HCL無機(jī)復(fù)合固化建筑棄土試驗(yàn)與分析*

章 煒，王泓偉，陳新江，黃志義

1.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310015

2.湖州南潯賽誠(chéng)工程材料有限公司，浙江 湖州 313009

3.浙江大學(xué)交通工程研究所，浙江 杭州 310058

隨著我國(guó)生態(tài)文明體制改革進(jìn)程的加快，為推進(jìn)綠色發(fā)展，建設(shè)美麗中國(guó)，傳統(tǒng)粗放模式的礦石行業(yè)迎來了轉(zhuǎn)型升級(jí)，交通基礎(chǔ)設(shè)施的高速建設(shè)使得對(duì)宕渣、碎石等公路工程領(lǐng)域常見路基填料的需求增多，供求矛盾日益突出，同時(shí)城市迅速發(fā)展尤其是城市建筑和地鐵建設(shè)帶來的建筑棄土體量巨大，合理處置建筑棄土已成為城市亟須解決的突出問題。利用棄土固化既能一定程度上解決城市建筑棄土處置問題，又能減緩公路工程筑路材料短缺的供求矛盾，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值，有利于推進(jìn)公路行業(yè)綠色發(fā)展。

固化劑是新型環(huán)保節(jié)能工程材料，作用是固化各類土體，一般將其分為無機(jī)類固化劑、有機(jī)類固化劑、生物酶類固化劑和離子類固化劑四大類。其中，無機(jī)類固化劑因具有較好的適應(yīng)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用[1]。復(fù)合型固化劑通常為上述某幾類固化材料的合理配比組合，目的是增強(qiáng)固化劑對(duì)不同類型土的適用性，是近年來固化劑研發(fā)的方向之一[2]。文章介紹了一種新型HCL無機(jī)復(fù)合固化劑，并在實(shí)踐中將其用以固化建筑棄土，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)與力學(xué)特性研究，已成功用于道路路基填筑，將建筑棄土變廢為寶。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 HCL無機(jī)復(fù)合固化劑

HCL無機(jī)復(fù)合固化劑為固體粉狀成品干粉，主要成分以水泥為主，并根據(jù)不同的建筑棄土的物理化學(xué)及力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的組合配置。因此，HCL無機(jī)復(fù)合固化劑能夠適應(yīng)各類建筑棄土、疏浚淤泥、軟土地基等固化技術(shù)要求，滿足道路與水利項(xiàng)目的路基填筑、大壩加固等工程需求。

1.2 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)土樣取自某工程項(xiàng)目建筑棄土，經(jīng)烘干、破碎、過篩后進(jìn)行試驗(yàn)，土樣如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)土樣

2 室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)所為浙江大學(xué)土木水利交通工程實(shí)驗(yàn)中心道路實(shí)驗(yàn)室，所有試驗(yàn)均按《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）和《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）相關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作。

2.1 建筑棄土含水率測(cè)定試驗(yàn)

在取回的建筑棄土中，選取3個(gè)不同部位進(jìn)行含水率測(cè)定，按烘干法進(jìn)行，經(jīng)整理計(jì)算后，最終測(cè)得建筑棄土的平均含水率為24%。

2.2 建筑棄土液塑限測(cè)定試驗(yàn)

對(duì)建筑棄土進(jìn)行液塑限測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。建筑棄土液塑限曲線如圖2所示，試驗(yàn)得到的3組數(shù)據(jù)各取對(duì)數(shù)后，坐標(biāo)圖上對(duì)應(yīng)的3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)近似在同一條直線上，故曲線采用線性擬合。最終得到該建筑棄土的液限wL為29，塑限wP為13，塑性指數(shù)IP為16。

圖2 建筑棄土液塑限曲線圖

表1 建筑棄土液塑限測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 最佳含水率及最大干密度測(cè)定試驗(yàn)

通過擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定建筑棄土及不同固化劑摻量下固化土的最佳含水率及最大干密度。試驗(yàn)包括建筑棄土（0%固化劑摻量）、固化土A（3%固化劑摻量）、固化土B（5%固化劑摻量）、固化土C（7%固化劑摻量）和固化土D（9%固化劑摻量）共5種土的擊實(shí)試驗(yàn)，每種土分別做5個(gè)不同含水率的擊實(shí)試件。

文章采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)筒為內(nèi)徑100mm、高127mm的小筒。在計(jì)算分析的過程中，混合料的密度計(jì)算保留小數(shù)點(diǎn)后3位有效數(shù)字，含水率的計(jì)算保留小數(shù)點(diǎn)后1位有效數(shù)字；繪制含水量-干密度曲線時(shí)，試驗(yàn)各點(diǎn)采用4次多項(xiàng)式函數(shù)擬合曲線，曲線最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水量為最佳含水率，對(duì)應(yīng)的干密度為最大干密度。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)得到的不同固化劑摻量下的最佳含水率及最大干密度，分析并繪制變化趨勢(shì)圖，如圖3所示。

表2 不同固化劑摻量固化土最佳含水率及最大干密度數(shù)據(jù)

圖3 不同固化劑摻量下最佳含水率、最大干密度變化趨勢(shì)

2.4 加州承載比（CBR）試驗(yàn)

利用前期測(cè)得的最佳含水率及最大干密度，對(duì)建筑棄土及不同固化劑摻量下的固化土進(jìn)行CBR試驗(yàn)[3]，試驗(yàn)主要內(nèi)容為試件成型、膨脹量測(cè)定試驗(yàn)和貫入試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象為建筑棄土（0%固化劑摻量）、固化土A（3%固化劑摻量）、固化土B（5%固化劑摻量）、固化土C（7%固化劑摻量）和固化土D（9%固化劑摻量）共5種土，對(duì)同一種土，按規(guī)程要求做5個(gè)平行試件。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。不同固化劑摻量下膨脹量、CBR值變化趨勢(shì)如圖4所示。

表3 不同固化劑摻量固化土CBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表 單位：%

圖4 不同固化劑摻量下膨脹量、CBR值變化趨勢(shì)

2.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)

通過萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)包括固化土A（3%固化劑摻量）、固化土B（5%固化劑摻量）、固化土C（7%固化劑摻量）和固化土D（9%固化劑摻量）共4種土，最佳含水率和最大干密度的數(shù)值利用前期已測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，最終得到的結(jié)果如表4、圖5所示[4]。

表4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

圖5 不同固化劑摻量下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度變化趨勢(shì)

2.6 結(jié)果分析

經(jīng)過對(duì)此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析可得，建筑棄土天然含水率為24%，液限wL為29%，塑限wP為13%，塑性指數(shù)IP為16，屬于粉質(zhì)黏土。建筑棄土和各摻量固化土室內(nèi)試驗(yàn)匯總結(jié)果如表5所示，由于部分建筑棄土試件在養(yǎng)護(hù)完成浸水1d后崩解，因此取消了建筑棄土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中摻入固化劑后的部分固化土試件如圖6所示。

圖6 HCL固化土試件

表5 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果匯總表

3 力學(xué)模擬分析

為模擬HCL固化土路基在車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，利用Abaqus 2019非線性有限元軟件建立模型，模型為雙向雙車道二級(jí)公路，路面寬度為6m，路基邊坡為1∶1。不考慮路肩、排水溝、中央分隔帶、預(yù)埋管道及各交通安全設(shè)施，以原地面作為路基的路堤部分，橫斷面示意圖及荷載具體加載位置如圖7所示。

圖7 模型橫斷面示意圖（單位：mm）

計(jì)算模型參考標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100中的相關(guān)計(jì)算參數(shù)，將單軸雙圓均布垂直荷載簡(jiǎn)化為單軸單圓均布荷載，當(dāng)量圓直徑設(shè)為300mm，均布荷載A和均布荷載B壓強(qiáng)設(shè)為0.7MPa，各結(jié)構(gòu)層彈性模量和泊松比如表6所示。

表6 各結(jié)構(gòu)層力學(xué)模型參數(shù)

在Abaqus 2019非線性有限元軟件中建模，設(shè)定相關(guān)材料參數(shù)和力學(xué)加載參數(shù)，結(jié)構(gòu)層⑤基底全約束、左右兩側(cè)法相約束。HCL無機(jī)復(fù)合固化土路基彈性模量根據(jù)課題組前期測(cè)定的數(shù)值設(shè)定為217.4MPa，對(duì)照組傳統(tǒng)路基彈性模量設(shè)定為100MPa，經(jīng)建模并加載運(yùn)行，模擬在車輛荷載作用下各有限元的位移和應(yīng)力，得到截面總位移云圖、截面Mises應(yīng)力云圖。為更真實(shí)地反映對(duì)照組之間的差異，方便直觀對(duì)比，將對(duì)照組的云圖比例尺調(diào)整一致，最終模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，HCL無機(jī)復(fù)合固化土路基與傳統(tǒng)土路基在路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面差別不大，但HCL無機(jī)復(fù)合固化土路基的位移明顯小于傳統(tǒng)土路基，說明前者路基的結(jié)構(gòu)抗變形能力得到了很大提高。

圖8 荷載作用下截面總位移云圖

圖9 荷載作用下截面Mises應(yīng)力云圖

4 評(píng)價(jià)分析

自然界土的種類繁多，用于公路路基的填料需挖取方便、容易壓實(shí)、強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好。建筑棄土成分混雜不齊、組成極不均勻，未經(jīng)過一定的技術(shù)措施處理則難以直接用于道路路基填筑，一般采用無機(jī)類固化劑進(jìn)行穩(wěn)定固化處理[5]。傳統(tǒng)無機(jī)類固化劑有水泥、石灰等，由于有機(jī)和生物固化技術(shù)固化機(jī)理復(fù)雜[6]，因此其質(zhì)量和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究。

4.1 不同類型無機(jī)固化劑的技術(shù)性能比較

（1）水泥穩(wěn)定土。水泥穩(wěn)定土是一種傳統(tǒng)的穩(wěn)定土，雖然具有較高強(qiáng)度和板體性，但在施工過程中，當(dāng)水泥用量過大時(shí)，容易產(chǎn)生收縮開裂等病害。另外，水泥的水化和硬結(jié)作用反應(yīng)較快，施工時(shí)對(duì)最大壓實(shí)時(shí)間要求較為嚴(yán)格，從加水拌和到碾壓成型，所涉及的主要工序需在較短的時(shí)間內(nèi)完成。水泥穩(wěn)定土在鋪筑和養(yǎng)生時(shí)，用水需求較大，在取水困難路段或干旱地區(qū)，不適合用水泥作為固化劑。因水泥本身的性質(zhì)，水泥穩(wěn)定土路段不適宜在雨季施工，若在雨季施工，需投入較高的措施費(fèi)用。采用水泥直接進(jìn)行建筑棄土固化，固化穩(wěn)定性效果不理想、質(zhì)量難以控制。

（2）石灰穩(wěn)定土。石灰穩(wěn)定土也是一種傳統(tǒng)的穩(wěn)定土。石灰土強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的區(qū)間有限，對(duì)塑性指數(shù)較小的土體，即使使用較大摻量的石灰進(jìn)行固化，也達(dá)不到較高的強(qiáng)度。另外，石灰穩(wěn)定土的抗拉強(qiáng)度較低，不適宜用作重交通高等級(jí)道路的路面基層。石灰穩(wěn)定土的收縮系數(shù)較大，在相同情況下，石灰土的收縮開裂現(xiàn)象較水泥穩(wěn)定土更為嚴(yán)重。其強(qiáng)度發(fā)展緩慢，早期強(qiáng)度低，水穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性都較差[7]。將石灰直接用于建筑棄土固化，固化穩(wěn)定性效果很不理想、質(zhì)量難以控制。

（3）HCL無機(jī)復(fù)合固化土。HCL無機(jī)復(fù)合固化劑在固化土體后，對(duì)比單一水泥穩(wěn)定土和石灰穩(wěn)定土，其水穩(wěn)定性、抗裂性能均得到較大的提升；并且通過調(diào)節(jié)固化劑的組分，可固化粉質(zhì)土、淤泥質(zhì)土和尾礦，擴(kuò)大了工程應(yīng)用范圍。HCL無機(jī)復(fù)合固化技術(shù)可以滿足絕大多數(shù)建筑棄土固化要求，是一種新型的先進(jìn)固化技術(shù)。

4.2 效益分析

（1）社會(huì)效益。采用HCL無機(jī)復(fù)合固化劑進(jìn)行建筑棄土的固化，以雙向四車道填方路基為例，平均填土高度為1.5m、邊坡坡度為1∶1.25、路基寬度為20m的道路，每修100km道路就可利用建筑棄土330萬m3，不僅可以節(jié)省大量礦山開采填料，還可以為大量的城市建筑棄土提供合適的去處，社會(huì)效益顯著。

（2）經(jīng)濟(jì)效益。以華東地區(qū)東南沿海區(qū)域?yàn)槔?，與直接采購(gòu)宕渣、碎石等傳統(tǒng)路基填料相比，利用HCL新型無機(jī)復(fù)合固化劑固化棄土，無機(jī)復(fù)合固化劑摻量計(jì)4%～8%，1m3建筑棄土的固化處理綜合成本為90～100元，由于當(dāng)?shù)亟陙礤丛倘保?m3傳統(tǒng)路基填料綜合成本約為120元。按1km路基填料30000m3計(jì)算，采用HCL固化土技術(shù)可降低工程成本約75萬元，100km填方路基道路節(jié)省造價(jià)約7500萬元，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

5 結(jié)論

（1）隨著HCL固化劑摻量的增加，固化土的最佳含水率、CBR值、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)，最大干密度、膨脹量呈下降趨勢(shì)。

（2）摻入固化劑后，建筑棄土性質(zhì)發(fā)生改變，黏結(jié)性、水穩(wěn)定性明顯提高，強(qiáng)度大幅度提升。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，HCL無機(jī)復(fù)合固化劑可有效固化工程現(xiàn)場(chǎng)建筑棄土。

（4）基于Abaqus非線性有限元軟件分析得到，采用HCL無機(jī)復(fù)合固化土作為路基結(jié)構(gòu)層時(shí)，各結(jié)構(gòu)層有限元的位移和應(yīng)力都比以傳統(tǒng)路基作為路基結(jié)構(gòu)層時(shí)小。

（5）對(duì)HCL無機(jī)復(fù)合固化劑和傳統(tǒng)無機(jī)固化劑（水泥、石灰）進(jìn)行技術(shù)性能對(duì)比，可知HCL無機(jī)復(fù)合固化劑在抗裂性和水穩(wěn)定性方面都有較大提升。

（6）通過對(duì)某公路模擬采用HCL無機(jī)復(fù)合固化劑的效益進(jìn)行分析可知，采用HCL無機(jī)復(fù)合固化劑時(shí)，每100km填方路基可利用廢土330萬m3，節(jié)省造價(jià)7500萬元，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益顯著。