地聚合物改良淤泥質(zhì)土試驗(yàn)研究

李凌志

(溫州市高速公路投資有限公司，浙江 溫州 325000)

0 前 言

在公路建設(shè)中，路基填料的要求是極為嚴(yán)格的。而對于不同的公路等級，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)也會有所不同，需要選用優(yōu)質(zhì)的路基填料。作為傳統(tǒng)路基填料的宕渣，由于政府加強(qiáng)了開山采石的限制，因此可供開采的宕渣量越來越小，料源日益緊缺。如今使用水泥、石灰等材料對淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行加固處理，可以有效地提高土體強(qiáng)度并投入實(shí)際工程中使用，但是作為主要固化材料的硅酸鹽水泥，其在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的溫室氣體，對環(huán)境影響較大。地聚合物固化劑具有強(qiáng)度高的同時，在制造過程中能耗和三廢排放量都較低，是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保材料，完全符合當(dāng)下“雙碳”政策[1-2]。同時地聚合物固化對象是工程建設(shè)每年產(chǎn)生的廢棄土，為廢棄土的資源化再生利用提供條件，在降低環(huán)境污染的同時解決了優(yōu)質(zhì)路基填料需求不足的問題[3]。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原狀土基本物理性質(zhì)

本工程廢棄土為溫州某地鉆渣，土體成分復(fù)雜，對本項(xiàng)目鉆渣進(jìn)行了分批采樣，共采集5組原狀土，對其開展基本物理特性試驗(yàn)，其物理指標(biāo)如表1所示。

表1 原狀土基本物理性質(zhì)

由表1可知，其液限小于50%，塑性指數(shù)<26?？蓪ζ溥M(jìn)行填料化改良，用于路堤填筑。

1.2 試驗(yàn)方案

因待利用的廢棄土天然含水量遠(yuǎn)高于最優(yōu)含水量，需要先降水再添加固化材料。同時，由于天然條件下晾曬降水難度大，因此擬通過二次加灰的工藝實(shí)現(xiàn)廢棄土填料化改良：①一次摻灰，通過添加減水材料，實(shí)現(xiàn)高含水率廢棄土的減水，同時實(shí)現(xiàn)淤泥的“砂化”，增加減水速率；②二次摻灰，待含水率降至可機(jī)械拌合狀態(tài)后，添加固化劑，增加填料改良土的強(qiáng)度及水穩(wěn)定性[4]。

基于上述工藝思路，開展配合比的試驗(yàn)，其試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 配合比設(shè)計(jì)思路圖

2 石灰降水與固化劑配比研究

2.1 石灰降水規(guī)律

為了驗(yàn)證不同含水率下廢棄土減水效果，配置了45%、50%、55%、60%含水率的淤泥土。采用3%石灰降水，開展了試驗(yàn)，降水規(guī)律如圖2所示。

圖2 土體含水率隨齡期變化曲線(室內(nèi)試驗(yàn))

由圖2可知，初始含水率45%的淤泥土3 d可以降至含水率27%，基本滿足機(jī)械拌合的含水率需求，而初始含水率50%的淤泥土3 d降到含水率35%，降到含水率25%需要7 d。

由于室內(nèi)為無風(fēng)條件，與實(shí)際情況有所區(qū)別，依托實(shí)際土源開展了現(xiàn)場拌灰后的含水率測試。其結(jié)果如圖3所示。

圖3 土體含水率隨齡期變化曲線(現(xiàn)場試驗(yàn))

由圖3可知，初始含水率40%～50%，摻灰3%，室內(nèi)降水較慢，但室外配合挖機(jī)翻曬，經(jīng)過2～4 d，含水率可降至24%～27%，滿足機(jī)械拌合的含水率需求。因此確定摻入石灰量為3%，翻曬時間為2～4 d(與天氣因素關(guān)系較大)。

2.2 固化劑選型

地聚合物是一種無機(jī)聚合物材料，從空間結(jié)構(gòu)和性能來看，它是一種三維非晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高性能無機(jī)膠凝材料。地聚合物的早期強(qiáng)度高，耐久性較好。同時，該類固化劑是以大宗無害工業(yè)廢棄物為主要材料，通過添加堿激發(fā)劑實(shí)現(xiàn)地聚合物的生產(chǎn)。本試驗(yàn)以礦渣、粉煤灰為原料，堿渣作為堿激發(fā)劑提供堿性環(huán)境[5-6]。根據(jù)不同配合比配制了3種不同的固化劑，分別命名為固化劑1、固化劑2及固化劑3，材料配比如表2所示。

表2 固化劑材料配比

固化劑種類選取試驗(yàn)：選擇了三類固化劑進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)如表3～5所示。

表3 固化劑1改良淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)表

表4 固化劑2改良淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)表

表5 固化劑3改良淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)表

對表3～5進(jìn)行分析，固化劑1和固化劑2前期強(qiáng)度較高，但后期強(qiáng)度增長較緩慢，其水穩(wěn)系數(shù)均小于0.6。固化劑3前期強(qiáng)度相對較小，但強(qiáng)度增長較均勻，也已經(jīng)超出路基設(shè)計(jì)規(guī)范中CBR要求，特別是水穩(wěn)系數(shù)均大于0.8，已經(jīng)滿足《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 286—2018)中路基基層的水穩(wěn)性要求，綜合考慮采用固化劑3方案。

2.3 固化劑配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合上述減水試驗(yàn)與室內(nèi)配比試驗(yàn)的成果，同時考慮到試驗(yàn)段有部分石粉需要消納，因此試驗(yàn)段在此基礎(chǔ)上增加了3%的石粉，建議開展廢棄土路用配比為：①3%石灰+3%石粉+2%固化劑3；②3%石灰+3%石粉+3%固化劑3；③3%石灰+3%石粉+4%固化劑3。其結(jié)果如表6所示。

表6 不同固化劑摻量下7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

由表6可知，摻入3%、4%固化劑的固化土水穩(wěn)定系數(shù)均大于0.8，且相對于摻入3%固化劑，摻入4%固化劑對強(qiáng)度提升并不大，考慮工程成本，最終確定3%石灰+3%石粉+3%固化劑作為最終配比。

2.4 淤泥改良土路用試驗(yàn)

對確定開展配比的類型，開展了擊實(shí)試驗(yàn)，確定固化劑作用下最優(yōu)含水率為22%及最大干密度1.64 g/cm3。在上述推薦配比下，開展了不同壓實(shí)度(94/96/100)下的CBR試驗(yàn)，由于試驗(yàn)土樣為改良土，需要固化齡期，因此本次試驗(yàn)獲得的CBR值為7 d齡期(3 d養(yǎng)護(hù)+4 d浸水)的結(jié)果，結(jié)果如表7所示。

表7 原狀土加結(jié)合料3d(養(yǎng)護(hù))+4d(浸水)CBR試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，壓實(shí)度94%的CBR為30.3，96%的CBR為40.2，滿足規(guī)范中的上路床CBR不小于8要求。

3 結(jié) 論

1)室內(nèi)室外兩種不同情況下，含水率降至滿足機(jī)械拌合需求所需時間不同。且對于初始含水率40%～50%淤泥質(zhì)土，摻灰3%，室內(nèi)降水較慢，而室外配合挖機(jī)翻曬，經(jīng)過2～4 d，含水率可降至24%～27%。

2)固化劑3的前期強(qiáng)度雖然相對較小，但強(qiáng)度增長較均勻，滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范中CBR要求以及水穩(wěn)性的要求。

3)在保證強(qiáng)度符合要求前提下，考慮工程造價(jià)，3%石灰+3%石粉+3%固化劑3的配比最為合適。

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