廢棄泥漿固化技術在路基中的應用

摘要 文章以某實際工程為依托，研究廢棄泥漿固化土在路基工程中的應用，分析水泥及石灰作為固化劑的反應機理，在工程施工過程中，采用4.00wt%的水泥和8.00wt%的石灰作為固化劑，將廢棄泥漿固化處理后用于便道施工，檢測固化后路基土的含水量、壓實度和路基彎沉值。檢測結果顯示：采用4.00wt%的水泥和8.00wt%的石灰作為固化劑固化廢棄泥漿土，養護3d厚路基壓實度達到94%，彎沉值為99.64mm，均達到設計要求值，固化效果良好，驗證了施工工藝的可行性。

關鍵詞 廢棄泥漿；固化；路基

中圖分類號 U445.551 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0144-04

0 前言

隨著我國經濟社會快速發展，道路工程建設日益加快，截至2022年底，我國公路總里程達535.48萬公里[1]。在道路施工過程中需要消耗大量的自然資源，采取傳統的方法對道路基層進行修筑，炸山炸石、挖河采沙，對自然環境造成了嚴重的破壞[2]。水泥穩定碎石、砂礫基層被廣泛地使用于公路工程施工建設當中，往往因為原料成本、人工成本和運輸成本的逐年增加而造成筑路成本不斷提高。我國工程建設過程中存在大量的廢棄泥漿，現階段廢棄泥漿主要處理方式是運至郊外自然干化，處置效率低下且成本較高[3]。因此，為有效減少對自然石材的開采，同時減少泥漿外運造成的環境污染，需要充分探究廢棄泥漿固化處理的應用，考慮如何更好地利用工程廢棄泥漿。

國內外學者對工程廢棄泥漿在路基方面的應用進行了一定的研究，方春林[4]通過對不同固化材料進行研究，通過單一和組合的方式測定廢棄泥漿固化土的固化強度。陳峰等[5]采用生石灰、水泥的方式進行固化研究，為實際應用提供數據支持。馬軍[6]建立有限元模型探討固化泥漿在路基應用的可能性。厲帥康[7]分析了石膏、高爐礦渣、硅酸鈉代替部分水泥對土樣進行固化處理。為更好地應用于工程實踐，該文以真實工程為依托，采用廢棄泥漿固化處理，應用于工程中的便道施工，滿足工程需要。

1 廢棄泥漿固化路基

1.1 擊實試驗

在將廢棄固化泥漿用作路基材料時，為測試用作路基材料的可行性，需要對其進行實心測試，測出材料的最大含水率和最大干密度，以便對固化泥漿的壓實度進行控制，是為測試用作路基材料的可行性。將原料土粉碎烘干后，過篩2 mm，加水至規定的含水量后，攪拌均勻，再進行一次重擊試驗，測試參數如表1所示。

1.2 承載比試驗

承載比（CBR）是評價路基基層材料承載力的指標之一，用于衡量材料對局部剪切的抵抗能力，其測試步驟為：以0.125 cm/min的速度將端部面積為19.35 cm的標準壓頭壓入，分別記下當貫入量為2.5 mm和5 mm時的單位壓力。

采用作為材料承重比例的單位壓力與標準壓力比值，貫入量為2.5mm，計算公式如下式所示：

（1）

式中：CBR——承載比（%），精確至0.1%；p——單位壓力（kPa）。

同時計算單位壓力與標準壓力之比作為材料在灌入量為2.5 mm時的承重比，下式中CBR和p同公式（1）：

（2）

1.3 無側限抗壓強度試驗

土體固化后，依據不同的齡期，對固化的土體進行取樣，采用無側限抗壓強度儀，測定土體固化后的無側限抗壓強度，根據儀器讀數采用下式計算軸向力：

（3）

式中：——軸向壓力（kPa）；——測力計校正系數，N/0.01 mm；——百分表讀數，0.01 mm；——校正后試件的斷面積（cm2）。

校正后的斷面積根據下式進行計算：

（4）

式中：——試件的初始面積（cm2）；——軸向應變（%），其計算方式如下：

（5）

式中：、——分別為試件的原始高度（cm）和土樣試驗的軸向變形（cm）。

2 廢棄泥漿固化機理分析

工程應用中采用了4.00 wt%的水泥和8.00 wt%的石灰進行泥漿固化，水泥和石灰摻入廢棄泥漿中，和廢棄泥漿中的成分產生一系列化學反應，使得廢棄泥漿形成穩定骨架，改善土體強度。

2.1 水泥反應機理

（1）水化反應

由于水泥中含有硅酸三鈣和鋁酸三鈣，當廢棄泥漿中加入水泥后，水泥中的硅酸三鈣與泥漿中的水分發生化學反應，生成膠體狀的水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）和晶體狀的氫氧化鈣[Ca（OH）2]，如公式（5）及公式（6）所示。由于兩者共同的作用，使得廢棄泥漿土逐步固化，由于鋁酸三鈣水化快速產生水化鋁酸鈣，此外鐵鋁酸四鈣通過水化反應生成水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣，上述多種物質有效促成水泥早凝，增強了廢棄泥漿的固化強度，反應方程式如公式（7）及公式（8）所示：

2（3CaO·SiO2）+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O（膠體）

+3Ca（OH）2（晶體） （5）

2（2CaO·SiO2）+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2

（晶體） （6）

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O（晶體）

（7）

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO

·Fe2O3·H2O（膠體） （8）

硫酸鈣（CaSO4）與鋁酸三鈣發生反應的生成物水泥桿菌能結晶，反應式如公式（9）所示，可以得出，硫酸鈣與鋁酸鈣發生反應，消耗大量的自由水，有助于廢棄泥漿的固化。

3CaSO4+3CaO·Al2O3+96H2O→3CaO·Al2O3·CaSO4

·32H2O （9）

（2）離子間的交換和團?；饔?/p>

當廢棄泥漿中加入水泥，水泥與其中的水發生化學反應，會產生大量的Ca2+，土體中由于存在Na+和K+等離子，因此會與Ca2+發生交換吸附作用，使得土體中的顆粒黏聚在一起，較之廢棄泥漿中的孔隙率得到極大的降低，致使土體顆粒得以黏結，形成較大的團狀體，較之顆粒強度有所增強。

（3）碳酸化作用

化學反應產生的碳酸鈣顆粒填充在土體顆粒的孔隙中，使得土體的孔隙率降低，同時由于氫氧化鈣含量的增多，使得土體固化環境呈現堿性，土體中的其他金屬離子均形成不溶于水的礦物質而填充在土體顆粒中，增強了土體的穩定性。

2.2 石灰固化機理

生石灰中的CaO與泥漿中的H2O反應，土體中由于存在K+和Na+，這時會與Ca2+交換，交換后產生初期水穩性。土體中的金屬氧化物發生二次水化作用，生成水化硅酸鈣等物質，水化硅酸鈣在土體中形成整體骨架，有效地凝結土體顆粒，增強固化土強度，具體反應式如公式（10）和公式（11）所示：

Ca（OH）2+SiO2+nH2O→CaO·SiO2·（n+1）H2O

（10）

Ca（OH）2+Al2O3+nH2O→CaO·Al2O3·（n+1）H2O

（11）

2.3 生石灰、水泥復合固化機理

當生石灰和水泥加入廢棄泥漿土中，由于生石灰和水泥的顆粒較之土體顆粒較小，在充分攪拌后生石灰顆粒和水泥顆粒填充到土體內孔隙內，使得土體形成密實的狀態，起到了初期的加強作用。當水泥開始進行水化作用時，生石灰亦開始進行離子交換，初期的水化作用對土體強度增大的作用及影響較小，待水化產物水化硅酸鈣增多時，土體強度開始逐步增強。伴隨著水化反應的進行，產生了大量的氫氧化鈣，隨著Ca2+的增多，火山灰作用再次增強了固化土的強度，使得固化土的強度得到了大幅度增加。

3 工程應用

某工程便道施工，工程項目起點位于A市附海鎮，與某某高速相連，項目起點K0+364.369，終點位于A市現代農業園區，終點樁號K14+152，線路長13.788 km，合同價約為11.8億元。該次試驗段施工長度3 km，便道采用宕渣與固化土聯合填筑的方式進行修筑，固化土來自清表棄土和挖鉆泥漿，一方面減少泥漿的外運，另一方面減少了固化土運送的距離，在保證便道可以通行的前提下節約了成本，保護了環境。

3.1 工程施工流程

在施工過程中，便道填筑的具體范圍首先是通過測量放樣，確定施工紅線和橋梁紅線的具體位置，以便便道填筑后便于排水，開挖便道一側的排水溝，通過測量放樣的方式將便道填筑好后的排水管道填筑好后，再進行便道填筑，接著將便道范圍內的莊稼等清除干凈，平整場地。

該項目表層土下0.8 m位置基本為淤泥，對該項目而言，若全部填入固化土，便道在使用一段時間后，可能會出現沉降不均的情況。因此，為避免便道下沉，固化土路基采用宕渣處理，便道基礎清理后，為增加便道基礎的整體性，在便道填平后，在底層鋪設毛竹片以減少沉降。隨后，第一層基礎填平采用宕渣，0.5 m厚的宕渣填平，并使用18 t壓路機進行碾壓，以保證小型農用車能夠達到運送物資的條件進場運輸。

對于泥漿固化，首先將泥漿土及清表土運至現場后均勻攤鋪，為保證固化質量，厚度控制在0.6 m以內，對其進行初步晾曬。當土體表面沒有明顯水分時，按泥漿土分∶熟石灰∶外加劑=1500∶600∶1的比例，計算固化劑和石灰等添加劑的質量，然后將固化劑和石灰混合后分成均勻的兩份，第一份均勻地鋪在土體上，然后均勻的攪拌后進行悶料處理，堆土高度控制在2 m左右，夏天晴天狀態下，1～2 d就可以用固化劑和石灰等添加劑將悶料鋪在路基上，冬天悶料的時候，可以用固化劑和石灰等添加劑對路基進行攤鋪，可以保證需要延長2 d的悶料時間后，才能用固化劑和石灰混合。對固化土進行含水量檢測，當取樣土體含水量低于15%時，可以利用固化土進行地基攤鋪，約0.3 m的鋪裝，完成鋪裝后，將路基表面平整。

平整路基表面后，鋪第二份固化劑并進行拌和，進行第二次悶料，24 h后檢測路基悶料含水量，含水量低于10%時，采用壓路機進行碾壓，碾壓過程先對路基兩側進行碾壓，以中間碾壓的方式進行碾壓，以保證碾壓質量，對路基進行二次悶料。

重復前面的步驟，對路基第二層進行攤鋪和碾壓，碾壓完成后，再用塑料膜覆蓋養生，72 h后，路基表面平整，強度可以達到物料運輸車輛通行要求。為防止雨水后車輛車輪打滑的情況出現，在便道頂部鋪設一層

2 cm厚度的碎石，增強地面摩擦，減少車輛車輪打滑，由于泥漿土中加入固化劑，處理后的土體變為半剛性基材，強度緩慢增長，后期強度穩定。

3.2 路基壓實度檢測

為全面了解路基壓實情況，在第二層路基攤鋪、碾壓及72 h養護完成后，同一里程標號處分別取兩點進行平行試驗，利用灌砂法檢測試驗段的壓實度，并分別對固化渣土填料拌和前和拌和后的含水量進行測定，試驗結果如表2所示。

從表3中可知：廢棄泥漿土與水泥、石灰和后的含水量比和前的含水量有所減少，主要原因是水與水泥反應生成了穩定的成分不易分解。當4.00 wt%的水泥和

8.00 wt%的石灰摻入廢棄泥漿土，進行固化處理并填筑到路基后，可以看出路基的平均壓實度達到了94.0%，超出90%的路基設計壓實度要求。

3.3 路基彎沉值檢測

路基養護7 d后，利用5.4 m貝克曼梁，配合后軸重10 t內胎壓力0.7 MPa的標準車，對試驗段的彎沉值進行測定，將異常點去掉后的試驗結果如表3所示。

從表3可知：水泥摻量為4.00 wt%與石灰摻量為

8.00 wt%的廢棄泥漿固化土彎沉值為99.64 mm，滿足設計彎沉值200 mm的要求。可以看出，采用上述方案的固化土改良效果較好，具有一定的工程效益。

4 結論

通過對廢棄泥漿添加4.00 wt%的水泥和8.00 wt%的石灰進行泥漿固化研究，分析水泥和石灰作為固化劑添加入廢棄泥漿進行固化的反應機理，可以看出通過加入水泥和石灰固化劑，可以有效提高廢棄泥漿固化強度。依托真實工程案例，將固化方案應用到實際工程便道施工中，對路基壓實度和路基彎沉值進行檢測，驗證經過固化后的廢棄泥漿土，可以完全滿足便道基礎的設計使用要求，同時對廢棄泥漿的固化再利用，可以減少泥漿外運，有利于施工過程中的環境保護，節約施工成本。

參考文獻

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[3]賈巖，張蘇龍，郭云龍.廢棄泥漿固化處理施工技術在橋梁樁基工程中的應用[J].交通科技與管理， 2023（22）： 119-121.

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[5]陳峰.建筑泥漿固化土在路基中的資源化應用研究[D].紹興：紹興文理學院， 2022.

[6]馬軍.工程廢棄泥漿的固化處理及應用研究[D].蘭州：蘭州交通大學， 2023.

[7]厲帥康，俞峰，陳鑫等.水泥-礦渣基早強固化劑制備及固化土宏微觀性能研究[J].硅酸鹽通報， 2023（11）：3964-3977+4005.

收稿日期：2024-06-13

作者簡介：齊冠（1988—），男，碩士研究生，講師，研究方向：道路與橋梁工程技術，BIM技術應用。

基金項目：浙江省教育廳科研項目資助“酸雨環境下廢棄泥漿干化土固化強度及路用性能研究”（Y202250207）。