復(fù)合廢棄泥漿土在道路填料中的應(yīng)用研究

李富有

（浙江華恒交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，浙江 紹興 312000）

0 引言

當(dāng)前，隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，城市高架橋、軌道交通和重點(diǎn)交通路網(wǎng)全面推進(jìn)，產(chǎn)生了大量的建筑廢棄泥漿，無論是大量財(cái)力投入對泥漿進(jìn)行集中運(yùn)輸、固化處置，還是固化產(chǎn)物占用的大量土地資源，已成為各級地方政府新的難題。對建筑廢棄泥漿的資源化利用已成為現(xiàn)階段國家、省（市）的一項(xiàng)重要工作，當(dāng)前雖在一定領(lǐng)域進(jìn)行了利用嘗試，但存在利用數(shù)量少、利用效率低等問題，與日益增長的廢棄泥漿數(shù)量不成正比。

國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了類似的研究，如丁慧等［1］研究了粉煤灰、工業(yè)礦粉固化疏浚淤泥作為路基材料的可行性；曹玉鵬等［2］研究利用水泥、生石灰、高分子添加劑復(fù)合高含水率疏浚淤泥；丁飛鵬［3］探討了利用水泥、粉煤灰和 ALLU 強(qiáng)力攪拌固化設(shè)備對鉆孔灌注樁泥漿進(jìn)行就地固化并利用于路基填筑的可行性；Huang 等［4］研究了重塑及原狀疏浚淤泥固化后的應(yīng)力-應(yīng)變行為和強(qiáng)度、壓縮特性；張鐵軍等［5］利用生石灰對高含水率疏浚淤泥進(jìn)行拌和處置，得到土含水率變化規(guī)律的研究。本文就工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的大量建筑廢棄泥漿通過機(jī)制砂石粉、石灰復(fù)合應(yīng)用于道路填料的研究，為建筑廢棄泥漿的資源化利用提供借鑒。

1 建筑廢棄泥漿處置的主要方式與原理

當(dāng)前建筑泥漿處理主要采用 3 種方式：一種是設(shè)置在施工現(xiàn)場的泥漿離心分離脫水裝置；一種是泥漿的就地固化強(qiáng)力攪拌工藝；一種是泥漿集中處置的泥漿脫水固結(jié)一體化處理技術(shù)。

1.1 泥漿離心分離脫水裝置

該脫水裝置一般由轉(zhuǎn)筒、螺旋推料器和差速器組成，利用離心力作用使泥漿中的顆粒、密度較大的沉渣與密度較小的液體分離，達(dá)到脫水的效果。對泥漿濃度較低或固相、液相比重差別不大時(shí)脫水效果較差，需添加高分子絮凝劑等外加劑；同時(shí)采用該方式脫水的泥漿顆粒不均勻，路用性能一般，脫水廢液不能直接排放，設(shè)備噪音大，環(huán)保性較差。

1.2 就地固化強(qiáng)力攪拌法工藝

泥漿經(jīng)沉淀后，利用強(qiáng)力攪拌頭、挖掘機(jī)、固化劑自動(dòng)供料系統(tǒng)組成的就地固化成套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固化劑與土體的均勻攪拌，使泥漿就地固化，采用該方式處置的泥漿成本較高，目前僅用于道路范圍內(nèi)的河塘、既有泥漿池等的處置，對建筑泥漿處置的大面積應(yīng)用尚不具備條件。

1.3 泥漿脫水固結(jié)一體化集中處置工藝

泥漿采用專業(yè)泥漿運(yùn)輸車外運(yùn)至固化處置工廠，通過沉淀池將較大顆粒粒徑的石塊、垃圾、漂浮物通過格柵機(jī)攔截，在調(diào)節(jié)池內(nèi)加入 HEC 固化劑與 FSA 泥沙聚沉劑，采用機(jī)械拌和曝氣方式使泥漿調(diào)質(zhì)均勻，再利用彈性板框壓濾機(jī)進(jìn)行深度脫水，尾水排放市政管網(wǎng)。該方式目前普遍采用，具有處置高效、環(huán)保無害的優(yōu)點(diǎn)。

綜合上述 3 種方式和資源化利用現(xiàn)狀，本文主要針對采用泥漿脫水固結(jié)一體化集中工藝處置后的廢棄泥漿土展開研究。

2 建筑廢棄泥漿土理化性能檢測

2.1 建筑廢棄泥漿土顆粒分析

廢棄泥漿土通過篩分法得到顆粒曲線，如圖 1 所示。并利用 Mastersizer2000 型激光粒度儀對粒徑＜0.075 mm 顆粒進(jìn)行粒度分析，得到顆粒分布結(jié)果如圖 2 所示。

圖1 廢棄泥漿土篩分析結(jié)果

圖2 廢棄泥漿土＜0.075 mm 顆粒分布曲線

從圖 1 和圖 2 可以發(fā)現(xiàn)廢棄泥漿土粒度較細(xì)，顆粒級配與天然黏土類似。

2.2 廢棄泥漿土元素組成與含量檢測

利用 X 射線熒光光譜分析（XRF）對廢棄泥漿土的化學(xué)成分進(jìn)行分析，其結(jié)果如表 1 所示。

表1 XRF 檢測結(jié)果

從以上分析可知，廢棄泥漿土的主要成分為：SiO2、Al2O3、CaO 和 Fe2O3。

2.3 建筑廢棄泥漿土基本物理性能檢測

對廢棄泥漿土的界限含水量、有機(jī)質(zhì)含量、易溶鹽含量等基本物理性能進(jìn)行測試。其測試結(jié)果如表 2 所示。

表2 廢棄泥漿土基本物理性能

廢棄泥漿土液限、塑性指數(shù)與易溶鹽含量等指標(biāo)滿足規(guī)范［6，7］要求。

3 建筑廢棄泥漿土力學(xué)性能研究

3.1 建筑廢棄泥漿土標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)

廢棄泥漿土經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，測定最佳含水率為 14.6 %，最大干密度為 1.84 g/cm3（見圖 3），含水率與干密度關(guān)系曲線如圖 3 所示。

圖3 含水率與干密度關(guān)系曲線

3.2 廢棄泥漿土 CBR 檢測

在最佳含水量狀態(tài)下，分別進(jìn)行壓實(shí)度為 100 %、98 % 和 93 % 的 CBR 試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。

表3 CBR 值測試結(jié)果

根據(jù)土質(zhì)路基上路床壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)不低于 96 % 的要求，未經(jīng)處置的廢棄泥漿土 CBR 值不滿足要求，需進(jìn)行改良處理。

3.3 廢棄泥漿土水穩(wěn)定性檢測

根據(jù)樂金朝［8］等對鋼渣穩(wěn)定土水穩(wěn)定性研究的試驗(yàn)方法對廢棄泥漿土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，以干濕循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表征其水穩(wěn)定性能，得到其 0 次、1 次和 2 次干濕循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 4 所示。

表4 干濕循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從表 4 可以看出，1 次干濕循環(huán)后，廢棄泥漿土強(qiáng)度降低 0.05 MPa，2 次干濕循環(huán)后試樣開始崩解，其強(qiáng)度為 0，說明廢棄泥漿土的水穩(wěn)定性較低。

4 廢棄泥漿復(fù)合土設(shè)計(jì)與路用性能研究

廢棄泥漿土 CBR 值不滿足規(guī)范［9］要求的填料最小承載比要求，同時(shí)廢棄泥漿土在 2 次干濕循環(huán)后試樣開始崩解，其強(qiáng)度為 0。鑒于上述情況，需添加固化材料形成復(fù)合土應(yīng)用于道路填筑。本研究通過單一添加石灰復(fù)合和綜合添加機(jī)制砂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的石粉和石灰復(fù)合形成復(fù)合土。

4.1 石灰與機(jī)制砂石粉性能

對石灰進(jìn)行有效鈣鎂含量檢測，其檢測結(jié)果為 86.7，試驗(yàn)所用的石灰為一級石灰。同時(shí)對機(jī)制砂石粉進(jìn)行界限含水量和顆粒分析試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表 5 所示。

表5 機(jī)制砂石粉基本物理指標(biāo)

4.2 石灰復(fù)合廢棄泥漿土的 CBR 值

石灰添加按測定廢棄泥漿土干土質(zhì)量的 5 %、6 %、7 %、8 %、9 %、10 % 進(jìn)行室內(nèi)檢測，得到不同石灰摻量時(shí)的最優(yōu)含水量和最大干密度的試驗(yàn)結(jié)果，如圖 4 所示。

圖4 不同石灰摻量時(shí)石灰改性廢棄泥漿土的最大干密度和最優(yōu)含水量

在最優(yōu)含水量的條件下，按照每層 30 擊的試驗(yàn)方法，進(jìn)行 CBR 試驗(yàn)，得到石灰改性廢棄泥漿土的 CBR 試驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示。

圖5 石灰改性泥漿土的 CBR 測試結(jié)果

從圖 4 和圖 5 可以看出，采用石灰改性廢棄泥漿土?xí)r，當(dāng)石灰劑量達(dá)到 7 % 時(shí)復(fù)合土 CBR 值達(dá)到峰值 11，最大干密度為 1.72 g/cm3，最佳含水率 17.4 %。

4.3 機(jī)制砂石粉、石灰復(fù)合廢棄泥漿土

石灰作為復(fù)合土重要的復(fù)合材料，其資源日益緊張，采購成本增加明顯。同時(shí)隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進(jìn)，傳統(tǒng)建筑材料已日益緊缺，天然河沙已很難獲取，機(jī)制砂已成為當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的新形勢。而作為機(jī)制砂產(chǎn)物的石粉目前利用附加值低、利用率不高；如能利用機(jī)制砂石粉代替部分石灰，經(jīng)濟(jì)效率明顯。

本研究按廢棄泥漿土干土質(zhì)量的 4 %、5 %、6 %、7 % 的石灰+1 %、2 %、3 %、4 %、5 % 機(jī)制砂石粉（以下簡稱“復(fù)合廢棄泥漿土”）進(jìn)行室內(nèi)檢測。首先進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)得到復(fù)合改性廢棄泥漿土最優(yōu)含水量和最大干密度分別如圖 6、圖 7 所示。

圖6 復(fù)合廢棄泥漿土的最優(yōu)含水量

圖7 復(fù)合廢棄泥漿土的最大干密度

從圖 6 可以看出，復(fù)合廢棄泥漿土的最優(yōu)含水量為 16 %～18 %，并且隨著機(jī)制砂石粉和石灰含量的增加，復(fù)合廢棄泥漿土的最優(yōu)含水量逐漸變大。從圖 7 可以看出，復(fù)合廢棄泥漿土的最大干密度的范圍為 1.7～1.76 g/cm3，并且隨著機(jī)制砂石粉和石灰含量的增加，復(fù)合廢棄泥漿土的最大干密度逐漸減小。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)合廢棄泥漿土的 CBR 試驗(yàn)，在最優(yōu)含水量的條件下，按照每層 30 擊的試驗(yàn)方法，進(jìn)行 CBR 試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖 8 所示。

圖8 復(fù)合廢棄泥漿土的 CBR 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖 8 檢測結(jié)果，摻加石灰和機(jī)制砂石粉的復(fù)合土，當(dāng)摻加 5 % 石灰+2 % 機(jī)制砂石粉時(shí)復(fù)合土 CBR 值達(dá)到峰值 11.2，其最大干密度 1.74 g/cm3，最佳含水率 17.1 %。結(jié)合圖 5 可知，摻加 5 % 石灰+2 % 機(jī)制砂石粉復(fù)合土與單一摻加 7 % 石灰復(fù)合土 CBR 值基本一致，最大干密度有所增加，路用性能滿足規(guī)范要求，因此，采用機(jī)制砂石粉代替部分石灰具有可行性。

4.4 廢棄泥漿復(fù)合土水穩(wěn)定性

在地下水位較高的杭嘉湖平原，路基材料受地下水中的潛水及毛細(xì)水的影響最為顯著，因此有必要對復(fù)合廢棄泥漿土的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究。本研究中通過測定不同摻量和不同摻配條件下的復(fù)合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來表征復(fù)合廢棄泥漿土的水穩(wěn)定性能，試樣的含水率為最佳含水率，水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表 6 所示。

由表 6 可知，隨著石灰摻量的增加，7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)均表現(xiàn)出增大趨勢，說明復(fù)合廢棄泥漿土水穩(wěn)定性隨石灰摻量表現(xiàn)出不同程度的提高；但 7 % 與 9 % 摻灰量的改良效果基本一致，而且過多地?fù)郊邮覍τ趶U棄泥漿土的水穩(wěn)定性效果呈下降趨勢。石灰、機(jī)制砂石粉復(fù)合土 7 d 無側(cè)限強(qiáng)度和水穩(wěn)定性要優(yōu)于單一石灰復(fù)合土，以 5 % 石灰+1%～5 % 機(jī)制砂石粉復(fù)合為例，3 %～5 % 的機(jī)制砂石粉摻量對復(fù)合土無側(cè)限強(qiáng)度增大無明顯趨勢，且水穩(wěn)定系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

表6 復(fù)合廢棄泥漿土水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

依照規(guī)范［10］中穩(wěn)定土水穩(wěn)系數(shù)比應(yīng)滿足γ≥105 % 的要求，因廢棄泥漿土在 2 次干濕循環(huán)后試樣開始崩解，其強(qiáng)度為 0，故在廢棄泥漿土中添加少量石灰均能滿足水穩(wěn)系數(shù)比的要求。石灰摻量從 1 %～5 % 時(shí)，石灰改性廢棄泥漿土的水穩(wěn)系數(shù)比均大于 105 %。而當(dāng)石灰含量從 5 %～9 % 時(shí)，其水穩(wěn)系數(shù)比開始降低，因此，當(dāng)單一石灰劑量超過 5 % 時(shí)的泥漿復(fù)合土滿足規(guī)范要求的水穩(wěn)系數(shù)比。

5 廢棄泥漿復(fù)合土拌合、攤鋪、碾壓工藝

5.1 廢棄泥漿復(fù)合土的拌合

通過試驗(yàn)段驗(yàn)證復(fù)合土在道路填料中的應(yīng)用，針對石灰、機(jī)制砂石粉以及廢棄泥漿土可能造成的環(huán)境污染情況，采用集中廠拌工藝進(jìn)行復(fù)合土的加工生產(chǎn)。

石灰采用生石灰粉和熟石灰粉，比例分別為摻加用量的 40 % 和 60 %。將生石灰粉與機(jī)制砂石粉拌合均勻，將廢棄泥漿土與生石灰粉、機(jī)制砂石粉通過雙螺旋反向就地?cái)嚢柙O(shè)施進(jìn)行拌和，形成復(fù)合泥漿土，并在廠拌工廠內(nèi)悶料，時(shí)間一般為 3～5 d，使復(fù)合泥漿土含水率降低至 20 %～23 %。復(fù)合泥漿土利用改進(jìn)后的穩(wěn)定粒料拌合機(jī)與熟石灰粉強(qiáng)制拌合，拌合遍數(shù)不少于 2 遍，形成機(jī)制砂石粉、石灰復(fù)合廢棄泥漿土，控制復(fù)合土含水率在 18 %～20 %。

5.2 廢棄泥漿復(fù)合土攤鋪、碾壓

由運(yùn)輸車輛將復(fù)合土運(yùn)輸至道路填筑現(xiàn)場，由路面攤鋪機(jī)進(jìn)行鋪筑，松鋪厚度控制在 25 cm 左右；采用壓實(shí)機(jī)具碾壓密實(shí)，機(jī)械組合為先振動(dòng)壓路機(jī)碾壓 2 遍，再羊足碾碾壓 3 遍，最后雙鋼輪壓路機(jī)碾壓 1 遍完成。

5.3 試驗(yàn)段檢測

為驗(yàn)證復(fù)合土的實(shí)際應(yīng)用效果，依據(jù)規(guī)范選擇某一級公路上路床進(jìn)行普通石灰土與廢棄泥漿復(fù)合土的檢測結(jié)果對比。

5.3.1 現(xiàn)場壓實(shí)度檢測

對施工完成后的復(fù)合廢棄泥漿土和普通石灰土路基進(jìn)行壓實(shí)度檢測，其檢測結(jié)果如表 7 所示。

表7 現(xiàn)場壓實(shí)度檢測結(jié)果

根據(jù)壓實(shí)度檢測結(jié)果，均滿足高速、一級以及城市主干道標(biāo)準(zhǔn)的路基壓實(shí)度驗(yàn)收要求，且泥漿復(fù)合土與普通石灰土填料路基壓實(shí)度無明顯差異。

5.3.2 路基彎沉檢測

采用貝克曼梁法對成型復(fù)合廢棄泥漿土與普通石灰土路基進(jìn)行彎沉檢測，相關(guān)結(jié)果如表 8 所示。

表8 路基彎沉檢測結(jié)果

根據(jù)彎沉檢測結(jié)果，滿足高速、一級公路及城市主干道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)復(fù)合土采用廠拌工藝，均勻性較普通石灰土路拌工藝好，彎沉標(biāo)準(zhǔn)差較小，較常規(guī)的土石混合料路基優(yōu)勢更明顯。

6 結(jié)論

通過對建筑廢棄泥漿的化學(xué)成分、物理、力學(xué)性能及其用于道路填料的復(fù)合土摻配設(shè)計(jì)和施工工藝 4 方面的研究，可得到如下結(jié)論：

1）根據(jù)理化性能研究發(fā)現(xiàn)，建筑廢棄泥漿具有和普通粘性土相似的化學(xué)組成，其主要成分為 SiO2、Al2O3、CaO 和 Fe2O3，由此將建筑廢棄泥漿代替普通黏性土用于道路填料具有可行性。

2）根據(jù)力學(xué)性能研究得到建筑泥漿的最大干密度和最佳含水量分別為 1.84 g/cm3和 14.6 %。未經(jīng)復(fù)合處置的建筑泥漿其 CBR 值較低，水穩(wěn)定性差，不能滿足路用要求，需采用無機(jī)結(jié)合料對其進(jìn)行穩(wěn)定。

3）單一摻加石灰的復(fù)合土，當(dāng)石灰劑量達(dá)到 7 % 時(shí)，復(fù)合土 CBR 值達(dá)到峰值 11，最大干密度為 1.72 g/cm3，最佳含水率 17.4 %；摻加石灰和機(jī)制砂石粉的復(fù)合土，當(dāng)摻加 5 % 石灰+2 % 機(jī)制砂石粉時(shí)，復(fù)合土 CBR 值達(dá)到峰值 11.2，最大干密度 1.74 g/cm3，最佳含水率 17.1 %。根據(jù)檢測結(jié)果，機(jī)制砂石粉可代替部分石灰，且路用性能未降低。同時(shí)根據(jù) 7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果，采用石灰、機(jī)制砂石粉復(fù)合土其強(qiáng)度值較單一摻加石灰復(fù)合土有明顯提升，水穩(wěn)定性更好，其中石灰劑量為 5 % 時(shí)復(fù)合土具有較好的水穩(wěn)定性，且水穩(wěn)系數(shù)比γ≥105 %，滿足填料的路用性能要求。

4）通過開展廠拌合現(xiàn)場攤鋪工藝研究，其中悶料與廠拌環(huán)節(jié)是工藝控制的關(guān)鍵，采用路面攤鋪機(jī)能進(jìn)一步提高工作效率和鋪筑質(zhì)量，各項(xiàng)現(xiàn)場指標(biāo)均達(dá)到道路填筑驗(yàn)收的要求。

從以上研究結(jié)論可以看出，通過石灰、機(jī)制砂石粉改良的建筑廢棄泥漿應(yīng)用于各等級道路填料能夠達(dá)到驗(yàn)收要求，可以推廣應(yīng)用。Q