國內(nèi)流態(tài)固化土的研究與應(yīng)用進(jìn)展

劉帥，徐玉飛，詹進(jìn)生，王曉麗

（中國建筑第八工程局有限公司西南分公司，四川 成都 610041）

0 引言

在公路、機(jī)場、港口、城市建設(shè)等各類建筑工程地基施工過程中，每年被挖出的工程渣土、泥土、淤泥數(shù)量達(dá)到幾十億m3，其中絕大部分被視為棄土而被直接堆放填埋處理[1]，只有少部分制作成需要的半成品，用于現(xiàn)場使用，如三角砌體、預(yù)制過梁、臨時(shí)工程砌體等，導(dǎo)致大量的土地資源浪費(fèi)，并且在廢棄填埋過程中也容易再次對環(huán)境造成污染[2]。隨著城鄉(xiāng)建設(shè)的不斷發(fā)展，工程棄土的回收利用已經(jīng)成為建設(shè)工程基礎(chǔ)施工過程亟待解決的問題。近年來，關(guān)于工程棄土的回收利用，研究最多的是在土中摻入固化劑和水制備流態(tài)固化土。在固化前，該材料呈現(xiàn)流體狀態(tài)，施工時(shí)無需振搗或只需輕微振搗，固化后成為具有一定強(qiáng)度、低滲透性、水穩(wěn)定性、可保持長期穩(wěn)定的新型巖土工程材料[3]。針對該流態(tài)固化土的研究和應(yīng)用已受到了國內(nèi)研究人員的廣泛關(guān)注。

1 流態(tài)固化土的研究狀況

流態(tài)固化土所采用的土料為當(dāng)?shù)氐膸r土、壤土和開挖的槽土，也可以采用雜填土、建筑廢棄物細(xì)顆粒、工程泥漿、淤泥、尾礦等。所采用固化劑是以CaO、活性Al2O3和SiO2為主要成分，同時(shí)添加具有改善土顆粒表面性能的功能性添加劑和活性激發(fā)劑制成的功能性復(fù)合膠凝材料。此外，根據(jù)固化土的拌合物工作性能可適當(dāng)添加相應(yīng)的外加劑。由于土料種類較多，需要摻入與其性質(zhì)相匹配的專用特殊固化劑，增大了流態(tài)固化土的配合比設(shè)計(jì)難度。因此，基于流態(tài)固化土各組成配比與性能之間的關(guān)系，學(xué)者們采用不同的固化劑對不同土料的固化處理進(jìn)行了相關(guān)研究。

馮忠明[4]采用水泥、粉煤灰和磷石膏組成的復(fù)合型固化劑對海底疏浚淤泥進(jìn)行固化處理，研究了固化劑摻量及組成比對流態(tài)固化土流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥與泥漿和粉煤灰與水泥的比值分別為0.09~0.16和0.35~0.80時(shí)，流態(tài)固化土的初始流動(dòng)度為270~360 mm，且隨著放置時(shí)間的延長而減小，3 h流動(dòng)度減小至180~240 mm；當(dāng)固化劑組成中的水泥含量增加時(shí)，流態(tài)固化土的強(qiáng)度明顯提高，粉煤灰可提高后期強(qiáng)度。當(dāng)水泥與泥漿的比值為0.16、粉煤灰、石膏與水泥的比值分別為0.35、0.05時(shí)，流態(tài)固化土的流動(dòng)度可達(dá)320 mm，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.4 MPa。

杜衍慶等[5]采用水泥基類粉末固化劑對吹填淤泥土進(jìn)行固化處理，研究了固化劑摻量和淤泥土濕密度對流態(tài)固化土坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，隨著固化劑摻量和淤泥土濕密度的增加，流態(tài)固化土的坍落度減小。當(dāng)濕密度為1.40 g/cm3、固化劑摻量為9%時(shí)，坍落度可達(dá)到160 mm、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到0.4 MPa，可用于次支路路堤層。

劉成龍[6]采用復(fù)合摻和料-激發(fā)劑摻配方式將礦渣水泥與固化劑復(fù)合，對以黏土和砂土為主的工程棄土進(jìn)行固化處理，研究復(fù)合組成質(zhì)量比和水灰比對流態(tài)固化土的坍落度和強(qiáng)度影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)V渣水泥與固化劑的質(zhì)量比和水灰比均為2∶1時(shí)，固化土的坍落度可達(dá)到200 mm，且當(dāng)固化劑摻量占土的10%時(shí)，流態(tài)固化土的7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)1.1、2.4 MPa。該流態(tài)固化土完全滿足已裝配管節(jié)背后肥槽回填施工要求，為城市地下綜合管廊的快速回填提供了參考。

王繼忠和張連喜[7]利用不同性質(zhì)的工程棄土進(jìn)行流態(tài)固化土的配合比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在粉質(zhì)黏土中添加8%活性硅鋁物質(zhì)（高溫煅燒的硅酸鹽礦物熟料）、2%激發(fā)劑（硫鋁酸鹽和氫氧化鈣的混合物）以及15%水，得到坍落度為180 mm、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.05 MPa的流態(tài)固化土；在以粉質(zhì)黏土和砂土為主的工程棄土中添加20%活性硅鋁物質(zhì)（經(jīng)高溫煅燒的硅酸鹽礦物熟料、磨細(xì)煤矸石與粉煤灰混合物）、4%激發(fā)劑（硫鋁酸鹽）、7%晶化誘導(dǎo)劑（超細(xì)碳酸鈣粉）、1%分散劑（萘磺酸鹽甲醛縮合物）、2%微膨脹劑（氧化鎂和氧化鈣混合物）以及15%水，得到坍落度為180 mm、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為9.43 MPa的流態(tài)固化土。在以淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土為主的工程棄土中添加20%活性硅鋁物質(zhì)（經(jīng)高溫煅燒的硅酸鹽礦物熟料與粉煤灰混合）、4%激發(fā)劑（硫鋁酸鹽、石膏、硫酸鈉與水玻璃的混合物）、4%晶化誘導(dǎo)劑（超細(xì)碳酸鈣粉）、1%微膨脹劑（氧化鈣）、8.5%砂、0.5%化學(xué)纖維和8%水，得到坍落度為200 mm、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為7.93 MPa的流態(tài)固化土。此外，在上述相應(yīng)的工程棄土中添加20%~30%發(fā)泡劑[8]和建筑垃圾再生粉[9]也得到高坍落度和高強(qiáng)度的流態(tài)固化土。

陳容華和甄朋民[10]通過水泥、粉煤灰和生石灰組成的復(fù)合固化劑對粉質(zhì)黏土進(jìn)行固化處理，研究了固化劑組成對流態(tài)固化土性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入占固化土總質(zhì)量5%的水泥、50%的粉煤灰、10%的生石灰和16%的水時(shí)，可得到滿足回填要求的流態(tài)固化土，其坍落度大于200 mm、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.45 MPa。

中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司[11]利用弱鹽漬土進(jìn)行流態(tài)固化土配合比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在20份弱鹽漬土中摻入7份粉煤灰陶砂、7份水、2.5份火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、0.5份Ⅱ級(jí)粉煤灰以及0.01份復(fù)合早強(qiáng)劑時(shí)，可得到流動(dòng)度為200 mm、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.525 MPa的流態(tài)固化土。河海大學(xué)[12]在含水率為45%的廢棄軟土中摻入11.5%的P·O32.5水泥，并加水至拌合物含水率為65%，可獲得流動(dòng)度為200~250 mm、7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.5 MPa的流態(tài)固化土。

中建材中巖科技有限公司[13]在土中摻入灰土比為0.07的復(fù)合固化劑，再按水土比為0.35加入水制備了擴(kuò)展度為580 mm、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5.22 MPa的高流態(tài)固化土。其復(fù)合固化劑的原料組成為普通硅酸鹽水泥25%、礦粉20%、鋼渣5%、粉煤灰21%、膨脹劑10%、硅酸鈉6%、聚羧酸系聚合物2%、疏水型納米氧化硅4%、六偏磷酸鈉4%、烷基二甲基芐銨氯化銨3%。

易富等[14]提出稻殼灰聯(lián)合地聚物固化工程渣土形成流態(tài)稻殼灰-地聚物固化土，研究了稻殼灰的摻量對固化土流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在含水率30%的土樣中，保持占干土質(zhì)量10%的地聚物（水泥、粉煤灰、礦渣粉、堿激發(fā)劑以2∶5∶3∶1混合）摻量不變，摻入占地聚物0~15%的稻殼灰時(shí)，固化土的流動(dòng)度從280 mm減小到210 mm，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可從1.45 MPa提高到3.01 MPa，可滿足綠色環(huán)保新型流態(tài)固化土在狹窄肥槽回填等工程問題中的應(yīng)用要求。

王藝程[15]采用水泥和粉煤灰組成的固化劑分別對低液限粉土、含砂低液限粉土、低液限黏土和細(xì)砂進(jìn)行固化試驗(yàn)，研究了水固比（水與固體材料之比）和灰土比（固化劑與土料之比）對流態(tài)固化土的流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同土料制備具有高流動(dòng)度（≥200 mm）的流態(tài)固化土所需水固比不同，但變化規(guī)律一致，即隨著水固比的增大流態(tài)固化土的流動(dòng)性增大；當(dāng)固化劑中的粉煤灰含量增加時(shí)，固化土的流動(dòng)度也隨之增大，但7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先提高后下降的趨勢，說明粉煤灰在固化劑中的占比存在最佳值。另外，在保持水泥和粉煤灰占比不變的情況下，外摻ZL型土壤固化劑（高分子液態(tài)有機(jī)物）可以使流態(tài)固化土在維持流動(dòng)度不變時(shí)進(jìn)一步提高抗壓強(qiáng)度。因此，根據(jù)工程巖土性質(zhì)、施工和性能要求，可以通過調(diào)整水固比、灰土比以及固化劑的種類來滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

2 流態(tài)固化土的優(yōu)勢

2.1 性能優(yōu)勢

隨著城鄉(xiāng)建設(shè)的不斷發(fā)展，工程建設(shè)日新月異，施工技術(shù)也在不斷提升。然而，在各類工程基槽回填施工過程中，仍然存在空間狹小、回填深度較大、異形空間、材料運(yùn)輸難、回填質(zhì)量要求高、施工速度慢等難題。在傳統(tǒng)的回填材料中，素土、級(jí)配碎石以及灰土的流動(dòng)性差，很難填實(shí)狹窄和異性空間，同時(shí)對回填施工的夯實(shí)水平要求高、回填工期較長、回填的質(zhì)量難以控制。而素混凝土雖然強(qiáng)度和耐久性更好，但是造價(jià)高，也存在流動(dòng)性差，難以回填異性狹窄空間。因此，采用常規(guī)的回填材料及其相應(yīng)的施工方法已經(jīng)難以解決這些問題。

通過上述研究人員對流態(tài)固化土的研究狀況可以發(fā)現(xiàn)，將流態(tài)固化土作為回填材料使用將具有巨大優(yōu)勢，可以解決采用傳統(tǒng)回填材料時(shí)所存在的對土質(zhì)量要求高、狹小工作面施工困難、夯實(shí)質(zhì)量不穩(wěn)定、與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)界面結(jié)合不好、干法施工無法保證遇水后發(fā)生沉陷等問題。其與傳統(tǒng)回填材料的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示[16-20]。

表1 不同回填材料的優(yōu)缺點(diǎn)對比

2.2 生態(tài)環(huán)保優(yōu)勢

流態(tài)固化土所用80%~90%的主材料土是渣土、泥土、泥漿、淤泥等建設(shè)工程棄土，所用的固化劑（復(fù)合膠凝材料）主要是冶煉礦渣、燃煤副產(chǎn)品、焚燒的飛灰和爐渣等工業(yè)廢渣。將這些工程棄土和工業(yè)廢渣回收充分利用后，可消除它們的排放對環(huán)境的污染。相比于級(jí)配碎石、灰土和素混凝土，流態(tài)固化土的使用可減少開山采石挖砂，有效節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。同時(shí)流態(tài)固化土也是一種無毒、無污染、可再生的環(huán)境友好型材料，能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢

由于流態(tài)固化土采用就地取材，減少工程棄土運(yùn)輸和填埋處理的費(fèi)用，同時(shí)所用的固化劑可以通過回收的工業(yè)廢渣（粉煤灰、高爐礦渣、稻殼灰等）來代替水泥，并降低材料成本。為了準(zhǔn)確了解流態(tài)固化土作為回填材料的市場價(jià)格，本研究收集了成都地區(qū)部分建設(shè)工程項(xiàng)目對基坑回填材料集中采集的進(jìn)場價(jià)格數(shù)據(jù)，并在表2中進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)只有能夠直接傾倒回填的流態(tài)固化土不需要人工或機(jī)械夯實(shí)所帶來的勞務(wù)費(fèi)，但是其市場價(jià)格仍然僅次于素混凝土和泡沫混凝土。主要原因在于這種新型流態(tài)固化土材料剛起步，制備工藝和技術(shù)不完善，生產(chǎn)企業(yè)少，前期投入大，運(yùn)距產(chǎn)生的費(fèi)用高等，阻礙了其市場價(jià)格競爭優(yōu)勢。單從材料成本核算，流態(tài)固化土只有60~80元/m3，具有極大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。因此，建議生產(chǎn)企業(yè)或施工單位就地建立攪拌站，減少運(yùn)距所產(chǎn)生的費(fèi)用，并根據(jù)施工現(xiàn)場的土料進(jìn)行流態(tài)固化土的工藝技術(shù)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對工程棄土的自產(chǎn)自銷，可大幅度降低成本。

表2 不同回填材料價(jià)格對比

3 流態(tài)固化土的工程應(yīng)用

在建設(shè)工程基礎(chǔ)施工時(shí)，將土從地下挖出后，經(jīng)過地面機(jī)械預(yù)拌，形成具有良好流動(dòng)性的預(yù)拌流態(tài)固化土漿，并固化成具有一定承載能力的固化土。因此，可將其應(yīng)用在諸多建設(shè)工程的地基處理中。

（1）可將其灌入或壓入孔中形成預(yù)拌流態(tài)固化土樁。張旭光[21]基于北京城市副中心地區(qū)的巖土特性對長螺旋鉆孔壓灌流態(tài)固化土樁復(fù)合地基的工作性狀和作用機(jī)理進(jìn)行了研究，并建立了一整套長螺旋壓灌流態(tài)固化土的施工工藝。

（2）管廊、建筑等基槽回填。王晉等[22]基于成都市龍泉驛區(qū)中醫(yī)醫(yī)院遷建項(xiàng)目研究了自密實(shí)流態(tài)固化土在異性基槽結(jié)構(gòu)回填工程中的應(yīng)用，并提出了流態(tài)固化土的施工原理和施工方法。張超和王立根[23]與劉旭東[24]在道路下方綜合管廊的基槽回填施工過程中，采用流態(tài)固化土回填施工技術(shù)，解決了施工難度大、回填工期長、回填質(zhì)量難控制等狹窄和異形基槽回填問題。

（3）市政道路或施工道路的基層材料。杜衍慶等[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)探討道路用流態(tài)固化土的基本性質(zhì)，提出針對不同工程部位的流態(tài)固化土設(shè)計(jì)指標(biāo)，并通過澆筑試驗(yàn)路段驗(yàn)證了流態(tài)固化土用于路基的可行性。

（4）深基坑回填。王麗筠等[25]基于具有開挖深度為16.25 m的首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院東院工程項(xiàng)目研究了流態(tài)固化土在深基坑回填工程中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)采用流態(tài)固化土回填可以加快施工進(jìn)度，縮短施工周期，使質(zhì)量穩(wěn)定無污染，并減小了安全隱患。

（5）礦坑、溶洞和地下采空區(qū)的回填。帥文杰和龐家偉[26]基于廣州市白云區(qū)擬建項(xiàng)目研究了流態(tài)固化土用于樁基施工前的溶洞預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)流態(tài)固化土可以有效解決傳統(tǒng)溶洞預(yù)處理成本高且不環(huán)保等問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

根據(jù)T/BGEA 001—2019《預(yù)拌流態(tài)固化土填筑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和DBJ 51/T 188—2022《預(yù)拌流態(tài)固化土工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，流態(tài)固化土在不同工程中應(yīng)用所對應(yīng)的性能要求見表3。

表3 流態(tài)固化土的工程應(yīng)用及相關(guān)性能要求

4 存在的問題

目前適合測試流態(tài)固化土拌合物工作性的指標(biāo)為流動(dòng)度，被學(xué)者們定義為：流態(tài)固化土拌合物從特定的測試筒中坍落后擴(kuò)展形成餅狀物的直徑。然而，用于測試該流動(dòng)度的測試筒的類型和尺寸國內(nèi)還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一要求，致使許多研究人員所采用的測試筒存在差異。例如，有的研究人員采用美國ASTM所用的空心圓柱筒，其直徑為76 mm、高度為150 mm；也有一些研究人員采用日本道路公團(tuán)所用的空心亞克力玻璃圓筒，其內(nèi)徑和高度均為80 mm；還有一部分研究人員和相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)采用上部內(nèi)徑100 mm、下部內(nèi)徑200 mm、高度300 mm的混凝土坍落度用截錐筒[27-29]。對于同一種流態(tài)固化土拌合物分別采用上述3種測試筒測試的流動(dòng)度是不同的，無法進(jìn)行比較。因此，相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)行業(yè)需要，進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以推動(dòng)流態(tài)固化土在建設(shè)工程中的應(yīng)用。

5 結(jié)語及展望

流態(tài)固化土拌合物具有良好的流動(dòng)性和自密性，施工周期短，且固化的早期強(qiáng)度較高、抗?jié)B性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于建設(shè)工程的基礎(chǔ)施工。因其就地取材，可消納工程棄土，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。另外，由于固化劑的種類與土料性質(zhì)密切相關(guān)，而不同地區(qū)巖土性質(zhì)不同，導(dǎo)致所用固化劑難以統(tǒng)一匹配。因此，未來亟需從材料體系、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系、作業(yè)和性能要求等多個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步系統(tǒng)研究具有共性的高性能固化劑、優(yōu)化流態(tài)固化土制備與施工成套設(shè)備以及制定質(zhì)量控制方法和標(biāo)準(zhǔn)化，以進(jìn)一步推動(dòng)該項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。