建筑弃土无机复合固化技术在道路工程中的应用*

2020-06-09陆惠平肖景平江训利黄志义

工程技术研究 2020年7期

陆惠平，邢渊，肖景平,江训利,黄志义

（1.华汇工程设计集团有限公司，浙江绍兴 312000；2.浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058）

1 概述

随着我国矿山资源保护力度的增大以及建筑工程的增多，许多地区传统筑路材料（宕渣、塘渣等）大量短缺。利用土壤固化技术将大量建筑弃土进行固化，用作道路路基及基层填料，成为解决筑路填料短缺的有效途径。土壤固化技术是指在土壤中添加一定量的增强土颗粒黏结和固化的材料，改善和提高土壤工程技术性能。至今为止，土壤固化技术已形成了一门综合结构力学、胶体化学、土壤化学等理论的综合性交叉学科。通常土的固化剂按土壤固化剂材料种类来分，可以分为无机固化剂、有机固化剂、离子类固化剂和生物酶类固化剂等。无机类土壤固化剂主要指采用水泥、石灰、粉煤灰、高炉矿渣、电石渣等无机结合料为主固化剂而组成。当前我国路基土的无机固化剂主要采用水泥和石灰以及矿渣等，但由于水泥土存在收缩较大、容易开裂等弱点，土石灰土早期强度相对较低、水稳定性较差。文章介绍一种HCL新型的无机固化材料，克服了传统无机固化剂的容易开裂和水稳定性差等弱点，具有很好的工程应用价值。

HCL无机复合固化剂是以水泥、石灰等为主要固化组分，通过引入活性激发组分、抗裂组分、水稳定性组分以及土壤修复组分（可选，针对重金属污染土），以降低黏土矿物反应活化能，增强胶凝材料在各类土体中水化硬化反应活性，提高水化硅酸钙（CSH）和水化铝酸钙（CAH）等凝胶相含量。该材料与传统水泥土、石灰土相比，水稳定性和开裂性能具有较为明显的增强，能较好地适用于南方多雨地区或地下水位较高的地区。HCL固化剂还具有适用性广、对土质要求低的特点，能固化淤泥质土、粉土、尾矿以及各类建筑弃土等，具有较好的市场推广前景。

2 材料试验及方法

2.1 试验材料

试验用土取自绍兴某工地建筑弃土，取土深度为2m以下，为粉土。经50℃恒温鼓风干燥箱烘干至恒重，过4.75mm筛后得到试验备用土样。根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）测试其基本的物理指标，测试结果如表1所示。

表1 试验段土样基本指标

固化剂材料为HCL系列中粉土类无机复合固化剂，主要为水泥和石灰以及其它外加剂。试验用水泥为“钱潮牌”325号普通硅酸盐水泥，石灰为杭州拓海新材料有限公司生产的磨细的熟石灰粉，其化学具体组成如表2所示，微观形貌图如图1所示。从图1中可以看出，水泥和石灰主要由不同颗粒大小、形状不规则的碎屑状颗粒组成。

表2 水泥、石灰化学组成单位：%

2.2 试验方法

（1）试件制作及养护。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）等相关标准规范要求进行制样，试样采用50mm×50mm的圆柱型试模。根据高速公路、一级公路的压实度要求，试验压实度选择95%。制样完成后，将试样放置在标准养护室内养护至龄期。

（2）力学性能试验。无侧限抗压强度试验参照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007），采用万能试验机，控制轴向应变速率为1mm/min。养护至龄期时，提前1d取出浸水，浸水24h后再进行无侧限抗压。本次试验测定7d和28d龄期固化土的无侧限抗压强度。间接抗拉强度试验（劈裂试验）参照相关规程进行，试验用的劈裂夹具压条宽度为6.35mm，半径为25mm。试件养护至27d取出并浸水，浸水1d后取出，试验过程保持加载速率为1mm/min。

3 力学性能试验结果

图1 水泥、石灰微观形貌图

为了验证HCL固化剂的有效性并确定最佳固化剂掺量，进行了无侧限抗压强度和劈裂强度试验。试验共测试了3%、5%、7%和9%四种固化剂掺量下的固化土强度。通过室内无侧限抗压强度试验和劈裂试验，能初步反应HCL固化剂在道路路基中应用效果。

3.1 无侧限抗压强度试验结果分析

通过无侧限抗压强度试验测得了不同固化剂掺量及不同龄期条件下HCL固化土的强度，如表3、图2所示。由图2可看出，随着HCL固化剂掺量的增加，固化土的强度明显增强。随着养护龄期的增大，固化土的强度保持持续增长。对比7d和28d龄期强度，可看出7d龄期强度能达到28d的在50%以上，说明HCL固化剂早期强度发展较快。

3.2 劈裂（间接拉伸）试验结果分析

为了进一步分析固化土的抗开裂性能，对28d龄期的试件进行了劈裂试验。试验测得的代表性曲线如图3所示，其开裂强度大小如表3所示。从图3可以看出随着固化剂掺量的增加，固化土的劈裂强度不断增强，同时从图中试验曲线直线段还可以发现，随着固化剂的增加，直线部分的斜率逐渐增大，这间接表明，随着固化剂量的增加，固化土的劈裂回弹模量不断增大。

表3 无侧限抗压强度及劈裂试验结果表单位：MPa

图2 HCL固化土无侧限抗压强度试验结果

图3 HCL固化土28d开裂强度试验曲线

4 试验段施工工艺

试验段依托绍兴市某区新建道路工程，用以验证固化废弃细粒土路基填料的路用性能，并总结了固化废弃细粒土路基填料的施工工艺流程、施工机械设备和施工过程控制要点等。试验段在路床顶以下60cm厚度路基采用HCL固化土，共分3层铺筑，每层20cm，采用分层连续施工工艺。

4.1 施工工艺过程

施工顺序：挖机配合自卸车转运土—挖机粗平—铧犁和旋耕机翻晒（人工清除土中大的块石和杂物）—含水率和粒径检测（含水率在高于最佳含水率2%～3%时进行固化剂撒布，粒径不大于4.75mm）—挖机配合人工进行固化剂撒布—旋耕机配合铧犁拌和固化土—固化剂均匀度检测（目测，拌和至土的颜色均匀）—振动压路机碾压—压实度检测（灌砂法，压实度不小于95）—胶轮压路机消除轮印（仅最后一层）。

（1）备土和上料。根据填筑厚度和松铺系数，采用挖掘机配合自卸车，将填料土运输至指定位置并进行初平，松铺厚度为25cm；用挖掘机进行翻晒后进行含水率检测；挖机配合人工撒布固化剂，保证固化剂洒铺均匀。

（2）现场拌和。土和固化剂摊铺结束后，开始用旋耕机进行拌和。旋耕机从两边向中间依次翻拌，每次拌和重叠翻拌1/3，拌和遍数3遍以上。拌和时设专人跟随旋耕机随时检查拌和深度和有无夹层，及时指挥旋耕机操作人员调整拌和深度。拌和深度应打入下层5～10mm，以利于下层黏结。

（3）碾压和精平。拌合均匀后，立即轻压整平。考虑施工季节环境较为干燥，当固化土含水量在最佳含水量或略高于最佳含水量1～2个百分点时，进行碾压。碾压时先碾两侧，再碾压中间，轮迹搭接一般不小于20cm。压路机的碾压速度，开始2遍采用1.5～2.0km/h，之后采用2.5～3.5km/h。压路机不可在已完成地段调头和急刹车。每铺筑一层测量标高并检测压实度满足设计要求，一层碾压完成后，继续下一层施工，直到顶层施工完成。

（4）养生。固化土路基碾压成型后湿养不宜少于7d，以土工布或塑料薄膜覆盖并经常洒水保湿养生。固化土路基成型后其未达到设计强度要求之前，除洒水车以外，不得通行其他载货车辆。

（5）质量检查验收。按照《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2017）进行路基填料施工质量的检测及验收工作，主要测试指标包括压实度、弯沉和回弹模量等。本试验段结果检测路基顶面回弹弯沉均在30～38（mm1/100），完全达到路基强度和刚度设计要求。

4.2 施工控制要点

施工前需制定完善的施工方案，落实人员与机械设备安排。为保证施工质量，需要注意以下几点：（1）做好路基排水与防水；（2）控制好压实时最佳含水率；（3）控制估计、固化剂与土的拌合均匀度；（4）进行合理和充分碾压。其他控制要点如保证路基两侧碾压施工余宽不小于50cm，确保每批次拌合到成型需控制在3h内完成等。路基碾压成型后，需及时进行充分湿养。