道路用流態(tài)固化土的基本性質(zhì)與工程實踐

杜衍慶，王新岐，曾 偉，霍知亮，位 樹

（1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安710064；2.天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司，天津300392；3.天津市基礎(chǔ)設(shè)施耐久性企業(yè)重點實驗室，天津300392）

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的推進，地鐵、建筑工程、水環(huán)境治理等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)產(chǎn)生了巨量的淤泥、泥漿等高含水量、低強度的廢棄材料；該類環(huán)境廢棄物固化改良技術(shù)也隨之發(fā)展、進步[1]。其中，經(jīng)碾壓工藝成型的固化改良土，即壓實型固化土技術(shù)已發(fā)展成熟、走向市場并針對設(shè)計、施工、質(zhì)量控制和檢驗驗收等環(huán)節(jié)形成技術(shù)規(guī)程[2～3]。

由于環(huán)保態(tài)勢持續(xù)高壓，采用澆筑成型工藝，具有高效、低碳、環(huán)保、施工速度快、高流動性、自密性和抗?jié)B性等諸多優(yōu)勢，可解決傳統(tǒng)工程建設(shè)期間帶來的揚塵、碾壓振動等環(huán)境難題的流態(tài)固化土技術(shù)受到廣泛關(guān)注。流態(tài)固化土是根據(jù)工程需要和巖土特性，利用原地土源加入固化劑、水拌和均勻，所形成的一種流動態(tài)（可泵送）、低強度巖土工程材料，可根據(jù)應(yīng)用部位設(shè)計要求，制備不同強度。丁建文等[4～5]、朱鵬等[6]對疏浚淤泥流動固化土的流動特性進行了試驗研究，結(jié)果表明固化淤泥拌和物的流動值與初始含水率及固化材料摻量之間均具有良好的線性關(guān)系；周永祥等[7]、劉旭東[8]利用基坑槽土添加固化劑、水制備預(yù)拌流態(tài)固化土并成功應(yīng)用于北京、成都等地區(qū)綜合管廊基槽回填工程。

目前，未見將流態(tài)固化土大體量應(yīng)用于道路工程結(jié)構(gòu)層的研究報道。2018—2019年，薊運河支流故道河進行河道清淤，約200萬m3清淤土被吹填到中新天津生態(tài)城北島片區(qū)待開發(fā)地塊內(nèi)，該區(qū)啟動土地開發(fā)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如能將淤泥土就地固化利用，將具有釋放土地資源、降低工程造價、環(huán)境保護等多重意義。本文開展了相關(guān)試驗并對室內(nèi)外試驗成果進行初步分析，為后續(xù)開展系統(tǒng)性研究及標準化工作夯實基礎(chǔ)。

1 道路用流態(tài)固化土的基本性質(zhì)

選取吹填淤泥土為工程原材料，其粉黏顆粒含量高達99.7%，制備為流態(tài)固化土，用于道路路床、路堤的建設(shè)。見表1。

表1 吹填土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標

淤泥取樣是在吹填結(jié)束后約1.5 a進行的且取自堆場近表層，但其含水率仍高于液限，說明高粉黏粒含量的淤泥排水性能差、固結(jié)較慢。

1.1 流動性

因淤泥質(zhì)黏土的黏滯阻力較強，為滿足施工要求，測定流態(tài)固化土的流動性指標，以評定其可泵送性能，借鑒混凝土拌和物及泡沫輕質(zhì)土的流動性測試方法。混凝土的流動性通常用坍落度來表征，試驗采用上口直徑10 cm、下口直徑20 cm、高30 cm的標準桶進行，工程上一般要求坍落度＞10 cm；泡沫輕質(zhì)土采用流動度衡量其流動性，試驗采用內(nèi)徑8 cm、高8 cm空心桶進行，工程上一般要求流動度為16～20 cm。

由于目前尚無測定流態(tài)固化土流動性的標準方法，本次試驗同時測量了不同濕密度、固化劑摻量條件下流態(tài)固化土的坍落度和流動度。固化材料選用某品牌A型水泥基類粉末固化劑；為便于機械化施工時對原材的質(zhì)量控制，將淤泥土摻水后制成濕密度ρ濕為1.35～1.6 g/cm3（0.05 g/cm3遞增）原材，分別對應(yīng)含水率148.7%、126.5%、111.6%、91.2%、75.2%、57.3%。

流態(tài)固化土坍落度與固化劑摻量和淤泥土濕密度密切相關(guān)，坍落度隨固化劑摻量和濕密度的增加而降低且與固化劑摻量間具有較好的線性遞減關(guān)系；取坍落度100 mm作為泵送澆筑施工的下限，當ρ濕≤1.45 g/cm3時，固化劑摻量為3%～9%均可進行泵送澆筑施工；當ρ濕=1.50 g/cm3時，固化劑摻量為3%可進行泵送澆筑施工；當ρ濕≥1.55 g/cm3時，流動性較差，不可進行泵送澆筑施工。流動度隨固化劑摻量的增加而降低，但線性關(guān)系差距較大，當ρ濕＞1.40 g/cm3時，不同固化劑摻量的流態(tài)固化土流動度值區(qū)分度較低，無法指導(dǎo)工程應(yīng)用。見圖1。

圖1 固化劑摻量與流動性關(guān)系

不同固化劑摻量條件下，坍落度隨濕密度的增大基本呈線性遞減；與未摻固化劑相比，摻加固化劑后，同一含水率條件下，流態(tài)固化土的坍落度明顯減小，但隨著含水率的降低坍落度減幅逐漸降低。見圖2和圖3。

圖2 濕密度與流動性關(guān)系

圖3 初始含水率與流動性關(guān)系曲線

初始含水率對流態(tài)固化土流動性的影響要大于固化劑摻量的影響，這也與丁建文等[4]的研究結(jié)論一致。

1.2 無側(cè)限抗壓強度

不同齡期的無側(cè)限抗壓強度是表征無機結(jié)合料穩(wěn)定（固化）類材料強度和耐久性最基本、最重要的力學(xué)指標之一。

綜合考慮流態(tài)固化土流動性與強度要求，應(yīng)確保淤泥土在摻加固化劑之前將濕密度控制在1.35～1.50 g/cm3，即初始含水率為91.2%～148.7%（2.30～3.75倍液限）。

本文選取淤泥土ρ濕=1.40 g/cm3，摻入固化劑制備流態(tài)固化土，標養(yǎng)后實測7、28 d無側(cè)限抗壓強度。固化劑選用某品牌A、B型水泥基類粉末固化劑，摻量為5%～15%（2%遞增）。

流態(tài)固化土的無側(cè)限抗壓強度與固化劑摻量密切相關(guān)。當固化劑摻量為7%～15%時，隨著摻量的增加，無側(cè)限抗壓強度基本呈線性增長；從齡期上看，在相同固化劑摻量條件下，摻加A型固化劑的流態(tài)固化土7 d強度較B型有增加且增幅隨著固化劑摻量的增加增大，而兩種固化劑所配制固化土的28 d強度較接近，說明A型固化劑為早強型。隨著固化劑摻量的增加，兩種固化劑所配制固化土的強度增長系數(shù)均表現(xiàn)為線性降低后再趨緩，表明隨著固化劑摻量的增加，7 d強度的增長率要高于28 d強度。見圖4。

圖4 固化劑摻量與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系

若以28 d無側(cè)限抗壓強度＞300 kPa作為流態(tài)固化土用于次支路路堤層的標準，則流態(tài)固化土固化劑摻量應(yīng)不低于8%。

1.3 其他性質(zhì)

流態(tài)固化土硬化后的滲透系數(shù)通常為1×10-7～1×10-8cm/s，比天然土壤低2～3個數(shù)量級且1～2 a內(nèi)強度可持續(xù)增長，長期穩(wěn)定性較好[7]。

1.4 設(shè)計要求

作為一種質(zhì)量可控的低強度巖土工程材料，可根據(jù)應(yīng)用部位的不同，采用調(diào)整原料類型、配合比等方法，制備滿足相應(yīng)性能要求的流態(tài)固化土。與常規(guī)填料采用CBR、壓實度作為設(shè)計控制指標不同，流態(tài)固化土可參照無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料選用28 d無側(cè)限抗壓強度作為設(shè)計指標，同時采用坍落度來表征可泵性。道路用流態(tài)固化土設(shè)計指標應(yīng)根據(jù)實際工程要求確定，無特殊要求可參考表2。

2 工程應(yīng)用

2.1 試驗段設(shè)計

選擇中新天津生態(tài)城北島片區(qū)某主干路半幅路基作為試驗段，長140 m、寬15 m，劃分為兩個試驗區(qū)域，記為Z1、Z2。試驗段分兩層澆筑：下層厚80 cm，固化劑摻量10%；上層厚40 cm，固化劑摻量15%。試驗用土為薊運河支流故道吹填淤泥土，摻水后濕密度1.40 g/cm3，固化劑仍選擇室內(nèi)試驗所采用的某品牌A、B兩型固化劑，對應(yīng)區(qū)域分別為Z1、Z2。

2.2 施工要點

流態(tài)固化土現(xiàn)場制作、輸送與澆筑均采用自主研發(fā)的攪拌設(shè)備，具有泥漿濕密度、固化劑重量、固化土流量實時數(shù)顯功能。施工前，將試驗區(qū)域劃分為若干澆筑區(qū)塊，單區(qū)塊面積不超過400 m2，按照設(shè)計層厚分兩次澆筑完成，時間間隔控制在6～24 h。澆筑完畢后覆蓋塑料薄膜或防滲土工布進行保濕養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于7 d。

2.3 現(xiàn)場檢測成果分析

試驗段施工過程中留樣檢測7、28 d抗壓強度；養(yǎng)生后進行靜載試驗，測定路床頂承載力，使用便攜式落錘彎沉儀測定彎沉和回彈模量。

Z1區(qū)域上下兩層7 d抗壓強度均略高于Z2區(qū)域，28 d抗壓強度則較為接近，與室內(nèi)試驗結(jié)果一致。見表3。

表3 試驗段檢測結(jié)果

相同固化劑摻量的固化土28 d抗壓強度，現(xiàn)場比室內(nèi)試驗降低35%左右，這是由于養(yǎng)生環(huán)境、拌和均勻性等差異導(dǎo)致的，固化土在一定時間內(nèi)抗壓強度仍會緩慢提高，待后續(xù)鉆芯取樣驗證。試驗區(qū)域內(nèi)路床頂面回彈模量值均滿足規(guī)范要求（≥30 MPa）。Z1、Z2試驗區(qū)域承載力特征值滿足作為主干道路基的使用要求。

3 結(jié)論及展望

道路用流態(tài)固化土流動性能宜采用坍落度表征，初始含水率對流態(tài)固化土流動性的影響大于固化劑摻量的影響；無側(cè)限抗壓強度與固化劑性能和摻量、養(yǎng)生環(huán)境、施工水平等相關(guān)，可結(jié)合不同工程應(yīng)用部位的設(shè)計指標值綜合確定設(shè)計配合比、施工參數(shù)。試驗段檢測結(jié)果表明無側(cè)限抗壓強度、路床頂回彈模量等指標均滿足規(guī)范要求，流態(tài)固化土可應(yīng)用于路基處理層。

道路用流態(tài)固化土作為一種新興技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)道路結(jié)構(gòu)層碾壓成型方式，具有重要的工程價值、環(huán)保價值和現(xiàn)實意義，產(chǎn)業(yè)化前景可期。目前，該技術(shù)仍存在路用性能不佳、機械化程度低等不足，為提高其應(yīng)用于道路工程的適應(yīng)性，應(yīng)從高性能固化劑、施工成套設(shè)備研發(fā)以及固化土質(zhì)量控制、標準化等方面開展系統(tǒng)研究，以推動該技術(shù)的進步及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1）流態(tài)固化土拌和物初始含水量較高，采用一般道路用拌和固化劑難以兼顧強度和流動性能，亟需研發(fā)與土同族、共性、共融的納米級固化劑，激發(fā)潛能，降低固化劑摻量，提高流態(tài)固化土技術(shù)經(jīng)濟性。

2）淤泥土粉黏粒含量極高，常規(guī)攪拌設(shè)備很難將其攪拌均勻，限制了流態(tài)固化土技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)工程規(guī)模，道路用流態(tài)固化土可采用路拌和廠拌兩種方式，不同應(yīng)用場景的攪拌設(shè)備亟需開發(fā)。

3）流態(tài)固化土性能的改善、應(yīng)用場景的擴展以及其性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，仍需進一步深入研究。