HCL无机复合固化建筑弃土试验与分析*

2021-03-11王泓伟陈新江黄志义

工程技术研究 2021年2期

章炜，王泓伟，陈新江，黄志义

1.浙江大学工程师学院，浙江杭州 310015

2.湖州南浔赛诚工程材料有限公司，浙江湖州 313009

3.浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058

随着我国生态文明体制改革进程的加快，为推进绿色发展，建设美丽中国，传统粗放模式的矿石行业迎来了转型升级，交通基础设施的高速建设使得对宕渣、碎石等公路工程领域常见路基填料的需求增多，供求矛盾日益突出，同时城市迅速发展尤其是城市建筑和地铁建设带来的建筑弃土体量巨大，合理处置建筑弃土已成为城市亟须解决的突出问题。利用弃土固化既能一定程度上解决城市建筑弃土处置问题，又能减缓公路工程筑路材料短缺的供求矛盾，具有良好的社会经济效益和推广价值，有利于推进公路行业绿色发展。

固化剂是新型环保节能工程材料，作用是固化各类土体，一般将其分为无机类固化剂、有机类固化剂、生物酶类固化剂和离子类固化剂四大类。其中，无机类固化剂因具有较好的适应性和长期稳定性而被广泛应用[1]。复合型固化剂通常为上述某几类固化材料的合理配比组合，目的是增强固化剂对不同类型土的适用性，是近年来固化剂研发的方向之一[2]。文章介绍了一种新型HCL无机复合固化剂，并在实践中将其用以固化建筑弃土，经室内试验与力学特性研究，已成功用于道路路基填筑，将建筑弃土变废为宝。

1 试验原材料

1.1 HCL无机复合固化剂

HCL无机复合固化剂为固体粉状成品干粉，主要成分以水泥为主，并根据不同的建筑弃土的物理化学及力学特点进行针对性的组合配置。因此，HCL无机复合固化剂能够适应各类建筑弃土、疏浚淤泥、软土地基等固化技术要求，满足道路与水利项目的路基填筑、大坝加固等工程需求。

1.2 试验用土

试验土样取自某工程项目建筑弃土，经烘干、破碎、过筛后进行试验，土样如图1所示。

图1 试验土样

2 室内试验

试验场所为浙江大学土木水利交通工程实验中心道路实验室，所有试验均按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）和《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）相关规定进行操作。

2.1 建筑弃土含水率测定试验

在取回的建筑弃土中，选取3个不同部位进行含水率测定，按烘干法进行，经整理计算后，最终测得建筑弃土的平均含水率为24%。

2.2 建筑弃土液塑限测定试验

对建筑弃土进行液塑限测定，试验结果如表1所示。建筑弃土液塑限曲线如图2所示，试验得到的3组数据各取对数后，坐标图上对应的3个数据点近似在同一条直线上，故曲线采用线性拟合。最终得到该建筑弃土的液限wL为29，塑限wP为13，塑性指数IP为16。

图2 建筑弃土液塑限曲线图

表1 建筑弃土液塑限测定试验数据

2.3 最佳含水率及最大干密度测定试验

通过击实试验测定建筑弃土及不同固化剂掺量下固化土的最佳含水率及最大干密度。试验包括建筑弃土（0%固化剂掺量）、固化土A（3%固化剂掺量）、固化土B（5%固化剂掺量）、固化土C（7%固化剂掺量）和固化土D（9%固化剂掺量）共5种土的击实试验，每种土分别做5个不同含水率的击实试件。

文章采用轻型击实试验方法进行击实试验，击实筒为内径100mm、高127mm的小筒。在计算分析的过程中，混合料的密度计算保留小数点后3位有效数字，含水率的计算保留小数点后1位有效数字；绘制含水量-干密度曲线时，试验各点采用4次多项式函数拟合曲线，曲线最大值点对应的含水量为最佳含水率，对应的干密度为最大干密度。试验结果如表2所示。根据试验得到的不同固化剂掺量下的最佳含水率及最大干密度，分析并绘制变化趋势图，如图3所示。

表2 不同固化剂掺量固化土最佳含水率及最大干密度数据

图3 不同固化剂掺量下最佳含水率、最大干密度变化趋势

2.4 加州承载比（CBR）试验

利用前期测得的最佳含水率及最大干密度，对建筑弃土及不同固化剂掺量下的固化土进行CBR试验[3]，试验主要内容为试件成型、膨胀量测定试验和贯入试验。试验对象为建筑弃土（0%固化剂掺量）、固化土A（3%固化剂掺量）、固化土B（5%固化剂掺量）、固化土C（7%固化剂掺量）和固化土D（9%固化剂掺量）共5种土，对同一种土，按规程要求做5个平行试件。试验结果如表3所示。不同固化剂掺量下膨胀量、CBR值变化趋势如图4所示。

表3 不同固化剂掺量固化土CBR试验数据汇总表单位：%

图4 不同固化剂掺量下膨胀量、CBR值变化趋势

2.5 无侧限抗压强度试验及劈裂试验

通过万能试验机进行无侧限抗压强度试验及劈裂试验，试验包括固化土A（3%固化剂掺量）、固化土B（5%固化剂掺量）、固化土C（7%固化剂掺量）和固化土D（9%固化剂掺量）共4种土，最佳含水率和最大干密度的数值利用前期已测得的数据，对试验数据进行整理分析，最终得到的结果如表4、图5所示[4]。

表4 无侧限抗压强度试验及劈裂试验结果单位：MPa

图5 不同固化剂掺量下无侧限抗压强度、劈裂强度变化趋势

2.6 结果分析

经过对此次试验数据的整理分析可得，建筑弃土天然含水率为24%，液限wL为29%，塑限wP为13%，塑性指数IP为16，属于粉质黏土。建筑弃土和各掺量固化土室内试验汇总结果如表5所示，由于部分建筑弃土试件在养护完成浸水1d后崩解，因此取消了建筑弃土的无侧限抗压强度试验和劈裂试验。试验过程中掺入固化剂后的部分固化土试件如图6所示。

图6 HCL固化土试件

表5 室内试验结果汇总表

3 力学模拟分析

为模拟HCL固化土路基在车辆荷载作用下的力学响应，利用Abaqus 2019非线性有限元软件建立模型，模型为双向双车道二级公路，路面宽度为6m，路基边坡为1∶1。不考虑路肩、排水沟、中央分隔带、预埋管道及各交通安全设施，以原地面作为路基的路堤部分，横断面示意图及荷载具体加载位置如图7所示。

图7 模型横断面示意图（单位：mm）

计算模型参考标准轴载BZZ-100中的相关计算参数，将单轴双圆均布垂直荷载简化为单轴单圆均布荷载，当量圆直径设为300mm，均布荷载A和均布荷载B压强设为0.7MPa，各结构层弹性模量和泊松比如表6所示。

表6 各结构层力学模型参数

在Abaqus 2019非线性有限元软件中建模，设定相关材料参数和力学加载参数，结构层⑤基底全约束、左右两侧法相约束。HCL无机复合固化土路基弹性模量根据课题组前期测定的数值设定为217.4MPa，对照组传统路基弹性模量设定为100MPa，经建模并加载运行，模拟在车辆荷载作用下各有限元的位移和应力，得到截面总位移云图、截面Mises应力云图。为更真实地反映对照组之间的差异，方便直观对比，将对照组的云图比例尺调整一致，最终模拟结果如图8、图9所示。

从图8和图9可以看出，HCL无机复合固化土路基与传统土路基在路基结构应力方面差别不大，但HCL无机复合固化土路基的位移明显小于传统土路基，说明前者路基的结构抗变形能力得到了很大提高。

图8 荷载作用下截面总位移云图

图9 荷载作用下截面Mises应力云图

4 评价分析

自然界土的种类繁多，用于公路路基的填料需挖取方便、容易压实、强度高、水稳定性好。建筑弃土成分混杂不齐、组成极不均匀，未经过一定的技术措施处理则难以直接用于道路路基填筑，一般采用无机类固化剂进行稳定固化处理[5]。传统无机类固化剂有水泥、石灰等，由于有机和生物固化技术固化机理复杂[6]，因此其质量和稳定性有待进一步研究。

4.1 不同类型无机固化剂的技术性能比较

（1）水泥稳定土。水泥稳定土是一种传统的稳定土，虽然具有较高强度和板体性，但在施工过程中，当水泥用量过大时，容易产生收缩开裂等病害。另外，水泥的水化和硬结作用反应较快，施工时对最大压实时间要求较为严格，从加水拌和到碾压成型，所涉及的主要工序需在较短的时间内完成。水泥稳定土在铺筑和养生时，用水需求较大，在取水困难路段或干旱地区，不适合用水泥作为固化剂。因水泥本身的性质，水泥稳定土路段不适宜在雨季施工，若在雨季施工，需投入较高的措施费用。采用水泥直接进行建筑弃土固化，固化稳定性效果不理想、质量难以控制。

（2）石灰稳定土。石灰稳定土也是一种传统的稳定土。石灰土强度可调节的区间有限，对塑性指数较小的土体，即使使用较大掺量的石灰进行固化，也达不到较高的强度。另外，石灰稳定土的抗拉强度较低，不适宜用作重交通高等级道路的路面基层。石灰稳定土的收缩系数较大，在相同情况下，石灰土的收缩开裂现象较水泥稳定土更为严重。其强度发展缓慢，早期强度低，水稳定性和温度稳定性都较差[7]。将石灰直接用于建筑弃土固化，固化稳定性效果很不理想、质量难以控制。

（3）HCL无机复合固化土。HCL无机复合固化剂在固化土体后，对比单一水泥稳定土和石灰稳定土，其水稳定性、抗裂性能均得到较大的提升；并且通过调节固化剂的组分，可固化粉质土、淤泥质土和尾矿，扩大了工程应用范围。HCL无机复合固化技术可以满足绝大多数建筑弃土固化要求，是一种新型的先进固化技术。

4.2 效益分析

（1）社会效益。采用HCL无机复合固化剂进行建筑弃土的固化，以双向四车道填方路基为例，平均填土高度为1.5m、边坡坡度为1∶1.25、路基宽度为20m的道路，每修100km道路就可利用建筑弃土330万m3，不仅可以节省大量矿山开采填料，还可以为大量的城市建筑弃土提供合适的去处，社会效益显著。

（2）经济效益。以华东地区东南沿海区域为例，与直接采购宕渣、碎石等传统路基填料相比，利用HCL新型无机复合固化剂固化弃土，无机复合固化剂掺量计4%～8%，1m3建筑弃土的固化处理综合成本为90～100元，由于当地近年来宕渣短缺，1m3传统路基填料综合成本约为120元。按1km路基填料30000m3计算，采用HCL固化土技术可降低工程成本约75万元，100km填方路基道路节省造价约7500万元，经济效益巨大。