廢棄泥漿固化處理施工技術在橋梁樁基工程中的應用

賈 巖,張蘇龍,郭云龍

（1.徐州市公路事業發展中心,江蘇 徐州 221000; 2.江蘇東交智控科技集團股份有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著經濟發展和城市化進程不斷加快，橋梁工程在城市交通中的地位越來越突出。在橋梁建設中，樁基工程作為重要且復雜的環節，施工中需要用到泥漿作為鉆孔液，但在施工后對于廢棄泥漿的處治一直以來都是難以解決的問題[1]。一般的處治方法是將廢棄泥漿運輸到固定的郊外棄土場，使其自然晾干，但容易造成運輸過程中廢棄泥漿撒漏，尤其是泥漿中含有重金屬等物質，一旦泄露會污染周圍環境，同時廢棄泥漿的占地面積大、晾曬時間長，不利于城市道路的建設進程[2]。為此，現階段急需一種便捷、高效的手段對廢棄泥漿進行有效處理。

為推動資源節約型和再生利用型社會發展，國內外學者采用了多種方法對廢棄泥漿進行處治，包括振動篩法、固液分離法、化學絮凝法。現有研究表明，化學絮凝劑對高含水率泥漿的處治效果有限，泥漿振動篩法的處治效率低[3]。因此，該項目依托實際工程，對泥漿固化機理進行分析并形成泥漿固化施工工藝，以期通過調研分析尋找出一種針對廢棄泥漿的環境友好型固化劑，達到減少環境污染、節約資源的目的，為橋梁工程的持續發展提供技術支撐。

1 工程概況

該項目依托徐豐公路快速化改造工程，對龐莊路涉鐵段的高架橋樁基施工進行調研，采集現場鉆孔灌注樁的廢棄泥漿，將泥漿晾曬一段時間，在含水率達到要求后進行固化處治，并將泥漿固化土應用到現場便道的底基層中，接著對攤鋪碾壓后的固化土壓實度進行檢測，以保證現場施工效果滿足技術要求。

2 固化劑調研

根據《土壤固化劑應用技術標準》（CJJ/T 286—2018）中對固化劑的分類，按作用機理將固化劑分為無機固化劑、有機固化劑、離子固化劑和生物酶固化劑4 類，對4 類固化劑的優缺點進行調研，結果見表1[4]。

表1 4 類固化劑優缺點調研分析

由表1 分析可知，不同種類固化劑在適用性和性能上存在顯著差異，其中無機類固化劑的早期強度高，但后期易受到周圍環境影響；離子類固化劑的工藝相對簡單，且強度便于控制，但適用范圍較小；生物酶類固化劑能降低土壤的膨脹系數，但價格昂貴；目前應用較廣泛的是無機類固化劑，包括水泥、石灰等，但考慮摻量會對固化土膨脹和收縮性能產生影響，因此在實際應用中應控制固化劑摻量在合理范圍內。

針對該項目泥漿含水率高、固化量大的特點，選擇無機類固化劑對泥漿進行固化處理。首先對國內外無機類固化劑產品做調研分析，結果見表2。

由表2 分析可知，目前無機類固化劑以水泥、石灰等原材料為主，同時添加其他活性激發劑、化合物來提高固化土的強度和耐久性。上述幾種應用較廣泛的固化劑中，Aught-Set 和TR 型固化劑的適用范圍較小，QJ 型固化劑適用于各種土質，但對于含水率較高的泥漿是否適用有待進一步探索，而HAS 固化劑適用于泥漿、淤泥等土質的處理，且成本較低。因此，該項目優選這種固化劑對廢棄泥漿進行處治。

3 固化機理分析

該項目對比了HAS 固化劑、水泥、石灰對廢棄泥漿的固化機理，使用S4800 型掃描電子顯微鏡對6%摻量、28 d 齡期的固化土進行測試，結果見圖1。

圖1 不同固化劑固化前后的微觀結構

由圖1 分析可知：

（1）對比泥漿的微觀結構，摻加水泥后，表面出現了多個桿狀、球狀和纖維狀的結構物，將土顆粒凝聚在一起。主要因為水泥遇到泥漿中的水分發生了水化反應，生成氫氧化鈣和其他水化產物，附著在土顆粒表面，減小土顆粒間的空隙，提升了強度。

（2）相較于原狀泥漿，摻加石灰后的土顆粒表面也出現了一定數量的桿狀、球狀和纖維狀物質，將土顆粒聚集成團。但與水泥不同的是，石灰土的顆粒團更大，因為石灰加入泥漿后，產生了更多的Ca(OH)2、Ca2+、OH-，吸附交換更多的Na+、K+，形成更大的顆粒團，將顆粒團結合形成共晶體，最后膠結成整體。

（3）對比水泥和石灰固化后的微觀結構，HAS 固化土表面更平整，孔隙率更低、致密性更高，主要是因為HAS 固化劑在泥漿表面產生了許多針棒狀水化物，覆蓋在土顆粒表面和孔隙中，且針棒狀晶體相互嵌鎖搭接，在外力作用下土顆粒不容易產生相對運動，具有穩定的力學性能。

HAS 屬于一種硅鋁基材料，由[SiO4]4-和[AlO4]5-四面體的礦物組成，根據同類同相固結原理，其結構與土壤顆粒相類似，易與土壤中的硅酸鹽礦物進行同類或同相接觸，打開硅鋁基玻璃體的化學鍵，增大接觸面積，提高土體強度和耐久性。當HAS 固化劑進入土壤后，與土壤中的礦物發生了物理化學反應，生成了CO3基和OH 基物質，同時CO3基會與同相或類同相發生置換作用，生成灰硅鈣石和片柱鈣石；此外，OH 基將Si-O、A1-O鍵打斷后，分離活化Si 和Al，進而生成各種水榴石、水化硅酸鈣、沸石等富含結晶水且具有膠凝性能化合物。即通過一系列物理化學反應，將土壤中游離的大量自由水變成結晶水，降低土壤含水率，生成的水化結晶產物導致土壤體積增大，填充了土顆粒間的空隙。由于土壤發生了不可逆轉的凝結固化作用，土壤的水穩定性、強度和耐久性得到較大提升。

4 固化處理施工工藝

該項目通過對鉆孔灌注樁產生的廢棄泥漿進行收集，經晾曬后采用路拌法對泥漿進行固化處治，待悶料一段時間后含水率降低至最佳含水率控制范圍，即可進行分層填筑碾壓，使用的機械設備包括挖掘機、壓路機、平地機、運輸車、灑水車，具體施工流程如圖2 所示。

圖2 泥漿固化土施工工藝流程圖

4.1 施工準備

施工前需要組織相關技術人員依據設計文件要求，對周圍地質環境進行勘探，對泥漿進行取樣并開展相關試驗，包括含水率、液塑限、擊實試驗和CBR 試驗等，并在室內對泥漿開展固化土配合比試驗，確定固化劑最佳摻量、最佳含水率和最大干密度。

對現場填筑的地下環境進行踏勘，了解地下建筑物的位置、結構，避免施工對其造成影響。根據現場實際情況，安排相應的施工機械進場。

4.2 基底清理

現場對開挖的坑槽底部應清理干凈，使用壓路機碾壓密實且無回彈現象。同時對場地進行初步整平，將填筑的區域劃分成塊，打入竹片樁綁上紅布做好標記，用石灰畫出每個區域的邊線，并計算好每個區域需要的固化劑用量。

4.3 投料配比

根據現場實際情況規范填筑要求，采用兩邊向中間的順序填筑固化土。固化劑摻量依據室內試驗的配合比，使用挖掘機將固化劑均勻地灑布在每個區塊內。

4.4 攪拌悶料

現場使用挖掘機將每個區塊內的泥漿和固化劑進行攪拌，至少應翻拌3～5 遍，達到表面顏色均勻，不出現大片的灰條、灰團和花面，也不能出現粗細顆粒窩的現象。現場需要對拌和后的泥漿固化土含水率進行檢測，確保含水率達到室內確定的最佳含水率，如含水率過高還應進行悶料，悶料時間以現場可以手握成團，兩手輕捏即散為宜。

4.5 攤鋪碾壓

固化處理后的泥漿一次攤鋪成型后即可進行碾壓，碾壓遍數依據底基層設計要求和現場試驗段鋪筑效果確定，碾壓原則是先輕后重、先慢后快、先靜后振，同時保證碾壓的輪跡帶重疊。

4.6 檢測

現場碾壓結束后，依據規范要求和現場土質類型選擇合適的方法對壓實度進行檢測，確保其滿足設計要求，如不能達到設計要求，還應進行返工。

4.7 修正找平

攤鋪碾壓結束后，用水準儀和卷尺檢測標高、坡度是否滿足要求，遇到超高或低洼處使用鐵鍬進行鏟平補填、刮平處理，最后再進行補壓密實。

4.8 養護

一般施工結束后需要養護7 d，用塑料防水布進行覆蓋，在此期間需要封閉交通，禁止車輛通行。

5 試驗段檢測

該項目施工結束后，依據《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610—2019）中的質量控制要求，采用挖坑灌沙法對填筑層的壓實度進行檢測，檢測頻率每1 000 m2不少于2 點，每200 m 每壓實層測2 處，在施工段落較短時，每層壓實度的實際樣本數量不應少于6 個，檢測結果如表3 所示。

表3 試驗段壓實度檢測結果

由表可知，試驗段壓實度均大于96%，滿足技術要求，且合格率達到100%。

6 結論

該文依托徐豐快速化改造工程，針對泥漿特點開展固化劑調研，同時采用掃描電鏡對同等摻量的水泥、石灰和HAS 固化劑的微觀機理進行分析。發現HAS 固化土的孔隙率最低，致密性最高，表面出現的大量針棒狀水化物是強度形成的主要原因，最終根據現場應用形成固化施工工藝，經壓實度檢測滿足要求。基于該文的研究成果，未來可以繼續針對固化劑摻量和路用性能展開進一步研究。