丁飛鵬

（浙江交通資源投資有限公司，浙江 杭州 310020）

0　引言

道路橋梁工程中鉆孔打樁排出的泥漿是目前道路建設(shè)工程中廢棄土的來(lái)源之一，而對(duì)于這些高含水率泥漿（w＞100%），通常的處理方法就是就地征地臨時(shí)堆放化處理，并采取自然蒸干，但由于儲(chǔ)存泥漿的泥漿池面積大、深度深，經(jīng)常出現(xiàn)表層水分蒸發(fā)較快以至出現(xiàn)龜裂，下部含水率依舊很高的現(xiàn)象。外運(yùn)處理費(fèi)用比較昂貴，且泥漿池危險(xiǎn)性很高，長(zhǎng)時(shí)間不處理會(huì)加劇危險(xiǎn)，占用土地資源。現(xiàn)如今，對(duì)于優(yōu)質(zhì)路基填料的需求日益增大，而政府對(duì)于開(kāi)山采石的限制使得宕渣填料的開(kāi)采量減小，這種供不應(yīng)求的關(guān)系導(dǎo)致路基填料變得緊缺昂貴。因而在響應(yīng)“資源節(jié)約、環(huán)境友好”型發(fā)展新模式下，科學(xué)合理地處理和充分利用工程廢棄土方，成為逐步摒棄粗放型發(fā)展建設(shè)模式過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。

本文針對(duì)高含水率泥漿進(jìn)行就地固化處理作為路基填料，通過(guò)一系列技術(shù)改良措施，使廢棄土方轉(zhuǎn)化為具有一定強(qiáng)度和滲透性的公路路基填方材料[1]。

1　泥漿物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)選用的土樣為依托工程中橋梁鉆孔灌注樁打樁排出的廢棄泥漿，泥漿沉淀池表面水膜厚度為2～4 cm，取土位置為水面以下20 cm。土樣呈黃色，流動(dòng)狀態(tài)，含少量細(xì)砂。由于初始含水率對(duì)土體固化影響效果很大，因此土樣取后用保鮮袋包裝嚴(yán)密。

采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定土體的界限含水率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。天然土料的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1　界限含水率測(cè)定

表2　天然土料基本物理指標(biāo)

2　室內(nèi)固化試驗(yàn)

由于廢棄泥漿的含水率很高，呈現(xiàn)很大的流動(dòng)性，因此對(duì)其進(jìn)行改良固化，以提高廢棄泥漿的工程性能。本文選用傳統(tǒng)的固化材料水泥、生石灰以及粉煤灰，其中水泥產(chǎn)自安徽某水泥股份有限公司，生石灰產(chǎn)自中國(guó)無(wú)錫，粉煤灰產(chǎn)自浙江桐鄉(xiāng)市某粉煤灰有限公司。

2.1　固化機(jī)理

2.1.1石灰固化劑

石灰作為固化劑加入土體中與土之間發(fā)生強(qiáng)烈的物理化學(xué)作用，從而使土的性質(zhì)發(fā)生根本改變，土的力學(xué)性質(zhì)得到顯著的改善。石灰穩(wěn)定初期表現(xiàn)在顆粒間產(chǎn)生膠結(jié)，土的塑性降低，后期表現(xiàn)在結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成，土的板體性、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性的提高[1]。

2.1.2水泥固化劑

將水泥摻入到土中后，在水的參與下水泥會(huì)發(fā)生水解和水化反應(yīng)，產(chǎn)生水合水化物，這些水泥水化物會(huì)與黏土顆粒產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，形成水泥石骨架，該骨架具有整體性好、水穩(wěn)定性高和一定強(qiáng)度等特征，從而提高了土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，改變了膨脹性土原有的性質(zhì)，使其工程性質(zhì)得到了改善。

2.1.3粉煤灰固化劑

粉煤灰固化機(jī)理主要有兩種：

（1）吸附理論。這種理論認(rèn)為固化作用是由固化劑與被固化物分子在相界面層上相互吸附產(chǎn)生的,屬物理吸附。而更為普遍的解釋則認(rèn)為，固化劑與被固化物之間的吸附不僅有分子間相互作用力——次價(jià)力，而且還有原子之間的相互作用力——主價(jià)力，即物理作用與化學(xué)作用的共同結(jié)果。

（2）化學(xué)結(jié)合理論。這種理論認(rèn)為固化作用是固化劑與被固化物之間的化學(xué)力——主價(jià)力結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)[2-6]。

2.2　無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

室內(nèi)對(duì)單摻7%、9%、11%、13%生石灰和水泥的固化泥漿進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。圖1為單摻生石灰后固化泥漿的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。圖2為單摻水泥后固化泥漿的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。

圖1　不同摻量生石灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

由圖1和圖2可知：

（1）單摻生石灰，固化泥漿的前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。

圖2　不同摻量水泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

（2）單摻水泥，固化泥漿的前期強(qiáng)度增長(zhǎng)要大于后期強(qiáng)度增長(zhǎng)。

（3）與單摻生石灰的強(qiáng)度相比，單摻水泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高得多，說(shuō)明水泥對(duì)于泥漿的固化效果比生石灰的固化效果好。因此選用水泥作為泥漿固化的主固化劑。

不同配比下泥漿改良土的28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　不同配比泥漿固化土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表3可知，隨著水泥摻量的增加，強(qiáng)度增大的幅度增大；當(dāng)水泥摻量增長(zhǎng)到11%，泥漿改良土的28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為330 kPa，滿(mǎn)足經(jīng)驗(yàn)要求的28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于200 kPa。

考慮到經(jīng)濟(jì)性，為了降低造價(jià)，使用粉煤灰替代配比中的部分水泥，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，在6%水泥+5%粉煤灰的配比下，泥漿改良土的28 d強(qiáng)度可以達(dá)到245 kPa，在滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求下達(dá)到最良好的經(jīng)濟(jì)效益，為最優(yōu)配比。

3　泥漿改良的施工工藝

3.1　工程概況

試驗(yàn)路段位于跨杭平申航道嘉海公路橋改造工程1號(hào)橋西橋頭段，具體樁號(hào)為K2+520～K2+630。該次試驗(yàn)主要針對(duì)路堤120 cm高度開(kāi)展相關(guān)填筑試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)對(duì)原地面進(jìn)行處理，如圖3所示。

3.2　改良泥漿拌合及路基填筑施工技術(shù)

目前施工現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的拌合工藝主要包括廠(chǎng)拌法和路拌法，這些傳統(tǒng)的拌合方法對(duì)于高流動(dòng)性、高含水率的泥漿并不適用。本文針對(duì)泥漿的特殊性，在采用水泥和粉煤灰傳統(tǒng)固化材料的基礎(chǔ)上，引進(jìn)芬蘭固化穩(wěn)定系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備——ALLU強(qiáng)力攪拌頭并完成了就地固化設(shè)備關(guān)鍵部位的國(guó)內(nèi)匹配。圖4和圖5為對(duì)廢棄泥漿進(jìn)行就地固化。

圖3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段截面圖（單位：cm）

圖4　ALLU PMX300動(dòng)力混合器（攪拌頭）

圖5　ALLU自動(dòng)控制供料系統(tǒng)

就地固化拌合施工工藝主要包括施工準(zhǔn)備、就地拌合、松鋪碾壓、檢修檢驗(yàn)、整修驗(yàn)收等階段。施工準(zhǔn)備中要做好ALLU拌合機(jī)械、水泥罐、粉煤灰罐以及場(chǎng)地的準(zhǔn)備工作；就地拌合階段要預(yù)先畫(huà)出網(wǎng)格，計(jì)算單個(gè)打設(shè)點(diǎn)水泥、粉煤灰劑量以及每個(gè)網(wǎng)格所有打設(shè)點(diǎn)；在固化劑自動(dòng)定量供料系統(tǒng)中提前設(shè)定水泥、粉煤灰的需量，先沿著泥漿外沿拌合后以已固化好的區(qū)域?yàn)楣袒脚_(tái)，推進(jìn)式地進(jìn)行下個(gè)區(qū)域的固化處理；松鋪碾壓階段是在固化后泥漿達(dá)到最優(yōu)含水率附近即可進(jìn)行填筑碾壓，每層碾壓的松鋪厚度為22～25 cm。

4　現(xiàn)場(chǎng)泥漿改良土的固化特性分析

含水率、壓實(shí)度以及CBR是路基填筑過(guò)程中的重要控制指標(biāo)，是保證路基工程質(zhì)量的前提。

4.1　擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用相同的擊實(shí)功，對(duì)原狀泥漿、悶料3 d以及28 d的固化泥漿的擊實(shí)特性進(jìn)行了對(duì)比，研究不同狀態(tài)下泥漿的最優(yōu)含水率以及最大干密度的變化情況。圖6為未固化泥漿與固化泥漿的擊實(shí)曲線(xiàn)，其最優(yōu)含水率及最大干密度的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖6　未處理泥漿、處理泥漿的擊實(shí)曲線(xiàn)

表4　未處理泥漿、處理泥漿最優(yōu)含水量及最大干密度

由圖6和表4可知：

（1）與未處理泥漿相比，處理后泥漿的最優(yōu)含水率增大，而最大干密度減小。且在固化初期，泥漿固化土的最優(yōu)含水率大幅度增大，而最大干密度則大幅度減小，這與固化土最大干密度受到固化劑比重的影響的結(jié)論不一致（水泥Gs=3.15，生石灰Gs=2.2，粉煤灰Gs=2.55，按照加權(quán)平均法，固化后泥漿比重Gs=2.75＞固化前泥漿比重Gs=2.72）。之前的研究表明由于水泥的高比重使得摻入后土體最大干密度增大，生石灰的比重較低則使得最大干密度減小。因而最大干密度與固化劑比重的關(guān)系并不大，而是由于加入固化劑與土體發(fā)生一系列反應(yīng)改良了土體的級(jí)配以及土顆粒之間的間隙從而影響著最大干密度。

（2）固化劑在土體中發(fā)生一系列的物化反應(yīng)需要水的參與，使得最優(yōu)含水量增加。但由于固化劑在土體中發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)越加充分，活性減弱，生成越來(lái)越多的水化產(chǎn)物以及聚合物，使得最大干密度隨著悶料天數(shù)的增加不斷增大，悶料3 d后最大干密度為1.31 g/cm3，到28 d增大至1.58 g/cm3。而最優(yōu)含水率開(kāi)始呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，從24.26%減低至20.79%。

4.2　含水率試驗(yàn)

固化后泥漿含水率的變化對(duì)整個(gè)施工的影響至關(guān)重要，它關(guān)系著何時(shí)開(kāi)挖泥漿改良土填料，何時(shí)填筑碾壓。因而跟蹤改良土的含水率變化是必要的，尤其對(duì)于含水率高達(dá)130%左右的泥漿，是否成功降下含水率關(guān)系著固化施工的成敗。

試驗(yàn)對(duì)悶料不同天數(shù)的泥漿改良土含水率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　含水率隨悶料天數(shù)的變化

由圖7可知，固化后泥漿在初拌合結(jié)束后，含水率急劇降低，由130%降到87.2%；后期含水率降低的幅度減小，以平穩(wěn)的速度不斷減?。划?dāng)悶料25 d時(shí)，含水率降至23.6%，此時(shí)可以將改良土從泥漿池中挖出，用于填筑碾壓。

圖8和圖9為含水率與最大干密度及最優(yōu)含水率的關(guān)系。

圖8　含水率與最大干密度的關(guān)系

由圖8和圖9可知：

（1）隨著固化后泥漿含水率降低，最大干密度增大。這是由于固化劑與泥漿土樣不斷發(fā)生反應(yīng)，消耗孔隙間的水分，生成結(jié)晶水，從而使得固化泥漿的最大干密度增加。

（2）隨著含水率的降低，最優(yōu)含水量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這是由于固化土中的水化反應(yīng)程度不斷減弱，漸漸呈現(xiàn)穩(wěn)定平衡的趨勢(shì)，反應(yīng)消耗的水分子不斷減小，因而最優(yōu)含水率開(kāi)始減低。

4.3　加州承載比（CBR）試驗(yàn)

加州承載比（CBR）表征了填料抵抗局部荷載壓入變形的承載能力，被用來(lái)衡量路基填料的強(qiáng)度，是公路路基設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。試驗(yàn)段中泥漿改良土用作路床填筑，CBR＞4%即可滿(mǎn)足要求。圖10為CBR與悶料天數(shù)的關(guān)系。圖11為不同含水率對(duì)應(yīng)的CBR值。由圖10和圖11可知：

圖10　CBR與悶料天數(shù)的關(guān)系

圖11　CBR與含水率的關(guān)系

（1）泥漿改良土的CBR值隨著悶料天數(shù)不斷增長(zhǎng)，在悶料第7 d，CBR達(dá)到6.3%，此時(shí)已經(jīng)滿(mǎn)足規(guī)范填筑要求，此時(shí)土料的含水率為59.5%，離最優(yōu)含水量還有一定距離，因而CBR并不能作為路基填筑的唯一指標(biāo)。

（2）含水率越小，泥漿改良土的CBR值越高。

4.4　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

拌合完成的泥漿固化土悶料30 d后，使用挖機(jī)從泥漿池中挖出運(yùn)至試驗(yàn)段附近，進(jìn)行路堤攤鋪碾壓。碾壓完成后，根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60—2008）對(duì)路堤進(jìn)行壓實(shí)度以及路面彎沉進(jìn)行檢測(cè)[7]。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的壓實(shí)度見(jiàn)表5。根據(jù)路堤規(guī)范要求，一級(jí)公路下路堤的壓實(shí)度不小于93%，由表5可知，試驗(yàn)路段的路基壓實(shí)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表5　壓實(shí)度

對(duì)試驗(yàn)路段的彎沉進(jìn)行檢測(cè)：右車(chē)道的彎沉代表值為129.5（0.01 mm），左車(chē)道的彎沉代表值為148（0.01 mm）。試驗(yàn)路段彎沉的檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足土基的彎沉驗(yàn)收值小于266.5（0.01 mm）的驗(yàn)收要求。

5　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高含水率、高流動(dòng)性的鉆孔灌注樁泥漿的固化特性以及現(xiàn)場(chǎng)固化施工工藝進(jìn)行了研究。并選取常見(jiàn)的固化劑生石灰、水泥及粉煤灰對(duì)其基本固化性能進(jìn)行了對(duì)比研究，選出最優(yōu)配比方案。在最優(yōu)配比上，研究現(xiàn)場(chǎng)泥漿處理現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，并對(duì)拌合均勻的泥漿固化土進(jìn)行了一系列的固化后特性分析，發(fā)現(xiàn)以下結(jié)果：

（1）水泥對(duì)于廢棄泥漿的固化效果要優(yōu)于生石灰，最優(yōu)配比選用6%水泥+5%粉煤灰。

（2）現(xiàn)場(chǎng)的拌合施工使用芬蘭ALLU公司出品的固化穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)泥漿進(jìn)行就地固化的施工工藝，取得很好的固化效果。

（3）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)固化后的泥漿進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：固化后泥漿的最優(yōu)含水率增大，而最大干密度減小，并且隨著悶料天數(shù)的增加，最優(yōu)含水量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，最大干密度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。由此可以看出最大干密度與比重的關(guān)系并不大，影響最大干密度的主要是土體間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

（4）施工過(guò)程中不能單獨(dú)以CBR作為填料是否能填筑碾壓的基礎(chǔ)，還應(yīng)結(jié)合含水率的變化，最優(yōu)含水量附近的土樣碾壓才可以達(dá)到最大壓實(shí)度，從而滿(mǎn)足壓實(shí)度的規(guī)范要求。