流態固化渣土性能研究及回填應用

【中圖分類號】 X799.1

【文獻標志碼】 A

0 引言

近年來，隨著城市化進程的加快，城市綜合管廊等地下工程施工產生大量廢棄渣土，以往采用的外運堆放處置方式不僅占用了大量土地資源還具有嚴重安全隱患[1-4]。然而，隨著我國環保意識的逐漸強化，采用外運處置廢棄土的模式已無法滿足國家減碳和無害化需求。另一方面，地下工程主體完成后，地面以下的主體結構與臨近地面需回填密實土體，如基坑回填、管線溝槽回填等。地下工程傳統土方回填方式可能存在不易密實等問題，尤其在地下工程邊角處，這些問題常造成臨近道路開裂、建筑散水拉裂脫開、管線沉降破壞，從而導致維修費用高，甚至會造成嚴重的安全事故[5]

為了解決廢棄土資源化利用和回填土不易壓實等問題，流態固化土作為一種新型回填材料，可有效保障土體壓實度。可控低強的流態固化土（controlledlow-strengthmeteri-al，CLSM）是將各類廢棄土、水、固化劑和外加劑按一定比例混合、攪拌，使之成為一種具有高流態、自密實的填充材料[6-7]。國外學者Raavi[2]利用水泥、粉煤灰、石灰固化天然高塑性黏土，對流態固化土的工作性能和力學性能指標進行了研究。Chittoori等[8]在Raavi的研究基礎上對粉砂土與高塑性黏土兩種土制流動性回填材料進行了干濕循環與離子浸出的耐久性試驗，并監測了體積應變、無側限抗壓強度和鈣離子析出量的變化。國內學者鄒培林[利用粉質黏土和中砂制備流動化回填材料，初步研究了不同材料摻量對其流動性、干縮性和強度特性的影響規律。王艷等[以黃泛區盾構廢棄渣土制備高流動土，并對其流動性、強度變化規律和變形形態進行了研究。以往的研究主要集中于室內材料配比設計以及固化土的力學特性研究，很少結合實際工程應用以驗證其可行性。

本試驗根據工程開挖廢棄土的自身特點，研究不同水固比與灰土比對流態固化土的流動性和力學特性的影響規律。結合南京市浦口電力地下工程，利用當地開挖的廢棄土制備流態固化土，根據室內試驗的材料配比開展流態固化土的管線溝槽回填，并對現場固化土強度進行了后期監測，以期為該領域的研究和施工應用提供參考和借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配比

1.1.1 試驗用土

試驗用土取自南京市浦口區橋林街道建設施工段的廢棄王，其主要成分為黏土，顏色呈黃褐色，夾雜部分灰色，呈可塑狀，烘干后呈塊狀，結構緊密，具有一定強度。根據GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》的要求對土樣的基本物理性質參數進行試驗，試驗結果如表1所示，該試驗用土分類屬于低液限黏土。將取自工程的廢棄土經風干后碾散，過0.5mm 篩備用。

表1土樣的基本物理參數

1.1.2 水泥

試驗以海螺牌 P?042.5 號普通硅酸鹽水泥作為固化劑，水泥的主要化學成分如表2所示。

1.1.3 材料配比

為了確定現場流態固化土的材料配比，室內試驗共設計了9組不同配比，其中灰土比代表水泥與干土的質量百分比，水固比代表水與水泥、干土總質量的百分比。試樣的養

護齡期設置為7d和28d（表3）。

表2水泥化學成分

表3流態固化土的設計配比方案

1.2 試驗方法

1.2.1 流動性試驗

由于國內目前尚無有關流態固化土的流動性測試相關規程，本文的流動性試驗參照日本道路工團《引氣砂漿和引氣灰漿的試驗方法》[11]，采用流動值作為流動性指標。流態固化土流動性測試過程如圖1所示，儀器裝置主要包括 ?80 mm×80mm 的雙開口圓筒和有機玻璃平板。進行新拌流態固化土的泵送施工，首先必須滿足流動性指標要求。為了便于泵送施工，日本建設省提出的流動擴展度宜大于 160mm 。

圖1流態固化土流動性測試過程

1.2.2 無側限抗壓強度試驗

朱偉等[12]認為固化土屬于改性土，由于其具有小變形條件下發生剪切破壞的特征，故宜采用無側限抗壓強度指標來判斷固化效果。實際工程應用中，流態固化土28d強度在350～1100kPa 之間，有利于后期使用小型機械開挖[13]。本試驗采用 ?39.1mm×80mm 的圓柱狀模具制樣，其上端為開口狀，下端有可拆底座。每組制作3個平行試樣，制樣后將其表面覆蓋保鮮膜，置于恒溫恒濕養護箱內養護，保持95% 以上濕度，溫度處于 （20±2）% 范圍內，待其固化后進行脫模。試樣脫模后，將試塊表面覆膜后繼續養護箱內養護至規定齡期，進行強度測試。試驗采用YTW-2S型應變式無側限壓力儀進行測定，根據 GB/T50123-2019? 土工試驗方法標準》要求，下加壓板以每 1min 軸向應變為 1%～3% 的速度上升，本試驗測試速度定為 1mm/min 。

2 試驗結果及分析

2.1 流動性分析

圖2呈現了水泥流態固化土的流動性與水固比的關系，由圖可見，流態土的流動值隨著水固比的增加而近乎呈線性增加，因為在相同灰土比條件下，用水量增加會導致土顆粒之間黏結力減小，從而流動性增大，從圖2中可以看出流動性滿足施工要求時的最低水固比為0.68。當水固比一定時，流態土的流動性隨著灰土比的增加而增加，因為當渣土摻量不變時，隨著灰土比的增加，水泥摻量增加，從而總固體材料質量增加，因此當水固比一定時，用水量也在增加，故流動性會增大。可見，影響流動性的主要因素是用水量的大小。

圖2水固比與流動性關系

2.2無側限抗壓強度分析

從圖3中可以看出，水泥流態固化土的強度隨著水固比的增加而近似呈線性下降。灰土比由0.08增至0.16，強度隨著水固比增加分別下降了 22.7%23.9%14.2% ，可見水固比的增加會使強度有一定的下降。從圖4中可以看出，水泥流態固化土28d無側限抗壓強度隨灰土比的增加而顯著提高，灰土比由0.08增加到0.12，強度提升約 94%～106% ，灰土比由0.12提高到0.16，強度提升約 82%～106% 。可見強度增長的決定性因素是灰土比，即固化土強度取決于水泥的水化反應。灰土比由此可作為固化土強度控制的有效參數，當灰土比大于0.12，其28d強度可達到 0.35MPa 以上。將灰土比與 28d 抗壓強度進行多項式擬合， R² 大于0.98，模型擬合度較高，試驗結果可為強度預測提供參考。

圖3水固比與28d抗壓強度關系

圖5表明了不同配比下固化土強度隨時間的變化關系，當灰土比由0.08增至0.16，其固化土7d強度分別達28d強度的 81%～90%61%～66%47%～54% ，可見灰土比越高，早期強度增長速率反而越慢，長期強度發展還有空間。考慮到需要快速恢復路面交通，要求固化土 ⁷d.28d 強度分別不低于 0.2MPa.0.35MPa ，試驗結果表明滿足固化土強度要求的最低灰土比為0.12。圖6顯示了不同齡期強度之間的關系，強度的增加隨固化時間的增加呈線性關系，觀察到的 28d 總強度值約為固化7d強度值的2.5倍，擬合公式可為長期強度預測提供參考。

圖4灰土比與28d抗壓強度關系

圖5不同齡期強度對比

圖6不同齡期強度關系

2.3 應力－應變分析

圖7展示了流態固化土28d的應力-應變曲線，在相同水固比的情況下，固化土的強度隨著灰土比的增加而顯著增加，破壞應變隨著灰土比的增加而減小。破壞應變是衡量材料脆性或韌性的重要指標，該值越大，表明材料的韌性越高，相反，破壞應變越小，其材料脆性越高，就越容易產生脆性破壞[14]。本試驗固化土的應力峰主要分布在 0.4～1.2mm 之間，峰值應變隨著應力的增大而減小，原因可能是當土中加入不同摻量的水泥發生水化反應后，生成的水化產物如C-S-H，Ca（OH）， ，等晶體會隨著水泥摻量的增加而增多，晶體之間形成致密的結構從而使固化土的破壞形式由塑性破壞轉變為脆性破壞。在相同水泥摻量下，固化土的峰值強度會隨著水固比的增加而略顯降低，破壞應變隨著水固比的增加而有所提高。

圖7流態固化土28d應力－應變分析曲線

本試驗中固化土主要存在兩種破壞形式：灰土比較低時為塑性破壞，即強度達到峰值后趨于穩定或緩慢減小，同時存在一定的殘余強度；而灰土比較高時呈脆性破壞，即水泥固化土達到峰值強度后即破壞，且應力值下降較快。從圖8展示的三種灰土比下的破壞形態來看，第一種的破壞為一條明顯的斜裂縫貫穿整個試樣，破壞裂縫與主應力的方向存在一定的角度。第二種破壞模式如圖8（b）和圖8（c）所示，為幾條明顯的豎向裂縫貫穿整個試樣，表現出較強的脆性。

圖8不同灰土比下固化土破壞形態

2.4流態固化土變形模量分析

固化土的剛度特性也是衡量流態固化土的重要參數，通常用變形模量 E₅₀ 來體現， E₅₀ 被定義為：

式中： σ_1/2 表示固化土壓縮應變為破壞應變的一半時所對應的應力; ε_f 表示破壞應變。因此也可以把 E₅₀ 視為 σ_1/2 時的割線模量。根據試驗結果，本文28d齡期固化土的變形模量與抗壓強度的關系曲線如圖9所示，其中 E₅₀=175q_u 。

總體而言，隨著水泥摻量的增加，固化土強度增加，變形系數也顯著增大。由圖9可見，變形模量 E₅₀ 隨著固化土抗壓強度增加而近似呈線性增大，結果與其他學者研究的水泥固化土變化規律相近。水泥摻量較低時，單位體積中水泥水化產物量較少，試樣破壞應變大，呈現塑性變形特點，因此變形模量相對較低，變形模量也會隨著水固比的增加而減小。

圖9固化土變形系數與抗壓強度關系

圖10現場試驗流程

3 現場施工及檢測

為進一步探究流態固化土回填技術的可行性，以及分析室內試驗與現場施工質量之間的差異，在南京市浦口電網埋設工程中，將渣土改良成流態固化土后進行管道溝槽回填，并實測應用效果。溝槽試驗段長度為 12m ，高 0.3m ，回填量約為 5m³ 。現場回填流程如圖10所示，為提高施工效率，渣土未進行風干破碎過篩，拌合水按體積方式計量，其他材料按質量計。流態固化土攪拌裝置采用 230L 自流平便攜式攪拌翻斗桶，流態固化土現場回填后進行覆膜養護。

破碎除雜、 水泥加水拌 漿液與土料

取土測含水率 合成漿液 混合攪拌測流覆膜養護、現 分層、分 動性

測強度 液體固化土場同條件養護 段澆筑

試驗段采用的材料配比為灰土比0.15，水固比0.70，由室內試驗所得的經驗公式推得流動值在 220mm 左右，7d和28d 強度分別在 0.42MPa 和 0.75MPa 左右。現場測得的流動性在 180～220mm 之間，固化土的強度采用兩種不同測試方式進行對照分析，即通過留置試樣進行同條件養護用于室內無側限抗壓強度測試及采用ZC5型砂槳回彈儀進行現場回彈測試。參照JGJT23-2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》對固化土進行強度測試。因渣土料未進行破碎，故制成的流態固化土中存在大量未完全泡開和攪碎的土團，澆筑回填自密實后固化土會存在空間差異性，考慮到上述問題，采用回彈儀進行現場強度測試時，選取10個測區，每個測區測點15個，即在測試區域中進行網格劃分，每個測區讀取15個回彈值。測出的15個回彈值，剔除2個最大值和2個最小值，取中間11個回彈值的平均值作為平均回彈值，根據強度換算表得出回彈值對應強度。

同條件養護的試樣采用應變控制式無側限壓力儀測的7d強度達 0.4MPa 左右，28d強度達 0.6～0.8MPa ，與預測強度值相近。回彈儀測的現場固化土7d強度為 0.3～0.4 MPa，28d 強度達 0.8～1.0MPa ，其長期強度相比現場留置試樣強度提升 30% 左右，整體滿足施工的強度要求。

4結論

（1）流態固化土的流動性隨著用水量的增加而增加，強度隨著灰土比和養護齡期增加而增加。水固比和灰土比可以作為流態固化土配比指標參數。當水固比為0.68、灰土比為0.12時，流態固化土流動值達 180mm 左右，28d強度可達 0.45MPa ，滿足流動化回填土設計要求。

（2）現場流態固化土回填管道溝槽采用室內試驗材料配比，流動值在 180～220mm 之間，采用砂漿回彈儀測得28d強度在 0.8～1.0MPa 之間，完全滿足管網回填土要求。

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