鉆孔灌注樁廢棄泥漿及鉆渣制備邊坡砌塊施工技術(shù)應(yīng)用

黃紅峰

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

公路橋梁施工中，鉆孔灌注樁施工技術(shù)憑借著低成本、高機(jī)械化、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，得到日益廣泛的應(yīng)用。但是，鉆孔灌注樁的施工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿及鉆渣，會(huì)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)及周邊的環(huán)境造成一定的影響。目前，施工單位對(duì)鉆孔灌注樁的廢棄泥漿及鉆渣通常采用微生物降解有害物質(zhì)、用作路基填料、加入固化劑固化分離等方式進(jìn)行處理。上述方法均只是將廢棄泥漿及鉆渣中的有害物質(zhì)去除，然后進(jìn)行分離處理［1-4］，未能有效地對(duì)其進(jìn)行二次利用。我國(guó)學(xué)者針對(duì)公路施工期對(duì)鉆孔灌注樁廢棄泥漿及鉆渣再利用的研究不夠豐富［5-8］，極少考慮將廢棄泥漿及鉆渣作為施工原材料，重新將這些工程廢棄材料應(yīng)用于實(shí)際施工中。邢樹偉［9］在淡水泥漿無(wú)害化處理方面提出加入高價(jià)金屬離子使膠體粒子逐漸形成沉淀物質(zhì)并析出，在析出過程中吸附其他固體物質(zhì)，一同聚沉，進(jìn)而將有害物質(zhì)從廢棄泥漿中全部去除，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院在京滬高速鐵路項(xiàng)目中研制出TKY-N01 型泥漿處理設(shè)備，該設(shè)備僅需使用振動(dòng)篩，在塑性地層鉆進(jìn)時(shí)，開啟水力旋流除泥器，鉆孔攜帶的泥漿直接進(jìn)入設(shè)備，經(jīng)去除鉆渣的泥漿后再回到鉆孔繼續(xù)使用［10］。

某公路工程位于國(guó)家森林公園自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，并且標(biāo)段內(nèi)有3 處二級(jí)水源保護(hù)地，生態(tài)環(huán)境脆弱。本文以該項(xiàng)目為研究對(duì)象，以其施工過程中產(chǎn)生的廢棄泥漿及鉆渣為原材料，通過試驗(yàn)獲得其最佳配合比，用于制備混凝土，為現(xiàn)場(chǎng)施工尋求切實(shí)有效的再利用技術(shù)。本文的研究應(yīng)用對(duì)于保護(hù)我國(guó)生態(tài)安全和建設(shè)國(guó)家生態(tài)安全屏障具有重要意義。

1 基本物理量試驗(yàn)測(cè)定

1.1 X射線衍射試驗(yàn)方法

物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析盡管可以采用中子衍射、電子衍射、紅外光譜、穆斯堡爾譜等方法，但X 射線衍射是目前最有效、應(yīng)用最廣泛的手段，具有無(wú)損試樣的優(yōu)點(diǎn)［11］，其工作原理是當(dāng)一束單色的X 射線入射待檢測(cè)晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列組成的，這些規(guī)則排列的原子間的距離與入射X 射線波長(zhǎng)有相同的數(shù)量級(jí)，因此不同原子散射的X 射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X 射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

1.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

首先，將從項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)取回的廢棄泥漿、砂及鉆渣等樣本進(jìn)行烘干、研磨，使用0.075 mm 的篩網(wǎng)對(duì)研磨后的樣本進(jìn)行篩分（X射線衍射只能對(duì)小粒徑顆粒進(jìn)行微觀試驗(yàn)）；其次，對(duì)篩分后的直徑小于0.075 mm的樣品通過X射線衍射儀進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)得到的XDR 圖像進(jìn)行分析，并確定取回的現(xiàn)場(chǎng)樣本的化學(xué)成分及其物質(zhì)含量。

通過X射線衍射儀分析，得到現(xiàn)場(chǎng)樣本的成分及其比重如下：Na（AlSi3O8）占10.1%，K（Al4Si2O9（OH）3）占16.8%，SiO2占17.2%，Al4（OH）8（SiO10）占7.2%，Ca（CO3）占48%。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)項(xiàng)目提供的環(huán)境影響報(bào)告書，研究人員了解到現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)一般采用黏土原土造漿；在較厚的砂層中鉆進(jìn)時(shí)，通常采用膨脹土制備泥漿或在孔中投入黏土造漿。為使泥漿具備較好的工作性能，可以適當(dāng)摻加碳酸鈉等分散劑，起摻量為加水量的0.5%左右。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)泥漿環(huán)評(píng)報(bào)告數(shù)據(jù)見表1。

表1 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)泥漿環(huán)評(píng)報(bào)告數(shù)據(jù)

根據(jù)X 射線衍射試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)評(píng)報(bào)告得出：廢棄泥漿及鉆渣的固體顆粒成分中無(wú)有毒成分，也不存在重金屬離子，即不會(huì)因重金屬離子導(dǎo)致?lián)饺霃U棄泥漿的混凝土構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生重金屬離子腐蝕導(dǎo)致的破壞病害，所以將廢棄泥漿及鉆渣進(jìn)行無(wú)害化利用是可行的。此外，根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)環(huán)評(píng)報(bào)告可以確定，施工產(chǎn)生的廢棄泥漿及鉆渣的物理參數(shù)較一般土顆粒差別不大，可以考慮將廢棄泥漿及鉆渣摻入混凝土中，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的無(wú)害化利用。

2 廢棄泥漿及鉆渣特性研究分析

2.1 廢棄泥漿及鉆渣混合物密度試驗(yàn)

將從現(xiàn)場(chǎng)取樣取得的廢棄泥漿，分組稱取1 kg的4 組材料，測(cè)定每組材料混合后的體積。將泥漿和鉆渣分別按照4∶6、5∶5、6∶4 和7∶3 的質(zhì)量比例進(jìn)行混合。根據(jù)密度公式r=m/v得到不同比例的混合物的密度（見表2）。

表2 不同比例混合物的密度

2.2 鉆渣密度試驗(yàn)

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）［12］，使用蠟封法測(cè)量試樣的密度，蠟封法密度試驗(yàn)記錄見表3。

表3 蠟封法密度試驗(yàn)記錄表

對(duì)所得結(jié)果取均值，可得鉆渣的密度為ρ=2.09 g/cm3。

2.3 泥漿的相對(duì)密度試驗(yàn)

按照《公路橋涵施工規(guī)范》（HTG/T F50—2011）［13］的操作規(guī)范，從現(xiàn)場(chǎng)泥漿池中選取2 桶泥漿試樣，由于泥漿池中部分泥漿發(fā)生沉降，因此對(duì)2桶泥漿分別進(jìn)行密度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 泥漿相對(duì)密度試驗(yàn)

表4 中的1～3 組試樣取自第1 桶泥漿，4～6 組試樣取自第2 桶泥漿，求出二者平均值，得到泥漿密度為ρ=1.30 g/cm3。

考慮廢棄泥漿及鉆渣的含水率較高，可以作為混凝土制備中所需水的一部分。在制備混凝土?xí)r，細(xì)骨料的密度一般為2.7 g/cm3，上述結(jié)果都遠(yuǎn)低于該密度，因此考慮將廢棄泥漿及鉆渣的混合物作為一部分細(xì)骨料和水，參與混凝土拌制。

3 廢棄泥漿及鉆渣研發(fā)護(hù)坡砌塊的技術(shù)研究

3.1 室內(nèi)試塊制備及試驗(yàn)

根據(jù)項(xiàng)目要求，邊坡骨架所需砌塊應(yīng)滿足C25抗壓強(qiáng)度要求，故設(shè)置一組空白對(duì)照組，對(duì)照組按照標(biāo)準(zhǔn)C25 混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)，其配比為水泥∶水∶石子∶砂子=1∶0.55∶1.76∶3.3，隨后將廢棄泥漿及鉆渣摻入混凝土中。

（1）將空白組中的砂子全部替換為鉆渣。將空白組中的砂子全部替換為現(xiàn)場(chǎng)取樣的廢棄泥漿及鉆渣，隨后進(jìn)行混凝土試件的制備。

圖1 為混凝土攪拌過程，從圖1 中可以明顯看出攪拌成品質(zhì)地黏稠、流動(dòng)性差，導(dǎo)致和易性不符合要求，故需要對(duì)該方案進(jìn)行修改。

圖1 混凝土攪拌過程

（2）修改方案。按照廢棄泥漿及鉆渣∶砂子=3∶7的比例進(jìn)行試驗(yàn)，將廢棄泥漿及鉆渣利用其他混合物代替，并且采用新配合比進(jìn)行試驗(yàn)（見表5）。

表5 試驗(yàn)配合比

采用新配合比的原材料經(jīng)攪拌后，和易性及坍落度滿足工程要求，因此可制成試件。為進(jìn)一步研究砂子和鉆渣的比例調(diào)和問題，分別按照9∶1、8∶2 及7∶3的配合比例分別進(jìn)行制件（見表6）。

表6 砂子、鉆渣不同的配合比

3.2 抗壓試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)按照不同配比制成的試件進(jìn)行抗壓性能測(cè)試，通過壓碎試件，以其物理性質(zhì)確定其配合比。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，主要壓碎指標(biāo)見表7，抗壓強(qiáng)度極限值見表8。

表7 主要壓碎指標(biāo)（單位：kN）

表8 抗壓強(qiáng)度極限值（單位：MPa）

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將邊坡砌塊同批的混凝土試件養(yǎng)護(hù)28 d，其強(qiáng)度等級(jí)見表9。

表9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過將室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)果：除表8 中試件7∶3 組外，其他各組強(qiáng)度均大于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，說明室內(nèi)試驗(yàn)中的各組試件均滿足項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。通過再次對(duì)比室各組試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在砂與廢棄泥漿及鉆渣的混合物比例為8∶2 與9∶1 時(shí)，抗壓強(qiáng)度基本滿足C25混凝土抗壓強(qiáng)度。綜合考慮環(huán)境、安全、經(jīng)濟(jì)等因素后，最終確定施工砂與泥漿鉆渣混合物的最佳配比為8∶2。

4 結(jié)論

本文首先分析廢棄泥漿及鉆渣無(wú)害化利用的可行性，測(cè)定廢棄泥漿及鉆渣的密度，將測(cè)定結(jié)果與砂子的密度進(jìn)行對(duì)比，再通過調(diào)整細(xì)骨料中砂子與廢棄泥漿的比例，配置不同配比的混凝土，并進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的砌塊強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論如下。

（1）根據(jù)X 射線衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)評(píng)報(bào)告可以反映出現(xiàn)場(chǎng)施工所產(chǎn)生的廢棄泥漿及鉆渣的物理參數(shù)較一般土顆粒差別不大，可以考慮將廢棄泥漿及鉆渣摻入混凝土中，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化利用。

（2）可以將廢棄泥漿及鉆渣的混合物按照一定的比例摻入砂子中，代替部分細(xì)骨料，該試驗(yàn)得出如下結(jié)論：廢棄泥漿及鉆渣混合物的密度隨著廢棄泥漿比例的增大而降低。將混凝土中所有細(xì)骨料用廢棄泥漿及鉆渣混合物替代，發(fā)現(xiàn)攪拌后的成品質(zhì)地黏稠、流動(dòng)性差，和易性不符合工程要求。

（3）對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)各組試件的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，砂與泥漿鉆渣混合物的比例為8∶2 與9∶1 時(shí)，強(qiáng)度基本滿足C25混凝土抗壓強(qiáng)度。綜合考慮環(huán)境、安全、經(jīng)濟(jì)等因素后，最終確定施工砂與泥漿鉆渣混合物的最佳配比為8∶2。

本研究的不足之處在于其樣本量較少，存在偶然性，后續(xù)將會(huì)對(duì)上述試驗(yàn)過程進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)加以論證，并將結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證其實(shí)用性。