鉆孔灌注樁廢棄泥漿及鉆渣制備邊坡砌塊施工技術應用

黃紅峰

（廣西路建工程集團有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

公路橋梁施工中，鉆孔灌注樁施工技術憑借著低成本、高機械化、適應性強等優勢，得到日益廣泛的應用。但是，鉆孔灌注樁的施工過程中會產生大量的廢棄泥漿及鉆渣，會對施工現場及周邊的環境造成一定的影響。目前，施工單位對鉆孔灌注樁的廢棄泥漿及鉆渣通常采用微生物降解有害物質、用作路基填料、加入固化劑固化分離等方式進行處理。上述方法均只是將廢棄泥漿及鉆渣中的有害物質去除，然后進行分離處理［1-4］，未能有效地對其進行二次利用。我國學者針對公路施工期對鉆孔灌注樁廢棄泥漿及鉆渣再利用的研究不夠豐富［5-8］，極少考慮將廢棄泥漿及鉆渣作為施工原材料，重新將這些工程廢棄材料應用于實際施工中。邢樹偉［9］在淡水泥漿無害化處理方面提出加入高價金屬離子使膠體粒子逐漸形成沉淀物質并析出，在析出過程中吸附其他固體物質，一同聚沉，進而將有害物質從廢棄泥漿中全部去除，實現無害化處理。中國鐵道科學研究院在京滬高速鐵路項目中研制出TKY-N01 型泥漿處理設備，該設備僅需使用振動篩，在塑性地層鉆進時，開啟水力旋流除泥器，鉆孔攜帶的泥漿直接進入設備，經去除鉆渣的泥漿后再回到鉆孔繼續使用［10］。

某公路工程位于國家森林公園自然保護區內，并且標段內有3 處二級水源保護地，生態環境脆弱。本文以該項目為研究對象，以其施工過程中產生的廢棄泥漿及鉆渣為原材料，通過試驗獲得其最佳配合比，用于制備混凝土，為現場施工尋求切實有效的再利用技術。本文的研究應用對于保護我國生態安全和建設國家生態安全屏障具有重要意義。

1 基本物理量試驗測定

1.1 X射線衍射試驗方法

物質結構的分析盡管可以采用中子衍射、電子衍射、紅外光譜、穆斯堡爾譜等方法，但X 射線衍射是目前最有效、應用最廣泛的手段，具有無損試樣的優點［11］，其工作原理是當一束單色的X 射線入射待檢測晶體時，由于晶體是由原子規則排列組成的，這些規則排列的原子間的距離與入射X 射線波長有相同的數量級，因此不同原子散射的X 射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X 射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度與晶體結構密切相關。

1.2 試驗過程及結果

首先，將從項目現場取回的廢棄泥漿、砂及鉆渣等樣本進行烘干、研磨，使用0.075 mm 的篩網對研磨后的樣本進行篩分（X射線衍射只能對小粒徑顆粒進行微觀試驗）；其次，對篩分后的直徑小于0.075 mm的樣品通過X射線衍射儀進行X射線衍射試驗，對試驗得到的XDR 圖像進行分析，并確定取回的現場樣本的化學成分及其物質含量。

通過X射線衍射儀分析，得到現場樣本的成分及其比重如下：Na（AlSi3O8）占10.1%，K（Al4Si2O9（OH）3）占16.8%，SiO2占17.2%，Al4（OH）8（SiO10）占7.2%，Ca（CO3）占48%。

1.3 試驗結果分析

根據項目提供的環境影響報告書，研究人員了解到現場鉆進一般采用黏土原土造漿；在較厚的砂層中鉆進時，通常采用膨脹土制備泥漿或在孔中投入黏土造漿。為使泥漿具備較好的工作性能，可以適當摻加碳酸鈉等分散劑，起摻量為加水量的0.5%左右。項目現場泥漿環評報告數據見表1。

表1 項目現場泥漿環評報告數據

根據X 射線衍射試驗結果和結合現場環評報告得出：廢棄泥漿及鉆渣的固體顆粒成分中無有毒成分，也不存在重金屬離子，即不會因重金屬離子導致摻入廢棄泥漿的混凝土構件內部發生重金屬離子腐蝕導致的破壞病害，所以將廢棄泥漿及鉆渣進行無害化利用是可行的。此外，根據項目現場環評報告可以確定，施工產生的廢棄泥漿及鉆渣的物理參數較一般土顆粒差別不大，可以考慮將廢棄泥漿及鉆渣摻入混凝土中，實現對其的無害化利用。

2 廢棄泥漿及鉆渣特性研究分析

2.1 廢棄泥漿及鉆渣混合物密度試驗

將從現場取樣取得的廢棄泥漿，分組稱取1 kg的4 組材料，測定每組材料混合后的體積。將泥漿和鉆渣分別按照4∶6、5∶5、6∶4 和7∶3 的質量比例進行混合。根據密度公式r=m/v得到不同比例的混合物的密度（見表2）。

表2 不同比例混合物的密度

2.2 鉆渣密度試驗

按照《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020）［12］，使用蠟封法測量試樣的密度，蠟封法密度試驗記錄見表3。

表3 蠟封法密度試驗記錄表

對所得結果取均值，可得鉆渣的密度為ρ=2.09 g/cm3。

2.3 泥漿的相對密度試驗

按照《公路橋涵施工規范》（HTG/T F50—2011）［13］的操作規范，從現場泥漿池中選取2 桶泥漿試樣，由于泥漿池中部分泥漿發生沉降，因此對2桶泥漿分別進行密度測試，試驗結果見表4。

表4 泥漿相對密度試驗

表4 中的1～3 組試樣取自第1 桶泥漿，4～6 組試樣取自第2 桶泥漿，求出二者平均值，得到泥漿密度為ρ=1.30 g/cm3。

考慮廢棄泥漿及鉆渣的含水率較高，可以作為混凝土制備中所需水的一部分。在制備混凝土時，細骨料的密度一般為2.7 g/cm3，上述結果都遠低于該密度，因此考慮將廢棄泥漿及鉆渣的混合物作為一部分細骨料和水，參與混凝土拌制。

3 廢棄泥漿及鉆渣研發護坡砌塊的技術研究

3.1 室內試塊制備及試驗

根據項目要求，邊坡骨架所需砌塊應滿足C25抗壓強度要求，故設置一組空白對照組，對照組按照標準C25 混凝土進行設計，其配比為水泥∶水∶石子∶砂子=1∶0.55∶1.76∶3.3，隨后將廢棄泥漿及鉆渣摻入混凝土中。

（1）將空白組中的砂子全部替換為鉆渣。將空白組中的砂子全部替換為現場取樣的廢棄泥漿及鉆渣，隨后進行混凝土試件的制備。

圖1 為混凝土攪拌過程，從圖1 中可以明顯看出攪拌成品質地黏稠、流動性差，導致和易性不符合要求，故需要對該方案進行修改。

圖1 混凝土攪拌過程

（2）修改方案。按照廢棄泥漿及鉆渣∶砂子=3∶7的比例進行試驗，將廢棄泥漿及鉆渣利用其他混合物代替，并且采用新配合比進行試驗（見表5）。

表5 試驗配合比

采用新配合比的原材料經攪拌后，和易性及坍落度滿足工程要求，因此可制成試件。為進一步研究砂子和鉆渣的比例調和問題，分別按照9∶1、8∶2 及7∶3的配合比例分別進行制件（見表6）。

表6 砂子、鉆渣不同的配合比

3.2 抗壓試驗及試驗結果

對按照不同配比制成的試件進行抗壓性能測試，通過壓碎試件，以其物理性質確定其配合比。標準養護28 d，主要壓碎指標見表7，抗壓強度極限值見表8。

表7 主要壓碎指標（單位：kN）

表8 抗壓強度極限值（單位：MPa）

3.3 試驗結果與現場實際對比分析

根據現場試驗，將邊坡砌塊同批的混凝土試件養護28 d，其強度等級見表9。

表9 現場試驗數據

通過將室內試驗結果與現場結果進行對比分析，得出以下結果：除表8 中試件7∶3 組外，其他各組強度均大于現場試驗結果，說明室內試驗中的各組試件均滿足項目現場施工的要求。通過再次對比室各組試件的試驗數據發現，在砂與廢棄泥漿及鉆渣的混合物比例為8∶2 與9∶1 時，抗壓強度基本滿足C25混凝土抗壓強度。綜合考慮環境、安全、經濟等因素后，最終確定施工砂與泥漿鉆渣混合物的最佳配比為8∶2。

4 結論

本文首先分析廢棄泥漿及鉆渣無害化利用的可行性，測定廢棄泥漿及鉆渣的密度，將測定結果與砂子的密度進行對比，再通過調整細骨料中砂子與廢棄泥漿的比例，配置不同配比的混凝土，并進行抗壓試驗，與現場實際使用的砌塊強度進行對比，得出結論如下。

（1）根據X 射線衍射實驗結果，結合現場環評報告可以反映出現場施工所產生的廢棄泥漿及鉆渣的物理參數較一般土顆粒差別不大，可以考慮將廢棄泥漿及鉆渣摻入混凝土中，實現無害化利用。

（2）可以將廢棄泥漿及鉆渣的混合物按照一定的比例摻入砂子中，代替部分細骨料，該試驗得出如下結論：廢棄泥漿及鉆渣混合物的密度隨著廢棄泥漿比例的增大而降低。將混凝土中所有細骨料用廢棄泥漿及鉆渣混合物替代，發現攪拌后的成品質地黏稠、流動性差，和易性不符合工程要求。

（3）對比室內試驗各組試件的數據發現，砂與泥漿鉆渣混合物的比例為8∶2 與9∶1 時，強度基本滿足C25混凝土抗壓強度。綜合考慮環境、安全、經濟等因素后，最終確定施工砂與泥漿鉆渣混合物的最佳配比為8∶2。

本研究的不足之處在于其樣本量較少，存在偶然性，后續將會對上述試驗過程進行重復試驗加以論證，并將結果進行現場試驗，驗證其實用性。