作為輔料。根據固化劑B的產品說明，砂質粉土中加入黏粒對其固化強度的提升大有裨益。故，該實驗混合料中的原料為：固化劑B、粉質黏土、水泥、石灰。b.尋找最佳配合比。采用原材料比例不同的實驗混合料制備試件。按照規范養護后，測定其7d無側限抗壓強度。在指標達標的前提下，選擇造價最省的組合。

1.2.2.2 混合料C的最佳配合比實驗。混合料C的組成為：實驗1中的外摻劑組合，即粉質黏土、水泥、石灰。根據屠晨陽[4]的研究，以上3種材料在一定程度上對砂質粉土的固化強度有提升作用。故本實驗不僅可以作為實驗1的對照組實驗，也可以作為獨立的配合比探索實驗。

2 實驗結果與分析

實驗的初始配合比根據工程經驗設定，暫定為水泥（3%），石灰（3%），固化劑B（0.3L/m3），水泥、石灰的含量以1%的步差遞增。固化劑B的含量以0.1L/m3遞增，各實驗小組配合比則在此基礎上進行調整。混合料C配合比設計同步進行。對實驗組進行篩選，除去體積安定性不良、凝結時間不達標的組別，實驗結果匯總如下：

表2 實驗結果匯總表

2.1 實驗結論

2.1.1 粉質黏土對提高固化土7d無側限抗壓強度具有重要作用。不添加粉質黏土的大部分實驗組都無法達到主控指標的要求。但持續提高粉質黏土含量（超過40%后）對強度提升作用不明顯。雖然建議黏土添加量達到60%，各組主控指標基本都合格。但出于造價方面的考慮，粉質黏土添加量不超過40%。

2.1.2 當水泥含量超過4%后繼續增加水泥含量不僅會提高工程造價，也會提高固化土開裂的風險。

2.1.3 根據上文分析在本實驗條下，固化劑的添加對強度提升的作用性價比不高。

2.1.4 從主控指標對比來看，第15組在主控指標達標的情況下，所消耗的固化劑及輔料最少。因此，第15組，即水泥：石灰：原土：粉質黏土=4∶0∶76.8∶19.2，為最佳配合比組合。為方便敘述，將以上水泥、原土、粉質黏土混合物稱為三合固化土。在本實驗條件下，實驗結果證明在城東新城范圍內路床填筑，使用三合固化土性價比更高。

3 經濟性分析

3.1 塘渣填筑路床的經濟性分析

以下分析單價采用杭州市2021年10月信息價。塘渣的價格為：110元/m3，渣土消納處置的價格為130元/m3。道路暫按填方量＜挖方量計算。三合固化土的價格為：120元/m3。

該區目前常用的路基填料主要為塘渣，塘渣填筑路床的價格為110+130=240元/m3。

3.2 三合固化土填筑路床的經濟性分析

3.2.1 廠拌法施工。廠拌法即在區域內部設置 “渣土銀行”的類似機構，即可存儲區域內部的開挖棄土，再對棄土進行篩選、拌合加工成為三合固化土供區域內部工程使用。

由于渣土銀行距離較傳統的消納場地而言距離較近，渣土消納處置的價格暫按110元/m3計算。故廠拌法三合土填筑路床的實際價格為110+120=230元/m3。

廠拌法施工的三合固化土填筑主要經濟效益體現在渣土銀行。從單個工程的造價角度來講，與塘渣的造價相比優勢不明顯。但渣土銀行從收取渣土到三合固化土加工均可以盈利。對于有條件設置渣土銀行時，采用廠拌法整體經濟效益更強。同時，施工質量也更有保障。

3.2.2 路拌法施工。路拌法施工即在工程場地周邊設置簡易篩選拌合設備，可利用的渣土無須外運，原地加工后即可回填。外購粉質黏土量為20%。則棄土有80%可以利用，20%需要外運。路拌法三合土填筑路床的價格為120+130×0.2=146元/m3。路拌法三合固化土填筑較塘渣填筑而言，從工程本身角度，造價節省較多。但對施工工藝及工序安排要求較高。

4 小結

本文主要切入點為廢棄砂質粉土固化進行路床填筑。選擇固化劑B、混合料C作為實驗對象進行室內土工實驗，尋求滿足設計指標的最佳配合方案。實驗成果可作為下階段現場實驗的理論基礎。通過對實驗結果的分析，主要結論如下：

粉質黏土對提高固化土7d無側限抗壓強度具有重要作用。但持續提高粉質黏土含量對強度提升作用不明顯。建議粉質黏土添加量不超過40%。

在本次實驗條件下，固化劑B對路基填料7d無側限抗壓強度的提升作用不明顯。考慮到造價因素，普通項目使用性價比不高。

根據實驗結果，在考慮7d無側限抗壓強度為主控指標的情況下，性價比最高的最佳配合比設計為水泥：石灰：原土：粉質黏土=4∶0∶76.8∶19.2，即土壤比例為原土：粉質黏土=80∶20，再添加4%的水泥。

由于實驗是在預設壓實度97%的條件下進行，且室內實驗無論從指標還是操作規范來說都較為嚴格，建議下階段現場實驗以本結論為基礎，在水泥和粉質黏土含量都可適當下浮，進一步探索最具性價比的配合比組合。

廠拌法施工三合固化土經濟效益主要體現在渣土銀行帶來的次生效益。從單個工程預算的角度來講，造價優勢不明顯。但廠拌法質量更可靠，總體經濟效益更高。路拌法，從單個工程預算的角度來講，造價優勢明顯，但對施工工藝及工序安排要求較高，質量不易保證。

5 不足與展望

本文進行了7d無側限抗壓強度實驗。彎沉、回彈模量、填料CBR實驗、裂縫觀察等將在后續現場實驗中進行。后續實驗將在本文提出的最佳配合比上進行進一步探索與修正。

固化劑B雖然對于城東新城常規工程的路床來講性價比不高，但根據杭州市道路D的經驗，固化土代替基層使用時，經濟性要由于代替塘渣路床時。尤其是其出色的早強性能在應用于應急搶修工程時優勢明顯。對比常用應急搶修材料經濟性優勢明顯，常用的基層應急修補材料瀝青黑碎石綜合單價為1040元/m3，C30混凝土綜合單價為940元/m3，作為基層使用的新型固化土綜合單價為380元/m3（道路D），水泥穩定碎石（5%）綜合單價為370元/m3。由以上數據可知，在作為應急材料使用時，新型固化土造價優勢明顯。建議后續現場實驗進行進一步研究。

6 結束語

根據經濟性分析，新型固化土成本偏高的一個重要原因為需加入粉質黏土，且該土黏粒含量不高。若能建立足夠大的渣土銀行，可吸收周邊區域黏粒含量更高的優質黏土，則新型固化土的整體成本可進一步降低。在此條件下，可能可衍生出新的建設模式及運營模式，可作為新的研究方向。