廢棄泥漿固化技術(shù)在路基中的應(yīng)用

摘要 文章以某實際工程為依托，研究廢棄泥漿固化土在路基工程中的應(yīng)用，分析水泥及石灰作為固化劑的反應(yīng)機理，在工程施工過程中，采用4.00wt%的水泥和8.00wt%的石灰作為固化劑，將廢棄泥漿固化處理后用于便道施工，檢測固化后路基土的含水量、壓實度和路基彎沉值。檢測結(jié)果顯示：采用4.00wt%的水泥和8.00wt%的石灰作為固化劑固化廢棄泥漿土，養(yǎng)護3d厚路基壓實度達到94%，彎沉值為99.64mm，均達到設(shè)計要求值，固化效果良好，驗證了施工工藝的可行性。

關(guān)鍵詞 廢棄泥漿；固化；路基

中圖分類號 U445.551 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0144-04

0 前言

隨著我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展，道路工程建設(shè)日益加快，截至2022年底，我國公路總里程達535.48萬公里[1]。在道路施工過程中需要消耗大量的自然資源，采取傳統(tǒng)的方法對道路基層進行修筑，炸山炸石、挖河采沙，對自然環(huán)境造成了嚴重的破壞[2]。水泥穩(wěn)定碎石、砂礫基層被廣泛地使用于公路工程施工建設(shè)當中，往往因為原料成本、人工成本和運輸成本的逐年增加而造成筑路成本不斷提高。我國工程建設(shè)過程中存在大量的廢棄泥漿，現(xiàn)階段廢棄泥漿主要處理方式是運至郊外自然干化，處置效率低下且成本較高[3]。因此，為有效減少對自然石材的開采，同時減少泥漿外運造成的環(huán)境污染，需要充分探究廢棄泥漿固化處理的應(yīng)用，考慮如何更好地利用工程廢棄泥漿。

國內(nèi)外學者對工程廢棄泥漿在路基方面的應(yīng)用進行了一定的研究，方春林[4]通過對不同固化材料進行研究，通過單一和組合的方式測定廢棄泥漿固化土的固化強度。陳峰等[5]采用生石灰、水泥的方式進行固化研究，為實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。馬軍[6]建立有限元模型探討固化泥漿在路基應(yīng)用的可能性。厲帥康[7]分析了石膏、高爐礦渣、硅酸鈉代替部分水泥對土樣進行固化處理。為更好地應(yīng)用于工程實踐，該文以真實工程為依托，采用廢棄泥漿固化處理，應(yīng)用于工程中的便道施工，滿足工程需要。

1 廢棄泥漿固化路基

1.1 擊實試驗

在將廢棄固化泥漿用作路基材料時，為測試用作路基材料的可行性，需要對其進行實心測試，測出材料的最大含水率和最大干密度，以便對固化泥漿的壓實度進行控制，是為測試用作路基材料的可行性。將原料土粉碎烘干后，過篩2 mm，加水至規(guī)定的含水量后，攪拌均勻，再進行一次重擊試驗，測試參數(shù)如表1所示。

1.2 承載比試驗

承載比（CBR）是評價路基基層材料承載力的指標之一，用于衡量材料對局部剪切的抵抗能力，其測試步驟為：以0.125 cm/min的速度將端部面積為19.35 cm的標準壓頭壓入，分別記下當貫入量為2.5 mm和5 mm時的單位壓力。

采用作為材料承重比例的單位壓力與標準壓力比值，貫入量為2.5mm，計算公式如下式所示：

（1）

式中：CBR——承載比（%），精確至0.1%；p——單位壓力（kPa）。

同時計算單位壓力與標準壓力之比作為材料在灌入量為2.5 mm時的承重比，下式中CBR和p同公式（1）：

（2）

1.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

土體固化后，依據(jù)不同的齡期，對固化的土體進行取樣，采用無側(cè)限抗壓強度儀，測定土體固化后的無側(cè)限抗壓強度，根據(jù)儀器讀數(shù)采用下式計算軸向力：

（3）

式中：——軸向壓力（kPa）；——測力計校正系數(shù)，N/0.01 mm；——百分表讀數(shù)，0.01 mm；——校正后試件的斷面積（cm2）。

校正后的斷面積根據(jù)下式進行計算：

（4）

式中：——試件的初始面積（cm2）；——軸向應(yīng)變（%），其計算方式如下：

（5）

式中：、——分別為試件的原始高度（cm）和土樣試驗的軸向變形（cm）。

2 廢棄泥漿固化機理分析

工程應(yīng)用中采用了4.00 wt%的水泥和8.00 wt%的石灰進行泥漿固化，水泥和石灰摻入廢棄泥漿中，和廢棄泥漿中的成分產(chǎn)生一系列化學反應(yīng)，使得廢棄泥漿形成穩(wěn)定骨架，改善土體強度。

2.1 水泥反應(yīng)機理

（1）水化反應(yīng)

由于水泥中含有硅酸三鈣和鋁酸三鈣，當廢棄泥漿中加入水泥后，水泥中的硅酸三鈣與泥漿中的水分發(fā)生化學反應(yīng)，生成膠體狀的水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）和晶體狀的氫氧化鈣[Ca（OH）2]，如公式（5）及公式（6）所示。由于兩者共同的作用，使得廢棄泥漿土逐步固化，由于鋁酸三鈣水化快速產(chǎn)生水化鋁酸鈣，此外鐵鋁酸四鈣通過水化反應(yīng)生成水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣，上述多種物質(zhì)有效促成水泥早凝，增強了廢棄泥漿的固化強度，反應(yīng)方程式如公式（7）及公式（8）所示：

2（3CaO·SiO2）+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O（膠體）

+3Ca（OH）2（晶體） （5）

2（2CaO·SiO2）+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2

（晶體） （6）

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O（晶體）

（7）

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO

·Fe2O3·H2O（膠體） （8）

硫酸鈣（CaSO4）與鋁酸三鈣發(fā)生反應(yīng)的生成物水泥桿菌能結(jié)晶，反應(yīng)式如公式（9）所示，可以得出，硫酸鈣與鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，消耗大量的自由水，有助于廢棄泥漿的固化。

3CaSO4+3CaO·Al2O3+96H2O→3CaO·Al2O3·CaSO4

·32H2O （9）

（2）離子間的交換和團粒化作用

當廢棄泥漿中加入水泥，水泥與其中的水發(fā)生化學反應(yīng)，會產(chǎn)生大量的Ca2+，土體中由于存在Na+和K+等離子，因此會與Ca2+發(fā)生交換吸附作用，使得土體中的顆粒黏聚在一起，較之廢棄泥漿中的孔隙率得到極大的降低，致使土體顆粒得以黏結(jié)，形成較大的團狀體，較之顆粒強度有所增強。

（3）碳酸化作用

化學反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鈣顆粒填充在土體顆粒的孔隙中，使得土體的孔隙率降低，同時由于氫氧化鈣含量的增多，使得土體固化環(huán)境呈現(xiàn)堿性，土體中的其他金屬離子均形成不溶于水的礦物質(zhì)而填充在土體顆粒中，增強了土體的穩(wěn)定性。

2.2 石灰固化機理

生石灰中的CaO與泥漿中的H2O反應(yīng)，土體中由于存在K+和Na+，這時會與Ca2+交換，交換后產(chǎn)生初期水穩(wěn)性。土體中的金屬氧化物發(fā)生二次水化作用，生成水化硅酸鈣等物質(zhì)，水化硅酸鈣在土體中形成整體骨架，有效地凝結(jié)土體顆粒，增強固化土強度，具體反應(yīng)式如公式（10）和公式（11）所示：

Ca（OH）2+SiO2+nH2O→CaO·SiO2·（n+1）H2O

（10）

Ca（OH）2+Al2O3+nH2O→CaO·Al2O3·（n+1）H2O

（11）

2.3 生石灰、水泥復(fù)合固化機理

當生石灰和水泥加入廢棄泥漿土中，由于生石灰和水泥的顆粒較之土體顆粒較小，在充分攪拌后生石灰顆粒和水泥顆粒填充到土體內(nèi)孔隙內(nèi)，使得土體形成密實的狀態(tài)，起到了初期的加強作用。當水泥開始進行水化作用時，生石灰亦開始進行離子交換，初期的水化作用對土體強度增大的作用及影響較小，待水化產(chǎn)物水化硅酸鈣增多時，土體強度開始逐步增強。伴隨著水化反應(yīng)的進行，產(chǎn)生了大量的氫氧化鈣，隨著Ca2+的增多，火山灰作用再次增強了固化土的強度，使得固化土的強度得到了大幅度增加。

3 工程應(yīng)用

某工程便道施工，工程項目起點位于A市附海鎮(zhèn)，與某某高速相連，項目起點K0+364.369，終點位于A市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)，終點樁號K14+152，線路長13.788 km，合同價約為11.8億元。該次試驗段施工長度3 km，便道采用宕渣與固化土聯(lián)合填筑的方式進行修筑，固化土來自清表棄土和挖鉆泥漿，一方面減少泥漿的外運，另一方面減少了固化土運送的距離，在保證便道可以通行的前提下節(jié)約了成本，保護了環(huán)境。

3.1 工程施工流程

在施工過程中，便道填筑的具體范圍首先是通過測量放樣，確定施工紅線和橋梁紅線的具體位置，以便便道填筑后便于排水，開挖便道一側(cè)的排水溝，通過測量放樣的方式將便道填筑好后的排水管道填筑好后，再進行便道填筑，接著將便道范圍內(nèi)的莊稼等清除干凈，平整場地。

該項目表層土下0.8 m位置基本為淤泥，對該項目而言，若全部填入固化土，便道在使用一段時間后，可能會出現(xiàn)沉降不均的情況。因此，為避免便道下沉，固化土路基采用宕渣處理，便道基礎(chǔ)清理后，為增加便道基礎(chǔ)的整體性，在便道填平后，在底層鋪設(shè)毛竹片以減少沉降。隨后，第一層基礎(chǔ)填平采用宕渣，0.5 m厚的宕渣填平，并使用18 t壓路機進行碾壓，以保證小型農(nóng)用車能夠達到運送物資的條件進場運輸。

對于泥漿固化，首先將泥漿土及清表土運至現(xiàn)場后均勻攤鋪，為保證固化質(zhì)量，厚度控制在0.6 m以內(nèi)，對其進行初步晾曬。當土體表面沒有明顯水分時，按泥漿土分∶熟石灰∶外加劑=1500∶600∶1的比例，計算固化劑和石灰等添加劑的質(zhì)量，然后將固化劑和石灰混合后分成均勻的兩份，第一份均勻地鋪在土體上，然后均勻的攪拌后進行悶料處理，堆土高度控制在2 m左右，夏天晴天狀態(tài)下，1～2 d就可以用固化劑和石灰等添加劑將悶料鋪在路基上，冬天悶料的時候，可以用固化劑和石灰等添加劑對路基進行攤鋪，可以保證需要延長2 d的悶料時間后，才能用固化劑和石灰混合。對固化土進行含水量檢測，當取樣土體含水量低于15%時，可以利用固化土進行地基攤鋪，約0.3 m的鋪裝，完成鋪裝后，將路基表面平整。

平整路基表面后，鋪第二份固化劑并進行拌和，進行第二次悶料，24 h后檢測路基悶料含水量，含水量低于10%時，采用壓路機進行碾壓，碾壓過程先對路基兩側(cè)進行碾壓，以中間碾壓的方式進行碾壓，以保證碾壓質(zhì)量，對路基進行二次悶料。

重復(fù)前面的步驟，對路基第二層進行攤鋪和碾壓，碾壓完成后，再用塑料膜覆蓋養(yǎng)生，72 h后，路基表面平整，強度可以達到物料運輸車輛通行要求。為防止雨水后車輛車輪打滑的情況出現(xiàn)，在便道頂部鋪設(shè)一層

2 cm厚度的碎石，增強地面摩擦，減少車輛車輪打滑，由于泥漿土中加入固化劑，處理后的土體變?yōu)榘雱傂曰?，強度緩慢增長，后期強度穩(wěn)定。

3.2 路基壓實度檢測

為全面了解路基壓實情況，在第二層路基攤鋪、碾壓及72 h養(yǎng)護完成后，同一里程標號處分別取兩點進行平行試驗，利用灌砂法檢測試驗段的壓實度，并分別對固化渣土填料拌和前和拌和后的含水量進行測定，試驗結(jié)果如表2所示。

從表3中可知：廢棄泥漿土與水泥、石灰和后的含水量比和前的含水量有所減少，主要原因是水與水泥反應(yīng)生成了穩(wěn)定的成分不易分解。當4.00 wt%的水泥和

8.00 wt%的石灰摻入廢棄泥漿土，進行固化處理并填筑到路基后，可以看出路基的平均壓實度達到了94.0%，超出90%的路基設(shè)計壓實度要求。

3.3 路基彎沉值檢測

路基養(yǎng)護7 d后，利用5.4 m貝克曼梁，配合后軸重10 t內(nèi)胎壓力0.7 MPa的標準車，對試驗段的彎沉值進行測定，將異常點去掉后的試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可知：水泥摻量為4.00 wt%與石灰摻量為

8.00 wt%的廢棄泥漿固化土彎沉值為99.64 mm，滿足設(shè)計彎沉值200 mm的要求。可以看出，采用上述方案的固化土改良效果較好，具有一定的工程效益。

4 結(jié)論

通過對廢棄泥漿添加4.00 wt%的水泥和8.00 wt%的石灰進行泥漿固化研究，分析水泥和石灰作為固化劑添加入廢棄泥漿進行固化的反應(yīng)機理，可以看出通過加入水泥和石灰固化劑，可以有效提高廢棄泥漿固化強度。依托真實工程案例，將固化方案應(yīng)用到實際工程便道施工中，對路基壓實度和路基彎沉值進行檢測，驗證經(jīng)過固化后的廢棄泥漿土，可以完全滿足便道基礎(chǔ)的設(shè)計使用要求，同時對廢棄泥漿的固化再利用，可以減少泥漿外運，有利于施工過程中的環(huán)境保護，節(jié)約施工成本。

參考文獻

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收稿日期：2024-06-13

作者簡介：齊冠（1988—），男，碩士研究生，講師，研究方向：道路與橋梁工程技術(shù)，BIM技術(shù)應(yīng)用。

基金項目：浙江省教育廳科研項目資助“酸雨環(huán)境下廢棄泥漿干化土固化強度及路用性能研究”（Y202250207）。