渣土改良為流動(dòng)化回填土的應(yīng)用

朱 偉，趙 笛，范惜輝，吳思麟，吳 勇

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

隨著水環(huán)境治理工程如火如荼地展開(kāi)，各城市雨污分流及污水管網(wǎng)相關(guān)工程產(chǎn)生大量渣土。渣土外運(yùn)不但引起城市交通問(wèn)題而且需要大面積受納場(chǎng)地堆放，在城市建成區(qū)難以保證。另一方面管道回填時(shí)需要良好的填方材料，且管道回填時(shí)施工操作空間狹小，傳統(tǒng)回填材料(土質(zhì)填料、級(jí)配砂石填料等)與結(jié)構(gòu)物界面存在死角，導(dǎo)致碾壓夯實(shí)質(zhì)量難以保證，常常誘發(fā)工程病害[1-2]。對(duì)于一些城市道路路面塌陷等險(xiǎn)情，傳統(tǒng)回填技術(shù)難以滿足快速施工條件和良好回填質(zhì)量要求[3]。

流動(dòng)化回填土(controlled low-strength material，CLSM)是一種具有流動(dòng)性、可澆筑施工，通過(guò)添加固化材料形成適宜強(qiáng)度的新型回填材料[4]。它一般由水、水泥、粉煤灰、粗骨料、細(xì)骨料組成，針對(duì)實(shí)際需求也可摻入添加劑。礦渣、采石場(chǎng)粉塵、池塘底泥、高塑性黏土、建筑垃圾等固體廢棄物作為骨料配制成流動(dòng)化回填土均有應(yīng)用，但主要為室內(nèi)配比設(shè)計(jì)，驗(yàn)證其資源化利用的可行性[5-12]。因此，將管道開(kāi)挖產(chǎn)生的渣土，就地進(jìn)行流動(dòng)化處理后進(jìn)行管道回填，是同時(shí)解決渣土處理、填方材料購(gòu)買(mǎi)和回填施工三方面問(wèn)題的解決方案。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不免存在以下問(wèn)題：用渣土配制流動(dòng)化土的配比規(guī)律是怎樣的？試驗(yàn)配比是否能夠應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工？工程施工完成后，質(zhì)量怎樣評(píng)價(jià)？研究這些問(wèn)題對(duì)于這種工藝推廣實(shí)施具有重要意義。用開(kāi)挖渣土配制流動(dòng)化回填土雖然在日本、美國(guó)有較多應(yīng)用[13-16]，但在國(guó)內(nèi)仍然處于室內(nèi)試驗(yàn)階段[17-18]，對(duì)于這些問(wèn)題還欠缺調(diào)查及研究，僅僅實(shí)驗(yàn)室尺度的研究無(wú)法解決這些問(wèn)題。

筆者結(jié)合東莞茅洲河治理中管網(wǎng)埋設(shè)工程，采用現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖渣土進(jìn)行流動(dòng)化回填土的配制，在確定配方的前提下首次開(kāi)展了使用渣土澆筑回填管網(wǎng)的示范工程，并對(duì)后續(xù)效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，以期為該領(lǐng)域研究和施工應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 工 程 概 況

深圳茅洲河水環(huán)境綜合整治工程項(xiàng)目的管網(wǎng)建設(shè)工程，管網(wǎng)采用DN400塑鋼管，埋深2.7～3.0 m，支護(hù)采用Ⅳ型拉森鋼板樁，如圖1所示。管網(wǎng)鋪設(shè)普遍處于建筑密集的市區(qū)，大型施工設(shè)備不易進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)。基槽開(kāi)挖并放入管道后使用普通回填土(石粉渣)進(jìn)行回填，由于空間狹小難以進(jìn)行碾壓施工，雖然采用了浸水密實(shí)施工但回填土密實(shí)度不足，后續(xù)鋼板樁拔樁后管道周邊產(chǎn)生了較大沉降。同時(shí)基槽開(kāi)挖產(chǎn)生的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、淤泥質(zhì)黏土等渣土需要大量外運(yùn)，但難以找到合適的處理場(chǎng)地。這兩方面因素對(duì)工程實(shí)施產(chǎn)生了重要影響。

圖1 基槽斷面(單位：m)Fig.1 Sectional views of foundation groove(units:m)

為了解決上述問(wèn)題，提出了將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖渣土原位配制成流動(dòng)化回填土進(jìn)行管道基槽回填的方法。利用流動(dòng)化回填土自流平、自密實(shí)特性解決傳統(tǒng)回填土碾壓不密實(shí)的問(wèn)題，同時(shí)避免了渣土外運(yùn)，既能控制過(guò)大的地基變形，又實(shí)現(xiàn)了“土方平衡”。在項(xiàng)目實(shí)際施工過(guò)程中，由于需要快速施工，管道回填完成后需要盡快拔除鋼板樁。結(jié)合工程實(shí)際，考慮采用了早強(qiáng)型流動(dòng)化回填土進(jìn)行施工。在將流動(dòng)化回填土澆筑至回填區(qū)域時(shí)，流動(dòng)值是流動(dòng)化回填土最重要指標(biāo)之一，一般流動(dòng)值為200～300 mm時(shí)具有良好的填充性[15-16]，可達(dá)到良好填充效果。考慮需要快速恢復(fù)路面交通，設(shè)定流動(dòng)化回填土1 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到100 kPa，而考慮后續(xù)維護(hù)可能需要開(kāi)挖，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)定為300 kPa[18]。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)材料

渣土取自東莞茅洲河流域治理管道基槽開(kāi)挖土，渣土的物理性質(zhì)指標(biāo)按照土工標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合Malvern Mastersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行測(cè)定。測(cè)得含水率為16.69%，密度為1.98 g/cm3，液限為31.4%，塑限為21.8%。顆粒級(jí)配如圖2所示。固化材料為快硬硫鋁酸鹽水泥42.5級(jí)。減水劑為聚羧酸高性能減水劑，水為日常所用潔凈自來(lái)水。

圖2 渣土顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Particle distribution curve of residue soil

2.2 試驗(yàn)方案

為明確現(xiàn)場(chǎng)所需早強(qiáng)型流動(dòng)化回填土施工配比，設(shè)計(jì)了12組不同配比早強(qiáng)型流動(dòng)化回填土回填材料，見(jiàn)表1。其中減水劑摻量以水泥質(zhì)量百分比計(jì)算，由于采用水泥為硫鋁酸鹽水泥，在建議摻量的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大摻量范圍進(jìn)行試驗(yàn)，確定摻量為0.4%時(shí)流行性效果最好。硫鋁酸鹽水泥和水用量分別通過(guò)水固比(水與固體材料，包括渣土、硫鋁酸鹽水泥干質(zhì)量比)和灰砂比(硫鋁酸鹽水泥與渣土干質(zhì)量比)2個(gè)參數(shù)計(jì)算得到。

表1 流動(dòng)化回填土設(shè)計(jì)配比

2.3 試驗(yàn)方法

室內(nèi)試驗(yàn)中早強(qiáng)型流動(dòng)化回填土制備采用B10小型電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，將渣土、固化材料倒入攪拌機(jī)中干拌1 min后，將聚羧酸減水劑與水混合后加入其中，再次濕拌1.5 min后制得拌和物。流動(dòng)性測(cè)量參考日本道路公團(tuán)《引氣砂漿和引氣灰漿的試驗(yàn)方法》[19]，采用流動(dòng)值作為流動(dòng)性指標(biāo)。試驗(yàn)裝置為厚壁圓筒，內(nèi)徑8 cm，高度8 cm，壁厚l cm，材料為有機(jī)玻璃，如圖3所示。裝樣完成后將有機(jī)玻璃圓筒垂直向上輕輕提起，30 s后，用鋼尺測(cè)量拌合物攤開(kāi)后最大直徑和最小直徑，取二者平均值為流動(dòng)值。為保證試驗(yàn)可靠性，每組需進(jìn)行2～3次平行試驗(yàn)，以平均值作為最終流動(dòng)值。

強(qiáng)度試驗(yàn)所用儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀，模具成型試樣尺寸為直徑39.1 mm、高80 mm圓柱試樣。為減小試驗(yàn)誤差，每組試樣測(cè)3個(gè)平行樣。

圖3 流動(dòng)性測(cè)量裝置Fig.3 Fluidity measuring device

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出，流動(dòng)化回填材料流動(dòng)值隨著水固比增大而增大。在相同灰砂比條件下，用水量越多，流動(dòng)性越大，用水量增加導(dǎo)致土顆粒間黏結(jié)力減小，從而流動(dòng)性增大。當(dāng)水固比為0.60時(shí)，流動(dòng)性基本滿足要求。水固比一定時(shí)，隨著灰砂比增加，流動(dòng)性有一定增加，隨著灰砂比增大，水泥用量增大，相應(yīng)地增加了減水劑的用量，造成流動(dòng)性增加。

圖4 不同配比下的流動(dòng)性Fig.4 Fluidity under different mix ratios

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要操作時(shí)間，測(cè)量了0.5 h后拌和物流動(dòng)性，如圖5所示。整體流動(dòng)性變化趨勢(shì)基本不變，但是流動(dòng)值均有較大降低，當(dāng)水固比為0.63，灰砂比為0.20時(shí)，流動(dòng)值降低約53.5 mm。由于硫鋁酸鹽水泥水化反應(yīng)速度較快，導(dǎo)致促進(jìn)流動(dòng)性的自由水迅速較少，流動(dòng)值降低較多。因此，當(dāng)運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)或者需要泵送時(shí)，要考慮流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失。針對(duì)這一問(wèn)題，可以通過(guò)提高設(shè)計(jì)流動(dòng)值或者加入一定量緩凝劑進(jìn)行控制。當(dāng)流動(dòng)性為200～300 mm時(shí)，流動(dòng)性能夠滿足自流平、自密實(shí)要求，因此水固比為0.63、灰砂比為0.15～0.20時(shí)，滿足流動(dòng)性設(shè)計(jì)。

圖5 不同配比下0.5 h時(shí)的流動(dòng)性Fig.5 Fluidity at 0.5h under different mix ratios

隨著水泥水化反應(yīng)進(jìn)行，流動(dòng)化回填材料逐漸硬化，產(chǎn)生強(qiáng)度。圖6和圖7為養(yǎng)護(hù)1 d和養(yǎng)護(hù)28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與配比參數(shù)之間的關(guān)系。當(dāng)水固比一定時(shí)，隨著灰砂比增大，強(qiáng)度顯著增加。養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為63～171 kPa，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為193～705 kPa。水固比對(duì)于強(qiáng)度有一定影響，主要是增加了自由水含量，導(dǎo)致強(qiáng)度較低。強(qiáng)度增長(zhǎng)決定性因素是水泥用量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間，也就是取決于水泥水化作用。灰砂比可以作為一個(gè)控制強(qiáng)度的有效參數(shù)。當(dāng)水固比為0.54～0.63、灰砂比為0.15時(shí)，1 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足要求。

圖6 不同水固比下1 d強(qiáng)度變化Fig.6 One-day strength change at different water-solid ratios

圖7 不同水固比下28 d強(qiáng)度變化Fig.7 28-day strength change at different water-solid ratios

結(jié)合前文提到工程中對(duì)于流動(dòng)性和強(qiáng)度指標(biāo)要求，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性因素，當(dāng)水固比為0.63，灰砂比為0.15時(shí)，滿足要求。

圖8是水固比為0.63時(shí)拌合物隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)情況。試樣在2 h時(shí)即獲得一定強(qiáng)度，當(dāng)灰砂比為0.15時(shí)，強(qiáng)度可達(dá)24 kPa，強(qiáng)度在前7 d增長(zhǎng)非常迅速，在7 d之后增長(zhǎng)速率放緩，但是仍有提升，最終28 d強(qiáng)度達(dá)到390 kPa，滿足要求。

圖8 不同灰砂比下強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化Fig.8 Strength of different cement sand ratio changes with the age of curing

圖9 強(qiáng)度與破壞應(yīng)變的關(guān)系Fig.9 Relationship between strength and failure strain

由試驗(yàn)結(jié)果可知，流動(dòng)性隨著水固比增加而增加，強(qiáng)度隨著灰砂比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而增加。由此可以得出，流動(dòng)性主要受用水量控制，而強(qiáng)度主要受水泥水化作用影響。水固比和灰砂比可以作為流動(dòng)化回填土配比指標(biāo)參數(shù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工及檢測(cè)

為進(jìn)一步探究早強(qiáng)型流動(dòng)化回填土技術(shù)是否可行，是否可以使用現(xiàn)有混凝土拌和設(shè)備進(jìn)行施工并得到室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量差異，在東莞茅洲河治理工程塘廈鎮(zhèn)管網(wǎng)埋設(shè)工程中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)段長(zhǎng)度為4 m，回填量約為20 m3。設(shè)計(jì)澆筑時(shí)流動(dòng)度為200 mm，3 d強(qiáng)度為150 kPa，28 d強(qiáng)度為300 kPa，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果配比取水固比為0.63、灰砂比為0.15。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，現(xiàn)場(chǎng)拌和流動(dòng)化回填土流動(dòng)值有一定波動(dòng)，是由于現(xiàn)場(chǎng)拌和不均勻產(chǎn)生的。相比室內(nèi)拌和物流動(dòng)值折減約15%，0.5 h后現(xiàn)場(chǎng)拌和物流動(dòng)值降低約20%。對(duì)比28 d強(qiáng)度可以看到，相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，強(qiáng)度有一定折減，大約折減21%，但是強(qiáng)度仍能滿足要求。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要考慮流動(dòng)性和強(qiáng)度折減。由前言所述，在管道回填過(guò)程中，一般采用壓實(shí)度進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，但是壓實(shí)度對(duì)于流動(dòng)化回填土不適用，在現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行了加州承載比(CBR)試驗(yàn)[21]，測(cè)得7 d CBR值約為40%，28 d約為50%，而當(dāng)CBR值為30%～60%時(shí)，可以作為一個(gè)較好的基礎(chǔ)材料[6]。早強(qiáng)型流動(dòng)化回填土在7 d時(shí)就可以滿足要求。由圖10可以看到，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，這與文獻(xiàn)[15]結(jié)果近似。同時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與灰砂比存在著相關(guān)關(guān)系，是否可以直接建立CBR值與灰砂比、齡期的關(guān)系后面值得更進(jìn)一步研究。

圖10 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與CBR的關(guān)系Fig.10 Relationship between unconfined compressive strength and CBR

4 討 論

為更加經(jīng)濟(jì)、實(shí)用地確定流動(dòng)化回填土配方，解決多樣性渣土配制問(wèn)題。根據(jù)圖4～5，流動(dòng)性主要受水固比影響，當(dāng)灰砂比為0.15時(shí)，水固比從0.54增加到0.63時(shí)，流動(dòng)值從165.5 mm增加到242 mm。流動(dòng)性形成主要是添加用水量后，拌和物中自由水增多，拌合物之間黏結(jié)力減小，使得流動(dòng)性增加。強(qiáng)度主要受灰砂比控制，隨著灰砂比增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增加。從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果看，硫鋁酸鹽水泥具有較為明顯的早強(qiáng)效果，當(dāng)水固比為0.63，灰砂比為0.15時(shí)，在2h時(shí)即獲得一定強(qiáng)度，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)24 kPa，養(yǎng)護(hù)1 d后可達(dá)到98 kPa，28 d強(qiáng)度可達(dá)390 kPa，施工性能較好。由圖10可以看出，流動(dòng)化回填土CBR值與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間具有較好的線性關(guān)系，因此可以根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度來(lái)預(yù)測(cè)其CBR值是否能夠滿足工程要求。

一般情況下可以選擇流動(dòng)值和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為流動(dòng)化回填土質(zhì)量控制指標(biāo)，而水固比和灰砂比可以作為流動(dòng)化回填土配比參數(shù)指標(biāo)，當(dāng)水固比為0.63，灰砂比為0.15時(shí)，能夠較好地滿足回填施工性能。但是，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)流動(dòng)性和強(qiáng)度存在著一定折減，流動(dòng)性折減約15%，28 d強(qiáng)度折減約21%。同時(shí)，針對(duì)需要進(jìn)行運(yùn)輸?shù)裙r，0.5 h后流動(dòng)值相比新拌流動(dòng)化土流動(dòng)值也有較大折減，折減約20%。因此，在后續(xù)工程設(shè)計(jì)中，可以參考相應(yīng)折減系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

a. 在東莞茅洲河治理的管網(wǎng)埋設(shè)工程中使用基槽開(kāi)挖產(chǎn)生的渣土進(jìn)行了流動(dòng)化土的改良和澆筑回填施工，施工質(zhì)量滿足管網(wǎng)施工要求。

b. 現(xiàn)場(chǎng)施工控制參數(shù)為流動(dòng)值和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。設(shè)計(jì)澆筑流動(dòng)度為200 mm，3 d強(qiáng)度為150 kPa，28 d強(qiáng)度為300 kPa。檢測(cè)表明，流動(dòng)值在188～218 mm之間，3 d強(qiáng)度在138～168 kPa之間，28 d強(qiáng)度在324～362 kPa之間。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中需要考慮流動(dòng)性和強(qiáng)度折減，相同配比下，相比室內(nèi)流動(dòng)性折減約15%，28 d強(qiáng)度折減約21%。

c. 早強(qiáng)型流動(dòng)化回填土流動(dòng)性主要受水固比影響，水固比越大，流動(dòng)性越大；灰砂比對(duì)流動(dòng)性有一定影響。當(dāng)水固比為0.63、灰砂比為0.15時(shí)，流動(dòng)值為242 mm，且具備早強(qiáng)性能，1 d強(qiáng)度可達(dá)98 kPa，28 d強(qiáng)度可達(dá)390 kPa，滿足流動(dòng)化回填土設(shè)計(jì)。

d. 早強(qiáng)型流動(dòng)化回填土強(qiáng)度發(fā)展主要受灰砂比影響，灰砂比越大，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均較高。強(qiáng)度發(fā)展來(lái)自水泥水化作用，破壞變形在1%～3%，且破壞變形隨無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大而減小。