廢棄砂質(zhì)粉土在路基工程中的應(yīng)用

鄧楊楊 錢赟

1. 杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院股份有限公司 浙江 杭州 310000；

2. 杭州市城東新城建設(shè)投資有限公司 浙江 杭州 310000

引言

本文將基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究城東新城范圍內(nèi)的廢棄砂質(zhì)粉土經(jīng)過處理后[1]，作為路床填料的應(yīng)用方案。研究成果為后續(xù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)打好理論基礎(chǔ)，并縮小現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)范圍，提高研究效率。實(shí)驗(yàn)主體為固化劑B。其他外摻劑輔料為水泥、石灰、粉質(zhì)黏土。實(shí)驗(yàn)過程將對(duì)這幾種材料與原土混合后，經(jīng)過不同摻量試件的交叉對(duì)比，尋找出滿足實(shí)驗(yàn)指標(biāo)、工程經(jīng)濟(jì)性最佳的配合比，同時(shí)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原土：選自杭州市城東新城某工地開挖出的砂質(zhì)粉土。經(jīng)篩選處理后所得。土質(zhì)分析如下表所示：

表1 原土土質(zhì)分析表

1.1.2 固化劑B：某有機(jī)土壤固化劑，為液態(tài)。這類固化劑加入到土壤中，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)聚合反應(yīng)而生成大的有機(jī)分子鏈，并膠結(jié)土壤顆粒。大的有機(jī)分子交換到黏土分子的表面后，會(huì)產(chǎn)生屏蔽作用，減少土壤中的吸附水，增加固化土的抗?jié)B透性，從而提高土的工程性質(zhì)[2]。該固化劑在杭州市某道路工程（代號(hào)”道路D”）中有所應(yīng)用。

1.1.3 水泥：普通42.5級(jí)硅酸鹽水泥。

1.1.4 石灰：鈣鎂含量為60%～65%的石灰。

1.1.5 粉質(zhì)黏土：杭州某工地開挖廢棄土經(jīng)篩選后所得，黏粒含量約為10%～20%。

1.1.6 水：杭州地區(qū)的自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 主控指標(biāo)。根據(jù)規(guī)范要求，路床的設(shè)計(jì)主控指標(biāo)為壓實(shí)度、彎沉、回彈模量、填料CBR值。但以上指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境中的測量結(jié)果差別較大。建議作為后續(xù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的復(fù)核檢驗(yàn)指標(biāo)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的7d無無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與上述指標(biāo)存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。因此，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主控指標(biāo)采用：“7d無無側(cè)限抗壓強(qiáng)度”。用于鎖定最佳配合比范圍。后續(xù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上再進(jìn)行探索。

現(xiàn)行固化土各相關(guān)規(guī)范中對(duì)于固化土作為路床填料使用時(shí)，7d無無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求不明確，經(jīng)咨詢相關(guān)專家意見，參考泡沫混凝土相關(guān)規(guī)范[3]設(shè)計(jì)指標(biāo)，作為路床填筑時(shí)，7d無無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.0Mpa。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)流程。

1.2.2.1 固化劑B的最佳配合比實(shí)驗(yàn)。

a.實(shí)驗(yàn)混合料原材料的選擇。固化劑B，使用時(shí)需采用水泥及石灰作為輔料。根據(jù)固化劑B的產(chǎn)品說明，砂質(zhì)粉土中加入黏粒對(duì)其固化強(qiáng)度的提升大有裨益。故，該實(shí)驗(yàn)混合料中的原料為：固化劑B、粉質(zhì)黏土、水泥、石灰。b.尋找最佳配合比。采用原材料比例不同的實(shí)驗(yàn)混合料制備試件。按照規(guī)范養(yǎng)護(hù)后，測定其7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。在指標(biāo)達(dá)標(biāo)的前提下，選擇造價(jià)最省的組合。

1.2.2.2 混合料C的最佳配合比實(shí)驗(yàn)。混合料C的組成為：實(shí)驗(yàn)1中的外摻劑組合，即粉質(zhì)黏土、水泥、石灰。根據(jù)屠晨陽[4]的研究，以上3種材料在一定程度上對(duì)砂質(zhì)粉土的固化強(qiáng)度有提升作用。故本實(shí)驗(yàn)不僅可以作為實(shí)驗(yàn)1的對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，也可以作為獨(dú)立的配合比探索實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)的初始配合比根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，暫定為水泥（3%），石灰（3%），固化劑B（0.3L/m3），水泥、石灰的含量以1%的步差遞增。固化劑B的含量以0.1L/m3遞增，各實(shí)驗(yàn)小組配合比則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整?；旌狭螩配合比設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行篩選，除去體積安定性不良、凝結(jié)時(shí)間不達(dá)標(biāo)的組別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

2.1.1 粉質(zhì)黏土對(duì)提高固化土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有重要作用。不添加粉質(zhì)黏土的大部分實(shí)驗(yàn)組都無法達(dá)到主控指標(biāo)的要求。但持續(xù)提高粉質(zhì)黏土含量（超過40%后）對(duì)強(qiáng)度提升作用不明顯。雖然建議黏土添加量達(dá)到60%，各組主控指標(biāo)基本都合格。但出于造價(jià)方面的考慮，粉質(zhì)黏土添加量不超過40%。

2.1.2 當(dāng)水泥含量超過4%后繼續(xù)增加水泥含量不僅會(huì)提高工程造價(jià)，也會(huì)提高固化土開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 根據(jù)上文分析在本實(shí)驗(yàn)條下，固化劑的添加對(duì)強(qiáng)度提升的作用性價(jià)比不高。

2.1.4 從主控指標(biāo)對(duì)比來看，第15組在主控指標(biāo)達(dá)標(biāo)的情況下，所消耗的固化劑及輔料最少。因此，第15組，即水泥：石灰：原土：粉質(zhì)黏土=4∶0∶76.8∶19.2，為最佳配合比組合。為方便敘述，將以上水泥、原土、粉質(zhì)黏土混合物稱為三合固化土。在本實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在城東新城范圍內(nèi)路床填筑，使用三合固化土性價(jià)比更高。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 塘渣填筑路床的經(jīng)濟(jì)性分析

以下分析單價(jià)采用杭州市2021年10月信息價(jià)。塘渣的價(jià)格為：110元/m3，渣土消納處置的價(jià)格為130元/m3。道路暫按填方量＜挖方量計(jì)算。三合固化土的價(jià)格為：120元/m3。

該區(qū)目前常用的路基填料主要為塘渣，塘渣填筑路床的價(jià)格為110+130=240元/m3。

3.2 三合固化土填筑路床的經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 廠拌法施工。廠拌法即在區(qū)域內(nèi)部設(shè)置 “渣土銀行”的類似機(jī)構(gòu)，即可存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)部的開挖棄土，再對(duì)棄土進(jìn)行篩選、拌合加工成為三合固化土供區(qū)域內(nèi)部工程使用。

由于渣土銀行距離較傳統(tǒng)的消納場地而言距離較近，渣土消納處置的價(jià)格暫按110元/m3計(jì)算。故廠拌法三合土填筑路床的實(shí)際價(jià)格為110+120=230元/m3。

廠拌法施工的三合固化土填筑主要經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在渣土銀行。從單個(gè)工程的造價(jià)角度來講，與塘渣的造價(jià)相比優(yōu)勢不明顯。但渣土銀行從收取渣土到三合固化土加工均可以盈利。對(duì)于有條件設(shè)置渣土銀行時(shí)，采用廠拌法整體經(jīng)濟(jì)效益更強(qiáng)。同時(shí)，施工質(zhì)量也更有保障。

3.2.2 路拌法施工。路拌法施工即在工程場地周邊設(shè)置簡易篩選拌合設(shè)備，可利用的渣土無須外運(yùn)，原地加工后即可回填。外購粉質(zhì)黏土量為20%。則棄土有80%可以利用，20%需要外運(yùn)。路拌法三合土填筑路床的價(jià)格為120+130×0.2=146元/m3。路拌法三合固化土填筑較塘渣填筑而言，從工程本身角度，造價(jià)節(jié)省較多。但對(duì)施工工藝及工序安排要求較高。

4 小結(jié)

本文主要切入點(diǎn)為廢棄砂質(zhì)粉土固化進(jìn)行路床填筑。選擇固化劑B、混合料C作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)，尋求滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的最佳配合方案。實(shí)驗(yàn)成果可作為下階段現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，主要結(jié)論如下：

粉質(zhì)黏土對(duì)提高固化土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有重要作用。但持續(xù)提高粉質(zhì)黏土含量對(duì)強(qiáng)度提升作用不明顯。建議粉質(zhì)黏土添加量不超過40%。

在本次實(shí)驗(yàn)條件下，固化劑B對(duì)路基填料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升作用不明顯?？紤]到造價(jià)因素，普通項(xiàng)目使用性價(jià)比不高。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在考慮7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為主控指標(biāo)的情況下，性價(jià)比最高的最佳配合比設(shè)計(jì)為水泥：石灰：原土：粉質(zhì)黏土=4∶0∶76.8∶19.2，即土壤比例為原土：粉質(zhì)黏土=80∶20，再添加4%的水泥。

由于實(shí)驗(yàn)是在預(yù)設(shè)壓實(shí)度97%的條件下進(jìn)行，且室內(nèi)實(shí)驗(yàn)無論從指標(biāo)還是操作規(guī)范來說都較為嚴(yán)格，建議下階段現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)以本結(jié)論為基礎(chǔ)，在水泥和粉質(zhì)黏土含量都可適當(dāng)下浮，進(jìn)一步探索最具性價(jià)比的配合比組合。

廠拌法施工三合固化土經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在渣土銀行帶來的次生效益。從單個(gè)工程預(yù)算的角度來講，造價(jià)優(yōu)勢不明顯。但廠拌法質(zhì)量更可靠，總體經(jīng)濟(jì)效益更高。路拌法，從單個(gè)工程預(yù)算的角度來講，造價(jià)優(yōu)勢明顯，但對(duì)施工工藝及工序安排要求較高，質(zhì)量不易保證。

5 不足與展望

本文進(jìn)行了7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。彎沉、回彈模量、填料CBR實(shí)驗(yàn)、裂縫觀察等將在后續(xù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。后續(xù)實(shí)驗(yàn)將在本文提出的最佳配合比上進(jìn)行進(jìn)一步探索與修正。

固化劑B雖然對(duì)于城東新城常規(guī)工程的路床來講性價(jià)比不高，但根據(jù)杭州市道路D的經(jīng)驗(yàn)，固化土代替基層使用時(shí)，經(jīng)濟(jì)性要由于代替塘渣路床時(shí)。尤其是其出色的早強(qiáng)性能在應(yīng)用于應(yīng)急搶修工程時(shí)優(yōu)勢明顯。對(duì)比常用應(yīng)急搶修材料經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯，常用的基層應(yīng)急修補(bǔ)材料瀝青黑碎石綜合單價(jià)為1040元/m3，C30混凝土綜合單價(jià)為940元/m3，作為基層使用的新型固化土綜合單價(jià)為380元/m3（道路D），水泥穩(wěn)定碎石（5%）綜合單價(jià)為370元/m3。由以上數(shù)據(jù)可知，在作為應(yīng)急材料使用時(shí)，新型固化土造價(jià)優(yōu)勢明顯。建議后續(xù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

6 結(jié)束語

根據(jù)經(jīng)濟(jì)性分析，新型固化土成本偏高的一個(gè)重要原因?yàn)樾杓尤敕圪|(zhì)黏土，且該土黏粒含量不高。若能建立足夠大的渣土銀行，可吸收周邊區(qū)域黏粒含量更高的優(yōu)質(zhì)黏土，則新型固化土的整體成本可進(jìn)一步降低。在此條件下，可能可衍生出新的建設(shè)模式及運(yùn)營模式，可作為新的研究方向。