工業(yè)廢渣復(fù)合再生材料穩(wěn)定膨脹土性能及工程應(yīng)用

牛鴻武

（河南省許平南高速公路有限責(zé)任公司 鄭州450000）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，煤矸石、鋼渣等固體廢棄物大量產(chǎn)生并堆存，占用大量土地。調(diào)查結(jié)果顯示，截止2018年全國(guó)工業(yè)固體廢棄物堆存累計(jì)總量超過(guò)600 億噸，每年仍以超過(guò)30 億噸的速度增長(zhǎng)，按每萬(wàn)噸廢棄物平均占地0.5畝計(jì)算，現(xiàn)存工業(yè)固體廢棄物堆存占土地面積超過(guò)300 萬(wàn)畝［1，2］。目前，我國(guó)在工業(yè)固體廢棄物綜合利用方面存在著綜合利用率低（不足50%），無(wú)害化處置能力“散小弱低”，非法轉(zhuǎn)移、處置、傾倒現(xiàn)象嚴(yán)重，環(huán)境危害大等特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)固體廢棄物的回收利用能力急需提升。與此同時(shí)，工程建設(shè)過(guò)程中開(kāi)采和制備傳統(tǒng)水泥、石灰、砂石等建筑材料需要消耗大量的自然資源和能源［3，4］。

基于此背景，工業(yè)廢渣復(fù)合再生材料（簡(jiǎn)稱IWR材料）應(yīng)運(yùn)而生。IWR 的主要原料為鋼渣、煤矸石等工業(yè)廢渣，在特定配比下混合、研磨而成，能夠改善土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能，滿足特定工程需求。IWR 材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用不僅提高了工業(yè)固廢的再生利用率，減少堆存占地、降低環(huán)境污染，還能夠緩解基礎(chǔ)建設(shè)材料緊缺的問(wèn)題，保證工程質(zhì)量和進(jìn)度［5，6］。

本文以河南省某新建高速公路項(xiàng)目為依托，對(duì)IWR 穩(wěn)定膨脹土的路用性能和施工工藝進(jìn)行研究，驗(yàn)證IWR穩(wěn)定土用于路基工程的可行性與適用性，促進(jìn)IWR材料在公路工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

1 工程概況

河南省某新建高速公路路基寬度為27 m，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，全長(zhǎng)120 km，路基沿線土質(zhì)多為膨脹土，優(yōu)質(zhì)填料匱乏。為了緩解資源壓力，節(jié)約建設(shè)成本，擬采用IWR 材料對(duì)沿線膨脹土進(jìn)行改良，以克服其CBR值較低，工程特性較差，無(wú)法滿足路基填料的不足。因此，本工程結(jié)合科研項(xiàng)目需求，采用IWR 材料穩(wěn)定項(xiàng)目沿線的膨脹土，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其路用性能進(jìn)行研究，為工程應(yīng)用提供支持，并通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證使用效果。

2 IWR材料穩(wěn)定膨脹土路用性能研究

2.1 原材料

2.1.1 IWR材料

IWR 材料的配方可以根據(jù)不同類型土壤的物理力學(xué)特性進(jìn)行調(diào)整，使其技術(shù)指標(biāo)能夠滿足不同的工程需求。按照現(xiàn)行測(cè)試規(guī)范，參考用于水泥質(zhì)量評(píng)價(jià)的技術(shù)指標(biāo)，將穩(wěn)定膨脹土所用的IWR 材料制成砂漿，并測(cè)試其初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 復(fù)合再生膠凝材料主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The Main Technical Indicators of Composite Reclaimed Cement Material

2.1.2 膨脹土

試驗(yàn)所用膨脹土取自該新建高速公路沿線取土場(chǎng)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下：最大干密度為1.88 g/cm3，最佳含水率為14.61%。液限為43%，塑性指數(shù)為19，特性判定為低液限黏土；膨脹量為1.96%，屬于弱膨脹土；96%壓實(shí)度下的CBR 值僅為2.36%，遠(yuǎn)小于上、下路床填料的CBR值要求，甚至達(dá)不到93%壓實(shí)度的下路堤的CBR值要求（≥3%）。

2.2 路用性能

為研究IWR 材料穩(wěn)定膨脹土的路用性能，確定IWR 材料穩(wěn)定膨脹土?xí)rIWR 的最佳摻量，在5 組不同IWR材料摻量下進(jìn)行IWR材料穩(wěn)定膨脹土性能測(cè)試，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 30-2015》［7］規(guī)定，對(duì)穩(wěn)定膨脹土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)和不同壓實(shí)度K下的CBR 試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

由表2 可知，當(dāng)IWR 材料摻量≥4.5%時(shí)，膨脹總率＜0.7%，CBR＞24%（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范上路床的8%），滿足文獻(xiàn)［7］的相關(guān)要求。因此確定采用IWR材料穩(wěn)定膨脹土填筑路堤、路床時(shí)，IWR材料的最低摻量為4.5%。

在路基工程施工中，對(duì)于路堤用膨脹土，通?？刹捎孟疫M(jìn)行處理［5，6］。本項(xiàng)目中采用消石灰粉穩(wěn)定膨脹土路堤的摻量也為4.5%，為研究采用IWR材料對(duì)膨脹土進(jìn)行處理后用于填筑路堤的適用性，對(duì)石灰穩(wěn)定膨脹土和IWR材料穩(wěn)定膨脹土的膨脹總率、CBR等指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

從表3 可知：在同一摻量下的消石灰穩(wěn)定膨脹土和IWR 穩(wěn)定膨脹土，其膨脹率和CBR 值均滿足文獻(xiàn)［7］要求；經(jīng)IWR 材料穩(wěn)定的膨脹土的膨脹率稍小于消石灰，CBR值比消石灰穩(wěn)定膨脹土大30%。說(shuō)明IWR材料對(duì)膨脹土的穩(wěn)定效果優(yōu)于消石灰，能夠用于路堤填筑。

3 IWR材料穩(wěn)定膨脹土路堤施工工藝研究

參考室內(nèi)試驗(yàn)及相關(guān)研究，分析復(fù)合再生水硬性膠凝材料穩(wěn)定膨脹土路用性能影響因素，同時(shí)及進(jìn)行了試驗(yàn)路的鋪筑。在試驗(yàn)路鋪筑過(guò)程中，提出并總結(jié)了IWR材料穩(wěn)定膨脹土路堤施工工藝、壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、松鋪系數(shù)及松鋪厚度、合理的壓實(shí)機(jī)械組合、碾壓方案，最佳含水量及碾壓時(shí)含水量允許偏差等相關(guān)參數(shù)及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

IWR 材料穩(wěn)定膨脹土試驗(yàn)段采用路拌法施工，主要包括以下工序：

3.1 施工放樣

利用全站儀準(zhǔn)確放出路床中線與路床邊線，直線段每15～20 m 設(shè)一斷面并打樁，曲線段10～15 m 設(shè)一斷面并打樁。根據(jù)工程要求進(jìn)行水平測(cè)量。

3.2 備料

施工前，組織試驗(yàn)檢測(cè)人員對(duì)擬用IWR材料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，確保IWR材料的質(zhì)量。根據(jù)設(shè)計(jì)填筑寬度、壓實(shí)厚度（20 cm）及預(yù)定的干密度計(jì)算出所需素土的數(shù)量。

3.3 攤鋪土

按20 cm控制每層IWR穩(wěn)定土成品厚度，按照相應(yīng)的結(jié)構(gòu)厚度，根據(jù)IWR材料配合比計(jì)算素土松鋪25 cm。

按照運(yùn)輸車一車素土約16 m3計(jì)算，方格網(wǎng)定位5 m×10 m 一個(gè)（可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)車輛實(shí)際裝載量調(diào)整），倒上土法，全寬填筑。

表2 IWR材料穩(wěn)定膨脹土性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 IWR Material Stabilized Expansive Soil Performance Test Results

表3 4.5%摻量的消石灰與IWR材料穩(wěn)定膨脹土性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of the Performance Test Results of 4.5%Slaked Lime and IWR Material Stabilized Expansive Soil

3.4 悶料

對(duì)整平后的土層檢測(cè)含水率，當(dāng)土的含水率較小時(shí)，需采用灑水車進(jìn)行均勻?yàn)⑺?，以免局部出現(xiàn)含水率超高現(xiàn)象。悶料時(shí)間視土層中細(xì)粒土含量而定，一般悶料時(shí)間為12 h。當(dāng)土的含水量過(guò)大時(shí)，用農(nóng)用鏵犁配合旋耕耙翻曬素土［8，9］。當(dāng)粉碎后的土塊粒徑不大于3.75 cm，且素土含水量降低至比其最佳含水量大1%～2%時(shí)，方可開(kāi)始整平和輕壓。

3.5 整平和輕壓

土的含水量滿足要求后，按照確定的虛鋪厚度、放樣的標(biāo)高，用平地機(jī)和人工開(kāi)槽相結(jié)合的方式進(jìn)行整平，土量缺的補(bǔ)足，多的刮出。整平后表面應(yīng)力求平整，厚度均勻，路拱符合設(shè)計(jì)和文獻(xiàn)［7］要求。

初平后采用22 t 的振動(dòng)壓路機(jī)靜壓2 遍，獲得初始?jí)簩?shí)度的同時(shí)，為下一道工序提供平整的工作面，以便打網(wǎng)格、布灰。

3.6 攤鋪IWR材料

根據(jù)計(jì)算IWR 材料松鋪4 cm 厚，利用鏟車進(jìn)行布灰，按照每輛鏟車運(yùn)輸約3 m3計(jì)算，方格定位6 m×11 m 一個(gè)（可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)車輛實(shí)際裝載量調(diào)整）倒上土法，全寬填筑。采用刮板將IWR材料均勻攤鋪在結(jié)構(gòu)層上，保證結(jié)構(gòu)層上無(wú)帶狀空白。

3.7 拌和與灑水

采用專用穩(wěn)定土拌和機(jī)，對(duì)IWR材料和待穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層深度拌和，拌和深度應(yīng)滲入待穩(wěn)定土層以下0.5～1.0 cm，以利于上下層粘結(jié)，防止拌和層和下承層之間形成夾層。拌和機(jī)行駛速度一般控制在1.2～1.5 km/h。在初次拌和后，計(jì)量IWR 材料用量并檢測(cè)含水率，在IWR 材料用量和含水率滿足技術(shù)要求的情況下進(jìn)行第二次拌和。第二次拌和的拌和深度加深至結(jié)構(gòu)層底部1～2 cm，提高素土與IWR材料的結(jié)合程度。在拌和過(guò)程中可采用人工挖坑取土對(duì)拌和效果進(jìn)行檢測(cè)，觀察取土坑取出灰土的狀態(tài)，終拌后灰土顏色應(yīng)均勻一致無(wú)色差，嚴(yán)禁有素土夾層存在，否則應(yīng)重新拌和。

3.8 整形與碾壓

用重型振動(dòng)壓路機(jī)先靜載碾壓2遍，靜壓后，按照確定的標(biāo)高人工拉線開(kāi)槽，用平地機(jī)和人工相結(jié)合的方法實(shí)施精平。精平后檢測(cè)工作面的標(biāo)高、松鋪厚度、橫坡、以及IWR 劑量是否滿足設(shè)計(jì)和文獻(xiàn)［7］要求。碾壓時(shí)，含水率應(yīng)略高于最佳含水率1%～2%，以便取得理想的壓實(shí)效果。碾壓時(shí)遵循先輕后重，先慢后快、先低后高、由弱振至強(qiáng)振碾壓的原則，壓路機(jī)碾壓行駛速度不宜過(guò)快，最大速度應(yīng)控制在4 km/h 以內(nèi)；接縫位置處理嚴(yán)格按施工技術(shù)細(xì)則的要求進(jìn)行，橫向接頭處采用振動(dòng)壓路機(jī)橫疊0.4～0.5 m錯(cuò)輪碾壓，一次錯(cuò)輪1/4輪寬以上，碾壓時(shí)壓路機(jī)應(yīng)重疊1/2輪寬。

碾壓過(guò)程中，應(yīng)遵循碾壓均勻，去死角，無(wú)漏壓的原則。針對(duì)碾壓過(guò)程中出現(xiàn)的彈簧、松散等現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)處理，及時(shí)檢測(cè)碾壓段的含水率和IWR 材料劑量，針對(duì)性地采取翻曬、或增加IWR材料用量等措施進(jìn)行調(diào)整。終壓前，對(duì)工作面進(jìn)行修理整形，保證線形平順，縱坡合理，路拱和超高均在設(shè)計(jì)要求內(nèi)。終壓后的面層應(yīng)保持適宜的含水率，為養(yǎng)生提供條件［10］。

3.9 養(yǎng)生

終壓工藝結(jié)束后立即進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，壓實(shí)度達(dá)到技術(shù)要求后立即進(jìn)行濕法養(yǎng)生，路基分兩層施工時(shí)，第一層試驗(yàn)段結(jié)束后，考慮立即上土覆蓋養(yǎng)生［11］。上土覆蓋后，如果需要，適當(dāng)灑水養(yǎng)生。養(yǎng)生期間，禁止重型車輛通過(guò)。養(yǎng)生期結(jié)束后，方可進(jìn)行下一層白灰土的施工，第二層施工完畢后，應(yīng)立即覆蓋養(yǎng)生，且養(yǎng)生期不得小于7 d。

4 工程應(yīng)用及檢測(cè)

本文根據(jù)該高速公路沿線路基填料分布情況，在部分路段采用膨脹土用于填筑路基和路床，但由于膨脹土的工程特性較差，一般無(wú)法直接用作路基填料，需要先進(jìn)行穩(wěn)定處理。因此，結(jié)合本項(xiàng)目需求，對(duì)IWR 材料穩(wěn)定膨脹土的效果進(jìn)行了實(shí)際工程應(yīng)用研究（見(jiàn)圖1）。

圖1 IWR材料穩(wěn)定膨脹土施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 IWR Material Stabilized Expansive Soil Construction Site

按照上述工藝進(jìn)行了IWR 材料穩(wěn)定膨脹土上路堤施工，施工完成后，對(duì)工程的施工質(zhì)量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，CBR 值達(dá)5.5%（上路堤要求≥4%），現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度94.2%（上路堤要求≥94%），工程應(yīng)用效果良好，滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)收要求。

5 結(jié)論

通過(guò)上述研究，可得出以下結(jié)論：

⑴當(dāng)IWR 材料摻量≥4.5%時(shí)，膨脹總率＜0.7%，CBR＞24%，遠(yuǎn)超過(guò)文獻(xiàn)［7］上路床8%的要求。

⑵ IWR 材料穩(wěn)定膨脹土的膨脹率稍小于消石灰，CBR 值比消石灰穩(wěn)定膨脹土大30%。IWR 材料對(duì)膨脹土的穩(wěn)定效果優(yōu)于消石灰，能夠用于路堤填筑。

⑶ IWR 材料穩(wěn)定膨脹土工程應(yīng)用效果良好，CBR 達(dá)5.5%（上路堤要求≥4%），現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度94.2%（上路堤要求≥94%），滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)收要求。