摘要：本文利用環(huán)保型高強(qiáng)固化材料、鉆孔泥漿及水泥制備了固化鉆孔泥漿混合料，研究了固化鉆孔泥漿混合料的力學(xué)強(qiáng)度、耐久性及其在路面基層中的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：環(huán)保型高強(qiáng)固化材料可顯著提高鉆孔泥漿的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、水穩(wěn)定性、凍穩(wěn)定性及低溫收縮性能，使其滿(mǎn)足公路基層的各項(xiàng)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)指標(biāo)要求；通過(guò)工程應(yīng)用研究確定了固化鉆孔泥漿結(jié)構(gòu)層合理的施工機(jī)械組合及施工工藝，為后期的大面積施工提供合理的參考依據(jù)；相比于傳統(tǒng)基層材料，固化鉆孔泥漿混合料綜合造價(jià)和生態(tài)效益更優(yōu)，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。

關(guān)鍵詞：道路工程；路用性能；鉆孔泥漿；固化劑混合料；路面基層

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.2""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673-6478（2023）05-0191-06

Study on Properties of Solidified Drilling Mud Mixture and Its Applicationin Pavement Base

MIAO Haiyao BAI Zhen LI Pengfei CHEN Xianzhen

（1. Beijing Guodaotong Highway Design amp; Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100053， China; 2. Beijing Zhongdejianji Road and Bridge Engineering Technology Co.， Ltd.， Beijing 100097， China; 3. Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China）

Abstract： In this paper， the solidified drilling mud mixture is prepared by using environment?friendly high?strength solidified materials， drilling mud and cement. The results show that the environment?friendly high?strength curing material can significantly improve the unconfined compressive strength， splitting strength， compressive resilience modulus， water stability， freezing stability， and low?temperature shrinkage performance of drilling mud， making it meet the requirements of various design and construction technical indicators of highway base course. Through engineering application research， the reasonable construction machinery combination and construction technology of solidified drilling mud structure layer are determined， which provides a reasonable reference for later large?scale construction. Compared with traditional base materials， the solidified drilling mud mixture have better overall cost and ecological effects， and significant economic and environmental benefits.

Key words： road engineering; road performance; drilling mud; curing agent mixture; pavement base

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，交通建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，交通運(yùn)輸部《2022年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[1]顯示：2022年年末全國(guó)公路總里程達(dá)535.48萬(wàn)公里，公路養(yǎng)護(hù)里程達(dá)535.03萬(wàn)公里，建養(yǎng)任務(wù)嚴(yán)峻。傳統(tǒng)筑路方式需要消耗大量砂石材料，過(guò)度的炸山取石和挖河采砂將嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境[2]。數(shù)據(jù)顯示，每減少1噸石灰用量，可減少0.8噸CO₂氣體排放量；每減少1噸水泥用量，可減少0.52噸CO₂氣體排放量[3]。若全國(guó)每年筑路減少對(duì)砂石材料的開(kāi)采和使用，可使更多的植被得到保護(hù)，環(huán)境效益顯著。

相比于傳統(tǒng)筑路方式，利用環(huán)保型固化材料對(duì)土壤進(jìn)行固化，根據(jù)設(shè)計(jì)配比的不同，所得固化劑混合料的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性可滿(mǎn)足高等級(jí)公路底基層、二級(jí)及以下公路基層、村鎮(zhèn)道路基層和面層等的設(shè)計(jì)要求[4]。這將節(jié)約大量砂石材料，不僅減少砂石材料開(kāi)發(fā)及運(yùn)輸費(fèi)用，大大降低工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益顯著；而且炸山取石和挖河采砂的減少，將有利于對(duì)自然植被、河流的保護(hù)以及減少污染氣體的排放量，環(huán)境效益顯著。環(huán)保型固土技術(shù)將有利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)由依靠天然筑路材料向人工合成筑路材料的跨越，對(duì)綠色公路的建設(shè)起到重要支持作用。

公路樁基施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量鉆孔泥漿，這些泥漿呈弱酸性，具有數(shù)量大、含水率高、有機(jī)質(zhì)含量高、流變性大、不均勻、壓縮性高和透水性低等特點(diǎn)，無(wú)法直接用于公路工程建設(shè)，也無(wú)其他用途，主要做外運(yùn)堆填處理，這不僅運(yùn)輸成本高、占地量大，而且容易污染周?chē)h(huán)境，是工程施工管理的巨大隱患?[5]。實(shí)現(xiàn)鉆孔泥漿的資源化利用，不僅能節(jié)約生產(chǎn)成本，還可避免鉆孔泥漿對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。環(huán)保型固化材料的出現(xiàn)為鉆孔泥漿的資源化利用提供了新思路，其具有處理量大、處理時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，理論上可有效改善鉆孔泥漿的工程性質(zhì)，經(jīng)固化處理的鉆孔泥漿可應(yīng)用于堤防加固工程、市政工程和道路工程等，既能消耗大量的鉆渣，又可解決部分工程用土短缺的困難。但是，目前對(duì)固化鉆孔泥漿混合料的大多研究和應(yīng)用只局限于某個(gè)性能指標(biāo)，全方位的性能研究較為缺失，且耐久性指標(biāo)不明確，這在一定程度上限制了其的推廣應(yīng)用。

本文針對(duì)鉆孔泥漿的特殊性質(zhì)，選用CGJ環(huán)保型高強(qiáng)土壤固化材料將其固化處理，采用理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)固化鉆孔泥漿混合料的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性開(kāi)展研究，并結(jié)合實(shí)體工程應(yīng)用，多方面評(píng)價(jià)固化鉆孔泥漿混合料的應(yīng)用效果，為鉆孔泥漿的后續(xù)研究方向和實(shí)際工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，助推“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 鉆孔泥漿

鉆孔泥漿選用滬杭高速公路臨平段改建工程中橋梁鉆孔灌注樁打樁時(shí)產(chǎn)生的廢棄泥漿，泥漿呈黑紫色，流動(dòng)狀態(tài)，顆粒粒徑小于0.075mm。取樣后，對(duì)樣品采用保鮮袋密封以保證其初始含水率。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE—2007）[6]的相關(guān)規(guī)定，測(cè)試樣品的液限、塑限、含水率等基本物理性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.2 環(huán)保型高強(qiáng)固化材料

環(huán)保型高強(qiáng)固化材料選用北京中德建基路橋工程技術(shù)有限公司研發(fā)的CGJ環(huán)保型高強(qiáng)固化材料，其為無(wú)色透明黏稠狀液體，無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)腐蝕、無(wú)污染，具有很好的水溶性和貯存穩(wěn)定性。根據(jù)《土壤固化外加劑》（CJ/T 486—2015）[7]的相關(guān)規(guī)定測(cè)試其含固量、密度和pH值等基本性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.3 水泥

膠結(jié)材料選用市售42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能如表3所示。

1.4 試驗(yàn)方法

路面基層是路面結(jié)構(gòu)中的主要承重層，它對(duì)路基起到傳遞車(chē)輛荷載的作用。若路面基層力學(xué)強(qiáng)度不滿(mǎn)足規(guī)范和使用要求，其破壞行為將反射至路面面層，引起路面裂縫、龜裂、壅包和坑槽等破壞，道路性能及使用年限大大降低。另外，土壤中存在不穩(wěn)定的親水土顆粒，當(dāng)固化劑混合料長(zhǎng)期處于潮濕或者有水環(huán)境時(shí)，土顆粒中的親水礦物成分將會(huì)吸水膨脹，使原本形成的致密結(jié)構(gòu)變得松散，進(jìn)而產(chǎn)生水解現(xiàn)象，可能影響基層耐久性[8]。研究表明，很多土壤固化材料對(duì)于其混合料的凍融循環(huán)存在不利影響，或者說(shuō)改善效果較差[9?10]。因此，在易受地表水和冰凍災(zāi)害的北方寒冷地區(qū)，若固化劑混合料基層的耐久性較差，將影響路面的使用性能。

綜上，對(duì)固化鉆孔泥漿混合料的力學(xué)強(qiáng)度及耐久性開(kāi)展研究意義顯著。根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[11]中的相關(guān)規(guī)定分別測(cè)試固化鉆孔泥漿混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、水穩(wěn)定性、凍穩(wěn)定性及溫度收縮性能。

根據(jù)前期研究經(jīng)驗(yàn)，環(huán)保型高強(qiáng)固化材料摻量（外摻）一般占固化劑混合料質(zhì)量的0.015%～0.025%，水泥摻量（內(nèi)摻）一般占固化劑混合料質(zhì)量的4%～8%，因此選用0.015%、0.020%及0.025%的環(huán)保型高強(qiáng)固化材料摻量及4%、6%及8%的水泥摻量進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共計(jì)12種配比開(kāi)展試驗(yàn)。

2 固化鉆孔泥漿混合料力學(xué)強(qiáng)度研究

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

采用路面強(qiáng)度試驗(yàn)儀測(cè)試不同齡期和配比條件下試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖1所?示。

由表4和圖1可知：

（１）固化鉆孔泥漿混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而不斷增大，其28d和90d的后期強(qiáng)度提高幅度更大，且摻加固化材料的固化效果優(yōu)于僅利用水泥的固化效果。

（２）相同鉆孔泥漿和水泥配比條件下，固化鉆孔泥漿混合料在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著固化材料摻量的增加而逐漸增大；當(dāng)摻量由0.015%變化至0.020%時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加幅度要遠(yuǎn)大于摻量由0.020%變化至0.025%時(shí)的增大幅度，且摻量變化區(qū)間為0.020%～0.025%時(shí)，混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加微小或小幅度減小，說(shuō)明固化材料的最佳摻量不應(yīng)大于0.020%。

（３）相同固化材料摻量條件下，固化鉆孔泥漿混合料在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而不斷變大，但當(dāng)水泥摻量由6%變化到8%時(shí)，其增長(zhǎng)幅度減小，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，推薦水泥摻量不大于6%。

（４）固化鉆孔泥漿混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在1.2MPa以上，最高可超過(guò)3.0MPa，接近或大于水泥穩(wěn)定砂礫的強(qiáng)度，在路面基層具有較好的適用?性。

2.2 劈裂強(qiáng)度

由前文可知，當(dāng)水泥摻量為6%，環(huán)保型固化材料摻量為0.020%時(shí)，固化鉆孔泥漿混合料具有優(yōu)異的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且經(jīng)濟(jì)性較好。由于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為路面基層的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，故下文試驗(yàn)均按此配比開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)。劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知，相比于未摻加固化材料的鉆孔泥漿，摻加固化材料鉆孔泥漿的劈裂強(qiáng)度明顯提高，在推薦配比下，固化鉆孔泥漿混合料的劈裂強(qiáng)度在0.6MPa以上，可滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求的水穩(wěn)砂礫劈裂強(qiáng)度值（0.4～0.6MPa）要求。

2.3 抗壓回彈模量

試驗(yàn)得到固化鉆孔泥漿混合料的抗壓回彈模量結(jié)果如表6所示。

由表6可知，摻加環(huán)保型固化材料能夠顯著改善鉆孔泥漿的抗壓回彈模量，在推薦配比下，固化鉆孔泥漿混合料的抗壓回彈模量增大幅度約為29.2%，滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求的水穩(wěn)砂礫和二灰砂礫抗壓回彈模量值要求（1"300～1"700MPa），說(shuō)明固化材料對(duì)提高鉆孔泥漿的剛度具有積極作用。

3 固化鉆孔泥漿混合料耐久性研究

3.1 水穩(wěn)定性

固化鉆孔泥漿混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表7和圖2所示。

由表7和圖2可知，不同養(yǎng)護(hù)齡期下，摻加固化材料能夠顯著改善固化鉆孔泥漿混合料的水穩(wěn)定性，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，固化鉆孔泥漿混合料的水穩(wěn)定系數(shù)越來(lái)越大，即水穩(wěn)定性越來(lái)越好，且養(yǎng)護(hù)后期水穩(wěn)定系數(shù)的增長(zhǎng)幅度大于前期增長(zhǎng)幅度，說(shuō)明固化鉆孔泥漿混合料的后期水穩(wěn)定性越來(lái)越好。

3.2 凍穩(wěn)定性

經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)，試驗(yàn)得到固化鉆孔泥漿混合料的耐凍指數(shù)如表8所示。

由表8可知：

（１）摻加固化材料鉆孔泥漿的耐凍指數(shù)高于未摻加固化材料的混合料，說(shuō)明固化材料的摻加有利于提高鉆孔泥漿的凍穩(wěn)定性。

（２）相同凍融循環(huán)次數(shù)下，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，固化鉆孔泥漿混合料的耐凍指數(shù)越大，固化鉆孔泥漿混合料的后期凍穩(wěn)定性越好。

（３）在推薦配合比條件下，固化鉆孔泥漿混合料的耐凍系數(shù)約為0.6～0.8，明顯大于傳統(tǒng)路面基層材料二灰碎石和二灰土的耐凍指數(shù)區(qū)間（0.3～0.5），說(shuō)明固化鉆孔泥漿混合料抗凍性能更優(yōu)越。

3.3 低溫收縮性能

固化鉆孔泥漿混合料的低溫收縮性能試驗(yàn)結(jié)果如表9和圖3所示。

由表9和圖3可知：

（１）摻加固化材料的鉆孔泥漿，其低溫收縮系數(shù)小于未摻加固化材料的鉆孔泥漿，即低溫收縮量小，說(shuō)明固化材料能夠改善鉆孔泥漿的低溫收縮性能。

（２）固化鉆孔泥漿混合料的低溫收縮系數(shù)隨著溫度的降低而逐漸變大，說(shuō)明溫度變化幅度越大，低溫等級(jí)越高，混合料的收縮量越大，越不利于基層材料的穩(wěn)定。

4 固化鉆孔泥漿混合料工程應(yīng)用研究

4.1 工程概況

依托滬杭高速公路臨平段改建工程，將現(xiàn)狀滬杭高速公路中心線從海寧段的京杭運(yùn)河二通道段的起點(diǎn)整體向南偏移50m，平移后與老路凈距約5～10m，走向與現(xiàn)狀滬杭高速公路基本平行，全線采用高架橋梁依次跨越東湖南路、東湖快速路、余杭互通（遷改）、南大街、迎賓路（改地面）、規(guī)劃星都大道后，又偏回與滬杭高速公路相接，終點(diǎn)于杭浦高速分離橋附近。

本試驗(yàn)段位于此次施工標(biāo)段標(biāo)頭位置，寬6.0m，利用環(huán)保型高強(qiáng)固化材料將鉆孔泥漿分3層固化壓實(shí)，以30cm控制分層壓實(shí)固化，第一層長(zhǎng)50.0m，第二層長(zhǎng)40.0m，第三層長(zhǎng)30.0m，并測(cè)試固化鉆孔泥漿混合料的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

4.2 方案設(shè)計(jì)

（１）路面基層結(jié)構(gòu)

第一層：30cm固化鉆孔泥漿混合料，填料最小承載比CBR（%）為4；壓實(shí)度?93%。

第二層：30cm固化鉆孔泥漿混合料，填料最小承載比CBR（%）為5；壓實(shí)度?94%。

第三層：30cm固化鉆孔泥漿混合料，填料最小承載比CBR（%）為8；壓實(shí)度?96%。

（２）配比設(shè)計(jì)

第一層：4%普通硅酸鹽水泥（PO42.5）、0.010%環(huán)保型高強(qiáng)固化材料。

第二層：6%普通硅酸鹽水泥（PO42.5）、0.015%環(huán)保型高強(qiáng)固化材料。

第三層：6%普通硅酸鹽水泥（PO42.5）、0.020%環(huán)保型高強(qiáng)固化材料。

4.3 施工工藝

采用路拌法施工，施工機(jī)械設(shè)備、步驟及工藝如表10～表11所示。

4.4 應(yīng)用效果

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTGT F20—2015）[12]相關(guān)規(guī)定進(jìn)行應(yīng)用效果檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

通過(guò)對(duì)上述施工和應(yīng)用效果檢測(cè)情況的分析可知，鉆孔泥漿固化技術(shù)在公路基層中的應(yīng)用取得了較好的效果，固化鉆孔泥漿混合料性能可滿(mǎn)足各項(xiàng)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)指標(biāo)的要求，符合高速公路路基設(shè)計(jì)要求，這對(duì)鉆孔泥漿的資源化利用有積極作用。

5 結(jié)論

（1）環(huán)保型高強(qiáng)固化材料對(duì)高等級(jí)公路的底基層和二級(jí)及以下公路的基層適用性較好，在北方寒冷地區(qū)將有利于延長(zhǎng)有效工期。

（2）相比于僅摻加水泥的鉆孔泥漿，摻加環(huán)保型高強(qiáng)固化材料的鉆孔泥漿水穩(wěn)定性和低溫收縮性得到明顯改善。

（3）綜合路面基層材料造價(jià)和生態(tài)效益分析，環(huán)保型高強(qiáng)固化材料的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著，具有良好的市場(chǎng)前景。

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