工業(yè)廢渣土壤固化劑改良土施工技術(shù)

摘 要：為探索工業(yè)廢渣作為土壤固化劑應(yīng)用于低液限黏土路基道路工程建設(shè)的可行性，基于粉煤灰、尾礦、礦渣等工業(yè)廢渣制備了土壤固化劑。研究了消石灰、工業(yè)廢渣、P. F 32.5水泥固化劑摻和量（3%、4%）對低液限黏土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間的影響。結(jié)果表明：使用工業(yè)廢渣土壤固化劑固化低液限黏土的效果最佳;工業(yè)廢渣固化劑摻和量為3%時(shí)的改良土，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于消石灰固化劑摻和量為4%的改良土;P. F 32.5水泥固化劑不能有效固結(jié)弱膨脹土，不能形成穩(wěn)定的具有耐水性的固化體;對工業(yè)廢渣固化劑改良土延遲成型時(shí)間在24 h內(nèi)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度沒有不良影響，即對改良土最終強(qiáng)度無不良影響，利于施工工藝的改良及施工質(zhì)量的控制。

關(guān)鍵詞：土壤固化劑;低液限黏土;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;凝結(jié)時(shí)間

中圖分類號(hào)：U416.1;U414 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）1-0109-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.024

Construction Technology of Improved Soil with Industrial Waste Residue Soil Stabilizer

WANG Qiong

（The Fourth Engineering Co.， Ltd. of the Second Public Bureau of China Communications， Luoyang 471013，China）

Abstract：In order to explore the feasibility of using industrial waste as a soil curing agent in low-liquid limit clay roadbed and road construction， a soil curing agent was prepared based on industrial waste such as fly ash， tailings， and slag. The effects of slaked lime， industrial waste residue and P. F 32.5 cement curing agent （3%， 4%） on the 7-d unconfined compressive strength and setting time of low liquid limit clay were studied. The results show that the use of industrial waste soil solidifying agent to solidify low-liquid limit clay is the best; when the content of industrial waste solidifying agent is 3%， the 7 d unconfined compressive strength is greater than that of hydrated lime solidifying agent. 4% modified soil; P. F 32.5 cement curing agent can not effectively consolidate weak expansive soil， and cannot form a stable water-resistant solidified body; industrial waste curing agent modified soil has no side of 7 days within 24 h. The limited compressive strength has no adverse effect， that is， it has no adverse effect on the final strength of the improved soil， which is conducive to the improvement of construction technology and the control of construction quality.

Keywords： soil stabilizer;low liquid limit clay; unconfined compressive strength; setting time

0 引言

隨著工程質(zhì)量的提高，工程建設(shè)各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量都受到重視，路基是公路工程建設(shè)的基礎(chǔ)，是影響工程最終質(zhì)量的重要因素[1]。低液限黏土液限低，塑性指數(shù)小，CBR值和強(qiáng)度低，水穩(wěn)定性差，在施工時(shí)壓實(shí)較難。若直接將其作為路床、底基層修筑填料，可能會(huì)因?yàn)榉€(wěn)定性和強(qiáng)度不足而導(dǎo)致路基出現(xiàn)不同程度的病害。因此，如何對低液限黏土進(jìn)行改良，使改良后的低液限黏土能滿足路床、底基層的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步的研究[2]。若處理不當(dāng)，會(huì)造成資源浪費(fèi)，增加施工成本[3-4]。因此，選取適用于低液限土的土壤固化劑尤為重要。

1 工業(yè)固廢土壤固化劑應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)常用于低液限黏土固化的土壤固化劑為石灰[4]和水泥[5]。由于我國經(jīng)濟(jì)以及工業(yè)迅速發(fā)展，工業(yè)固廢渣堆存量大、產(chǎn)生量大[6]，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。2020年，大宗固廢綜合利用率達(dá)到55%，比2015年提高5個(gè)百分點(diǎn)，“十三五”期間，累計(jì)綜合利用各類大宗固廢約130億t，減少占用土地超過66 667 hm2，資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益顯著。但是，目前國內(nèi)大宗固廢累計(jì)堆存量600億t，年新增堆存量近30億t，其中，鋼渣、磷石膏、赤泥等固廢利用率仍較低。

目前，利用工業(yè)廢渣制備土壤固化劑技術(shù)越來越受到重視[7-8]，工業(yè)廢渣作為固化劑可以固化軟土，節(jié)約固化工作所投入的成本[9]。因此，若使用工業(yè)廢渣作為土壤固化劑，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對路基土的改良，加快施工進(jìn)度[10]，還能夠起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用，應(yīng)用前景樂觀。

筆者分析評(píng)價(jià)工業(yè)廢渣、消石灰和P. F 32.5水泥土壤固化劑對低液限黏土的改良效果，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)，選取合理摻和量的固化劑，從而為土壤固化劑改良低液限黏土的生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

2 工業(yè)固廢土壤固化劑分類及作用機(jī)理

2.1 土壤固化劑分類

土壤固化劑屬于一種新型的綠色建筑材料，其施工簡單且工程適應(yīng)性高，提高了施工效率，減少了社會(huì)資源的利用，有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。土壤固化劑根據(jù)其外觀形態(tài)，可以分為液體固化劑和粉狀固化劑;按照主要膠結(jié)料組分可以分為無機(jī)類、有機(jī)類、生物酶類固化劑和離子類固化劑等四類[11-13]。

無機(jī)類土壤固化劑為粉體固化劑，大多是通過水泥、粉煤灰、工業(yè)廢料等無機(jī)材料和某些酸、堿、鹽類激發(fā)劑（如氯鹽、硫酸鹽、氫氧化鈉等），或者含有表面活性劑的激發(fā)劑制備而成。有機(jī)類固化劑溶液與土壤混合后，親水基團(tuán)通過氫鍵及陽離子交換作用與土顆粒形成緊密的連接結(jié)構(gòu)。生物酶類土壤固化劑是由有機(jī)質(zhì)發(fā)酵而成的多酶基產(chǎn)品，其對土壤的固化主要是通過物理催化作用，固化劑加入土壤中后，附著于土壤顆粒內(nèi)部，與土壤中的金屬陽離子交換，提高了土壤的黏聚性，改變了土壤的原始結(jié)構(gòu)，提高了土壤的抗?jié)B性，與大量的有機(jī)分子結(jié)合成中間有機(jī)物，降低了水的表面張力，填充材料內(nèi)部孔隙，增加土體顆粒間的凝聚程度和相互作用力。離子土壤固化劑融入水中后離子化，形成大量的陰陽離子，將其加入土壤中時(shí)，其內(nèi)部帶電荷的離子與土壤顆粒表面吸附的陽離子進(jìn)行離子交換，降低了土壤顆粒之間的排斥力，顆粒相互靠近，聚集形成更大的土壤顆粒[10]。

2.2 土壤固化劑作用機(jī)理

工業(yè)廢渣作為土壤固化劑的反應(yīng)機(jī)理是：改變土壤顆粒表面電性，降低土壤顆粒間的排斥力，增大土壤顆粒間的吸附力。通過物相水化和協(xié)同水化作用將土壤中的自由水固化為結(jié)合水，降低自由水含量，形成結(jié)構(gòu)膠凝物，穿插在土壤顆?？障堕g形成強(qiáng)度骨架，提高土壤的承載性能。

工業(yè)廢渣土壤固化劑改良土工法原理如下：

①物相水化作用

硅酸三鈣：2 C3S+6 H2O→C3S2H3+3 CH

硅酸二鈣：2 C2S+4H2O→C3S2H3+CH

鋁酸三鈣：C3A+6 H2O→C3AH6

鐵鋁酸四鈣：C4AF+7 H2O→C4AFH7

②協(xié)同水化作用

3C3A+3CaSO4+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32 H2O

③離子交換作用

Ca2+→ Na+、H+、K+

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

3.1.1 試驗(yàn)用土。某高速公路全長148.841 km，地質(zhì)情況復(fù)雜;路基填筑取土多在坑塘等地勢低洼處，土壤天然含水量大，塑性指數(shù)高，為黏性土質(zhì)，且部分為弱膨脹土。為滿足設(shè)計(jì)要求和加快施工進(jìn)度，采用改良劑進(jìn)行處治，提高填土承載比值（CBR），并使黏質(zhì)土砂化，降低其液塑限，以便于施工。該高速項(xiàng)目1～7標(biāo)路基用土土質(zhì)類型為低液限土，其基本參數(shù)如表1所示。

3.1.2 工業(yè)固廢土壤固化劑。路床80 cm范圍內(nèi)摻水泥或固化劑處治，其中路床上部40 cm摻4%水泥或4%固化劑，路床下部40 cm摻3%水泥或3%固化劑。水泥及固化劑的劑量為參考劑量，具體劑量根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定，要求摻水泥、固化劑處治后路床上部40 cm填料的承載比值（CBR）不小于8%，路床下部40 cm填料CBR值不小于5%，漲縮總率均小于0.7%。

工業(yè)固廢土壤固化劑主要由粉煤灰、尾礦、礦渣等工業(yè)廢渣，經(jīng)研磨加工而成。根據(jù)基土的類型和性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)整配比，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與成本分析，選用最適宜的配比和摻和量。工業(yè)廢渣土壤固化劑主要技術(shù)指標(biāo)見表2，工業(yè)廢渣土壤固化劑改良土的主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

3.2 試驗(yàn)過程

3.2.1 工業(yè)廢渣土壤固化劑生產(chǎn)工藝。首先，將粉煤灰、尾礦、礦渣等原材料按照一定比例混合并烘干至含水率小于5%，然后，研磨至規(guī)定細(xì)度，即可得到工業(yè)廢渣土壤固化劑。

3.2.2 室內(nèi)試驗(yàn)研究。分別利用消石灰、P. F 32.5水泥以及工業(yè)廢渣作為固化劑對該高速1～7標(biāo)路基土進(jìn)行改良，并對改良土進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為道路材料的控制條件，是土體力學(xué)性質(zhì)主要參考指標(biāo)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度能有效評(píng)價(jià)土在抵抗軸向壓力時(shí)的極限強(qiáng)度。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）中規(guī)定的方法，對土樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所需試樣一般通過靜壓法或擊實(shí)法制取。凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)是按照規(guī)范中的試驗(yàn)方法測定土壤固化劑初凝與終凝時(shí)間。

4 結(jié)果分析

針對該高速項(xiàng)目的路基土固化劑主要選取消石灰與工業(yè)廢渣，改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)如表4所示。由表4可知，該高速1～7標(biāo)路基土均為低液限黏土，2、7標(biāo)用土為弱膨脹土，工業(yè)廢渣土壤固化劑改良土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于消石灰改良土，說明工業(yè)廢渣土壤固化劑對弱膨脹土的固化效果要好于消石灰;改良材料對不同土質(zhì)類型的固化效果有所差異，但同種土相同摻和量時(shí)，工業(yè)廢渣土壤固化劑改良土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于石灰改良土;1～3標(biāo)改良土數(shù)據(jù)對比可知，3%摻和量的工業(yè)廢渣土壤固化劑穩(wěn)定土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于4%摻和量的石灰穩(wěn)定土強(qiáng)度。

對該高速項(xiàng)目7標(biāo)用弱膨脹土分別摻和P. F 32.5的水泥和工業(yè)廢渣，其試驗(yàn)結(jié)果如表5和表6所示。由表5和表6可知，對該項(xiàng)目7標(biāo)的弱膨脹土采用摻和量為3%、4%水泥改良，無論立即成型，還是延遲4 h、8 h、24 h成型，經(jīng)過6 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后泡水1 d，試件均被泡散，不能進(jìn)行強(qiáng)度檢測。表明此P.F 32.5不能有效固結(jié)該土，不能形成穩(wěn)定的具有耐水性的固化體。摻和量為4%的工業(yè)廢渣土壤固化劑立即成型的固化土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.0 MPa，延遲4 h的達(dá)到 1.13 MPa，延遲8 h的為 1.23 MPa，延遲24 h的為1.27 MPa。說明延遲成型時(shí)間在24 h內(nèi)，對固化劑改良土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度沒有不良影響，可以證實(shí)固化劑改良土從拌和到碾壓的施工過程控制在24 h內(nèi)，對最終強(qiáng)度沒有不良影響，這對施工工藝的改良及施工質(zhì)量的控制十分有利。

5 結(jié)論

筆者分析評(píng)價(jià)工業(yè)廢渣、消石灰和P. F 32.5水泥土壤固化劑對低液限黏土的改良效果，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)，選取合理摻和量的固化劑，得到的結(jié)論如下。

①同等摻和量的工業(yè)廢渣與消石灰作為低液限黏土固化劑時(shí)，工業(yè)廢渣改良土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于消石灰改良土，3%摻和量的工業(yè)廢渣土壤固化劑改良土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于4%摻和量的石灰改良土強(qiáng)度，說明工業(yè)廢渣土壤固化劑對弱膨脹土的固化效果要好于消石灰。

②摻和量為3%和4%的P. F 32.5水泥改良土不可進(jìn)行強(qiáng)度檢測，因此P. F 32.5水泥不適用于低液限黏土的固化劑。

③4%摻和量工業(yè)廢渣土壤固化改良土延遲4 h的強(qiáng)度達(dá)到1.13 MPa，延遲8 h的強(qiáng)度為 1.23 MPa，延遲24 h的強(qiáng)度為1.27 MPa。因此，工業(yè)廢渣固化劑對改良土在延遲成型24 h內(nèi)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度沒有不良影響，即對改良土的最終強(qiáng)度無不良影響，有利于施工工藝的改良及施工質(zhì)量的控制。

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收稿日期：2021-12-05

作者簡介：王瓊（1989—），男，本科，工程師，研究方向：道路與橋梁施工。

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