YRSC凝結(jié)劑在搶險快速路應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

許三松，關(guān)喜才，金新鋒

1.三門峽黃河明珠（集團(tuán)）有限公司，河南 三門峽 472000；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004；3.虞城縣水利局，河南 虞城 476300

1 引言

應(yīng)急搶險工作中，快速道路具有至關(guān)重要的作用。應(yīng)急搶險快速道路需要具備足夠的承載能力，以便在緊急情況下能夠快速通行，同時確保道路能夠承受應(yīng)急車輛的重量和速度。在緊急情況下，時間是關(guān)鍵，應(yīng)急搶險快速路能夠縮短救援隊伍到達(dá)現(xiàn)場的時間，提高應(yīng)急搶險的效率。通過快速道路，救援車輛可以更快地到達(dá)現(xiàn)場，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，掌握搶險快速路修建的關(guān)鍵技術(shù)對于確保人們的生命財產(chǎn)安全具有重要意義。特別地，如防汛道路。防汛道路在水利工程中是一個重要的部分，在工程管理和防汛道路在救災(zāi)過程中起十分重要作用，保證防汛道路的質(zhì)量，對抗洪救災(zāi)工作的順利進(jìn)行有重要意義。因而，道路是國民經(jīng)濟建設(shè)的重要支撐，特殊時期應(yīng)急搶險道路的建設(shè)，更是國計民生的重中之重。

2020 抗疫戰(zhàn)場的火神山、雷神山醫(yī)院工程中的室內(nèi)外地平硬化、室外道路硬化以及其所有工程中的混凝土均需要快速凝結(jié)硬化。一般而言，混凝土28 d達(dá)到其設(shè)計強度，工程中復(fù)合土基層的強度如石灰土1—2 年才能夠完全達(dá)到使用要求。因此，如何能夠保證室內(nèi)外地平快速硬化、室外道路硬化工程快速投入安全運行是當(dāng)下亟待解決的重大問題！為解決此類工程問題，結(jié)合黃河三門峽庫區(qū)疏浚清淤泥沙再利用技術(shù)研究項目，研發(fā)的黃河泥沙凝結(jié)劑Yellow River sediment coagulant，簡稱YRSC，能夠與黃河區(qū)域現(xiàn)場的土沙混合，使其達(dá)到符合搶險快速路的要求。由于其自身物理力學(xué)性能的特點，實現(xiàn)了就地取材，節(jié)約投資，施工方便，工期短。

為進(jìn)一步驗證YRSC的各種力學(xué)性能指標(biāo)，文章通過試驗開展凝結(jié)劑YRSC 和水泥分別凝結(jié)黃河三門峽庫區(qū)淺層粉質(zhì)土沙或庫區(qū)砂土?xí)r的抗壓強度等性能對比研究，為全面推廣YRSC土沙凝結(jié)劑在搶險快速路中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗

2.1 試驗原料

①YRSC凝結(jié)劑：是具有高親土性和與土結(jié)合后具有高耐水性等獨特功能的一種新型土沙凝結(jié)劑，它的顯著特點是不選擇被凝結(jié)對象，在任何地方都可以使用現(xiàn)場的土沙與之混合使其成為工程所需求的材料（結(jié)構(gòu)），工作起來極為方便，其性能指標(biāo)見表1。②水泥：試驗采用新鄉(xiāng)某水泥廠生產(chǎn)的強度等級為P.O42.5R 級水泥，其性能指標(biāo)見表2。③庫區(qū)淺層粉質(zhì)土沙：試樣干密度RO=1.59 g/cm3，含水量ω=17.80%，最大粒徑不大于5 mm。④庫區(qū)沙土：試樣干密度RO=1.72 g/cm3，含水量ω=11.30%，最大粒徑不大于10 m。

表1 YRSC性能指標(biāo)表

表2 水泥性能指標(biāo)表

2.2 試驗設(shè)計

2.2.1 單軸抗壓試驗

分別用YRSC 和水泥以6%、9%的比例凝結(jié)庫區(qū)淺層土沙或庫區(qū)砂土，研究其3、7、14、28 d 的力學(xué)性能。按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)行了立方體抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見表3、表4。

表3 單軸抗壓試驗結(jié)果表

表4 強度隨齡期的增長情況表

2.2.2 常規(guī)三軸剪切試驗

為研究YRSC 和水泥凝結(jié)庫區(qū)淺層土沙或庫區(qū)砂土的凝聚力C和內(nèi)摩擦角φ，以0%、6%、9%、11%、15%的YRSC分別凝結(jié)庫區(qū)淺層土沙和庫區(qū)砂土，11%的水泥凝結(jié)庫區(qū)淺層土沙和庫區(qū)砂土，試驗數(shù)據(jù)整理得出凝聚力C和內(nèi)摩擦角φ（具體數(shù)據(jù)略）。

2.2.3 浸水軟化、浸鹽侵蝕試驗

為研究YRSC 和水泥凝結(jié)庫區(qū)淺層土沙或庫區(qū)砂土的浸水軟化、浸鹽侵蝕試驗性能，將制好的試件養(yǎng)護(hù)6 d 后分別浸泡于水中，養(yǎng)護(hù)21 d后分別浸泡于濃度為5%的硫酸鈉水溶液中，齡期28 d時進(jìn)行抗壓強度試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析說明強度比為浸水或浸鹽侵蝕后強度值與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣強度之比（4）滲透性試驗為研究YRSC和水泥凝結(jié)庫區(qū)淺層土沙和庫區(qū)砂土的滲透性，將制好的試件養(yǎng)護(hù)到齡期28 d 進(jìn)行滲透性試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 滲透性試驗結(jié)果表

3 試驗結(jié)果

①YRSC 凝結(jié)土沙的單軸抗壓強度遠(yuǎn)高于水泥凝結(jié)土沙；同等條件下比水泥抗壓強度高150%～300%。②YRSC凝結(jié)土沙的早期強度比水泥凝結(jié)土沙增加的快，同等情況下YRSC凝結(jié)土3 d的強度就能達(dá)到水泥凝結(jié)土28 d的強度，且后期強度穩(wěn)定增長。③YRSC 凝結(jié)土沙和水泥凝結(jié)土沙都較原土沙在抗剪強度上有較大幅度的提高，但前者提高幅度更大。對于砂土，YRSC 凝結(jié)土抗浸水軟化能力比水泥凝結(jié)土略有提高，對于粉質(zhì)土沙，YRSC凝結(jié)土沙抗浸水軟化的能力明顯高于水泥凝結(jié)土沙。④YRSC 凝結(jié)土沙抗浸鹽侵蝕的能力明顯優(yōu)于水泥凝結(jié)土沙。⑤YRSC 凝結(jié)土沙較水泥凝結(jié)土沙滲透系數(shù)減少一個數(shù)量級。

4 YRSC凝結(jié)土的原理與施工優(yōu)勢

4.1 改良庫區(qū)土沙的主要機理

①尾礦渣中硅鋁質(zhì)原料在強堿溶液作用下，Si-O 鍵與Al-O 鍵首先發(fā)生斷裂，并在溶液中生成硅鋁酸鹽和氫氧化鋁共同組成的混合溶膠，溶膠再發(fā)生脫水縮合反應(yīng)生成正鋁硅酸鹽，正鋁硅酸液的作用下發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，生成聚硅鋁氧大分子鏈，同時溶液中的Na+、K+被吸附在分子周圍以平衡鋁氧四面體所帶的負(fù)電荷。②凝結(jié)硬化反應(yīng)。三門峽庫區(qū)土沙含有大量的SiO2、Al2O3、CaO等礦物質(zhì)，新型地聚物與土沙充分?jǐn)嚢韬螅c這些礦物質(zhì)反應(yīng)生成膠凝性物質(zhì)，形成鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的化合物。SiO2、Al2O3與鈣離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物。③碳酸化作用。新型聚合物中游離的氫氧化鈣，能吸收水中和空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣，可以避免殘留的堿金屬會對水環(huán)境產(chǎn)生不利影響。這種反應(yīng)也能使YRSC 凝結(jié)土沙的強度增加，并使其在凝結(jié)速度上較水泥凝結(jié)土沙快的多。這些新生成的化合物在YRSC 凝結(jié)劑的作用下，在水中或空氣中加速硬化，由于其結(jié)構(gòu)比較致密，水分不易侵入，從而使YRSC凝結(jié)土沙具有足夠的水穩(wěn)定性。因此，YRSC凝結(jié)劑和土沙之間的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，能夠使松散、軟土沙硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性高和一定強度的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)，而廣泛應(yīng)用于工程中。

4.2 YRSC凝結(jié)土的施工優(yōu)勢

①用土沙凝結(jié)劑可以凝結(jié)各種不同類型的土沙使其成為具有一定（所需要）強度的，滿足不同工程地基要求的凝結(jié)土沙，特別是YRSC土沙凝結(jié)劑凝結(jié)不同的土沙短期（3 d）內(nèi)可以快速達(dá)到工程所需要的強度要求，并且后期強度穩(wěn)定增長，可以有效縮短施工工期。②被凝結(jié)土沙中只要有機質(zhì)含量不超過5%即可。土沙料顆粒粒徑可以適當(dāng)放寬，但不得大于30 mm，當(dāng)含有磚塊、碎石時，其粒徑不宜大于50 mm，均對YRSC 凝結(jié)土的強度影響不大。③施工時土沙料的含水量可以適當(dāng)放寬，宜控制在最優(yōu)含水量Wop+5%的范圍內(nèi)，對于YRSC 凝結(jié)土沙的強度影響不大。④施工時土沙料可以不過篩，采用農(nóng)用旋耕耙按照道路“路拌”法摻拌，分層鋪填平整后分層夯實或用機械碾壓成型，都可滿足工程地基要求。⑤YRSC 凝結(jié)土沙換填層的施工方法簡單、經(jīng)濟合理，比砂石換填節(jié)約投資40%～60%比灰土換填節(jié)約投資10%～30%。

5 YRSC凝結(jié)劑在應(yīng)急搶險道路中應(yīng)用的可行性研究

通過以上試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出YRSC 凝結(jié)土沙的各項性能指標(biāo)均優(yōu)于水泥凝結(jié)土沙，但是搶險快速路的施工條件更為惡劣復(fù)雜，為進(jìn)一步驗證YRSC土沙凝結(jié)劑在搶險快速路中應(yīng)用的可行性。選擇庫區(qū)淺層土沙和庫區(qū)砂土，分別使用YRSC 和水泥凝結(jié)后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d 后浸泡于水中，進(jìn)行3、7、14、28 d 的抗壓強度試驗，進(jìn)一步驗證YRSC 凝結(jié)土沙的浸水穩(wěn)定性。通過以上數(shù)據(jù)分析可以得出，凝結(jié)土沙試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d后放入水中浸泡至28 d，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d相比，YRSC凝結(jié)土沙試件抗壓強度損失率約20%，水泥凝結(jié)土沙試件抗壓強度損失率為100%。分析結(jié)果，可得出YRSC 凝結(jié)土沙和水泥凝結(jié)土沙抗壓強度損失率和浸水時間關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 抗壓強度損失率和浸水時間關(guān)系圖

6 結(jié)論

①通過YRSC凝結(jié)劑對三門峽庫區(qū)土沙的實驗研究，為沿黃河區(qū)域的土沙在搶險快速路中的應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)依據(jù)。②試驗證明，YRSC 凝結(jié)土沙的單軸抗壓強度、抗剪強度、抗浸水軟化能力、抗浸鹽侵蝕能力、抗?jié)B透系數(shù)均優(yōu)于水泥凝結(jié)土沙；而且YRSC凝結(jié)土沙的早期強度比水泥凝結(jié)土沙增加的快，且后期強度穩(wěn)定增長。③YRSC被凝結(jié)土沙料中只要有機質(zhì)含量不超過5%即可；土沙料顆粒粒徑可以適當(dāng)放寬，施工時土沙料的含水量可以適當(dāng)放寬，對于YRSC凝結(jié)土沙的強度影響不大；施工時土沙料可以不過篩，采用農(nóng)用旋耕耙按照道路“路拌”法摻拌，分層鋪填平整后分層夯實或用機械碾壓成型，都可滿足工程地基要求，施工極為方便。