HCL無機(jī)復(fù)合固化建筑棄土試驗(yàn)與分析*

章 煒，王泓偉，陳新江，黃志義

1.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310015

2.湖州南潯賽誠工程材料有限公司，浙江 湖州 313009

3.浙江大學(xué)交通工程研究所，浙江 杭州 310058

隨著我國生態(tài)文明體制改革進(jìn)程的加快，為推進(jìn)綠色發(fā)展，建設(shè)美麗中國，傳統(tǒng)粗放模式的礦石行業(yè)迎來了轉(zhuǎn)型升級，交通基礎(chǔ)設(shè)施的高速建設(shè)使得對宕渣、碎石等公路工程領(lǐng)域常見路基填料的需求增多，供求矛盾日益突出，同時(shí)城市迅速發(fā)展尤其是城市建筑和地鐵建設(shè)帶來的建筑棄土體量巨大，合理處置建筑棄土已成為城市亟須解決的突出問題。利用棄土固化既能一定程度上解決城市建筑棄土處置問題，又能減緩公路工程筑路材料短缺的供求矛盾，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值，有利于推進(jìn)公路行業(yè)綠色發(fā)展。

固化劑是新型環(huán)保節(jié)能工程材料，作用是固化各類土體，一般將其分為無機(jī)類固化劑、有機(jī)類固化劑、生物酶類固化劑和離子類固化劑四大類。其中，無機(jī)類固化劑因具有較好的適應(yīng)性和長期穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用[1]。復(fù)合型固化劑通常為上述某幾類固化材料的合理配比組合，目的是增強(qiáng)固化劑對不同類型土的適用性，是近年來固化劑研發(fā)的方向之一[2]。文章介紹了一種新型HCL無機(jī)復(fù)合固化劑，并在實(shí)踐中將其用以固化建筑棄土，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)與力學(xué)特性研究，已成功用于道路路基填筑，將建筑棄土變廢為寶。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 HCL無機(jī)復(fù)合固化劑

HCL無機(jī)復(fù)合固化劑為固體粉狀成品干粉，主要成分以水泥為主，并根據(jù)不同的建筑棄土的物理化學(xué)及力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行針對性的組合配置。因此，HCL無機(jī)復(fù)合固化劑能夠適應(yīng)各類建筑棄土、疏浚淤泥、軟土地基等固化技術(shù)要求，滿足道路與水利項(xiàng)目的路基填筑、大壩加固等工程需求。

1.2 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)土樣取自某工程項(xiàng)目建筑棄土，經(jīng)烘干、破碎、過篩后進(jìn)行試驗(yàn)，土樣如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)土樣

2 室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)場所為浙江大學(xué)土木水利交通工程實(shí)驗(yàn)中心道路實(shí)驗(yàn)室，所有試驗(yàn)均按《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）和《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）相關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作。

2.1 建筑棄土含水率測定試驗(yàn)

在取回的建筑棄土中，選取3個(gè)不同部位進(jìn)行含水率測定，按烘干法進(jìn)行，經(jīng)整理計(jì)算后，最終測得建筑棄土的平均含水率為24%。

2.2 建筑棄土液塑限測定試驗(yàn)

對建筑棄土進(jìn)行液塑限測定，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。建筑棄土液塑限曲線如圖2所示，試驗(yàn)得到的3組數(shù)據(jù)各取對數(shù)后，坐標(biāo)圖上對應(yīng)的3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)近似在同一條直線上，故曲線采用線性擬合。最終得到該建筑棄土的液限wL為29，塑限wP為13，塑性指數(shù)IP為16。

圖2 建筑棄土液塑限曲線圖

表1 建筑棄土液塑限測定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 最佳含水率及最大干密度測定試驗(yàn)

通過擊實(shí)試驗(yàn)測定建筑棄土及不同固化劑摻量下固化土的最佳含水率及最大干密度。試驗(yàn)包括建筑棄土（0%固化劑摻量）、固化土A（3%固化劑摻量）、固化土B（5%固化劑摻量）、固化土C（7%固化劑摻量）和固化土D（9%固化劑摻量）共5種土的擊實(shí)試驗(yàn)，每種土分別做5個(gè)不同含水率的擊實(shí)試件。

文章采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)筒為內(nèi)徑100mm、高127mm的小筒。在計(jì)算分析的過程中，混合料的密度計(jì)算保留小數(shù)點(diǎn)后3位有效數(shù)字，含水率的計(jì)算保留小數(shù)點(diǎn)后1位有效數(shù)字；繪制含水量-干密度曲線時(shí)，試驗(yàn)各點(diǎn)采用4次多項(xiàng)式函數(shù)擬合曲線，曲線最大值點(diǎn)對應(yīng)的含水量為最佳含水率，對應(yīng)的干密度為最大干密度。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)得到的不同固化劑摻量下的最佳含水率及最大干密度，分析并繪制變化趨勢圖，如圖3所示。

表2 不同固化劑摻量固化土最佳含水率及最大干密度數(shù)據(jù)

圖3 不同固化劑摻量下最佳含水率、最大干密度變化趨勢

2.4 加州承載比（CBR）試驗(yàn)

利用前期測得的最佳含水率及最大干密度，對建筑棄土及不同固化劑摻量下的固化土進(jìn)行CBR試驗(yàn)[3]，試驗(yàn)主要內(nèi)容為試件成型、膨脹量測定試驗(yàn)和貫入試驗(yàn)。試驗(yàn)對象為建筑棄土（0%固化劑摻量）、固化土A（3%固化劑摻量）、固化土B（5%固化劑摻量）、固化土C（7%固化劑摻量）和固化土D（9%固化劑摻量）共5種土，對同一種土，按規(guī)程要求做5個(gè)平行試件。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。不同固化劑摻量下膨脹量、CBR值變化趨勢如圖4所示。

表3 不同固化劑摻量固化土CBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表 單位：%

圖4 不同固化劑摻量下膨脹量、CBR值變化趨勢

2.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)

通過萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)包括固化土A（3%固化劑摻量）、固化土B（5%固化劑摻量）、固化土C（7%固化劑摻量）和固化土D（9%固化劑摻量）共4種土，最佳含水率和最大干密度的數(shù)值利用前期已測得的數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，最終得到的結(jié)果如表4、圖5所示[4]。

表4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

圖5 不同固化劑摻量下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度變化趨勢

2.6 結(jié)果分析

經(jīng)過對此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析可得，建筑棄土天然含水率為24%，液限wL為29%，塑限wP為13%，塑性指數(shù)IP為16，屬于粉質(zhì)黏土。建筑棄土和各摻量固化土室內(nèi)試驗(yàn)匯總結(jié)果如表5所示，由于部分建筑棄土試件在養(yǎng)護(hù)完成浸水1d后崩解，因此取消了建筑棄土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中摻入固化劑后的部分固化土試件如圖6所示。

圖6 HCL固化土試件

表5 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果匯總表

3 力學(xué)模擬分析

為模擬HCL固化土路基在車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，利用Abaqus 2019非線性有限元軟件建立模型，模型為雙向雙車道二級公路，路面寬度為6m，路基邊坡為1∶1。不考慮路肩、排水溝、中央分隔帶、預(yù)埋管道及各交通安全設(shè)施，以原地面作為路基的路堤部分，橫斷面示意圖及荷載具體加載位置如圖7所示。

圖7 模型橫斷面示意圖（單位：mm）

計(jì)算模型參考標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100中的相關(guān)計(jì)算參數(shù)，將單軸雙圓均布垂直荷載簡化為單軸單圓均布荷載，當(dāng)量圓直徑設(shè)為300mm，均布荷載A和均布荷載B壓強(qiáng)設(shè)為0.7MPa，各結(jié)構(gòu)層彈性模量和泊松比如表6所示。

表6 各結(jié)構(gòu)層力學(xué)模型參數(shù)

在Abaqus 2019非線性有限元軟件中建模，設(shè)定相關(guān)材料參數(shù)和力學(xué)加載參數(shù)，結(jié)構(gòu)層⑤基底全約束、左右兩側(cè)法相約束。HCL無機(jī)復(fù)合固化土路基彈性模量根據(jù)課題組前期測定的數(shù)值設(shè)定為217.4MPa，對照組傳統(tǒng)路基彈性模量設(shè)定為100MPa，經(jīng)建模并加載運(yùn)行，模擬在車輛荷載作用下各有限元的位移和應(yīng)力，得到截面總位移云圖、截面Mises應(yīng)力云圖。為更真實(shí)地反映對照組之間的差異，方便直觀對比，將對照組的云圖比例尺調(diào)整一致，最終模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，HCL無機(jī)復(fù)合固化土路基與傳統(tǒng)土路基在路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面差別不大，但HCL無機(jī)復(fù)合固化土路基的位移明顯小于傳統(tǒng)土路基，說明前者路基的結(jié)構(gòu)抗變形能力得到了很大提高。

圖8 荷載作用下截面總位移云圖

圖9 荷載作用下截面Mises應(yīng)力云圖

4 評價(jià)分析

自然界土的種類繁多，用于公路路基的填料需挖取方便、容易壓實(shí)、強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好。建筑棄土成分混雜不齊、組成極不均勻，未經(jīng)過一定的技術(shù)措施處理則難以直接用于道路路基填筑，一般采用無機(jī)類固化劑進(jìn)行穩(wěn)定固化處理[5]。傳統(tǒng)無機(jī)類固化劑有水泥、石灰等，由于有機(jī)和生物固化技術(shù)固化機(jī)理復(fù)雜[6]，因此其質(zhì)量和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究。

4.1 不同類型無機(jī)固化劑的技術(shù)性能比較

（1）水泥穩(wěn)定土。水泥穩(wěn)定土是一種傳統(tǒng)的穩(wěn)定土，雖然具有較高強(qiáng)度和板體性，但在施工過程中，當(dāng)水泥用量過大時(shí)，容易產(chǎn)生收縮開裂等病害。另外，水泥的水化和硬結(jié)作用反應(yīng)較快，施工時(shí)對最大壓實(shí)時(shí)間要求較為嚴(yán)格，從加水拌和到碾壓成型，所涉及的主要工序需在較短的時(shí)間內(nèi)完成。水泥穩(wěn)定土在鋪筑和養(yǎng)生時(shí)，用水需求較大，在取水困難路段或干旱地區(qū)，不適合用水泥作為固化劑。因水泥本身的性質(zhì)，水泥穩(wěn)定土路段不適宜在雨季施工，若在雨季施工，需投入較高的措施費(fèi)用。采用水泥直接進(jìn)行建筑棄土固化，固化穩(wěn)定性效果不理想、質(zhì)量難以控制。

（2）石灰穩(wěn)定土。石灰穩(wěn)定土也是一種傳統(tǒng)的穩(wěn)定土。石灰土強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的區(qū)間有限，對塑性指數(shù)較小的土體，即使使用較大摻量的石灰進(jìn)行固化，也達(dá)不到較高的強(qiáng)度。另外，石灰穩(wěn)定土的抗拉強(qiáng)度較低，不適宜用作重交通高等級道路的路面基層。石灰穩(wěn)定土的收縮系數(shù)較大，在相同情況下，石灰土的收縮開裂現(xiàn)象較水泥穩(wěn)定土更為嚴(yán)重。其強(qiáng)度發(fā)展緩慢，早期強(qiáng)度低，水穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性都較差[7]。將石灰直接用于建筑棄土固化，固化穩(wěn)定性效果很不理想、質(zhì)量難以控制。

（3）HCL無機(jī)復(fù)合固化土。HCL無機(jī)復(fù)合固化劑在固化土體后，對比單一水泥穩(wěn)定土和石灰穩(wěn)定土，其水穩(wěn)定性、抗裂性能均得到較大的提升；并且通過調(diào)節(jié)固化劑的組分，可固化粉質(zhì)土、淤泥質(zhì)土和尾礦，擴(kuò)大了工程應(yīng)用范圍。HCL無機(jī)復(fù)合固化技術(shù)可以滿足絕大多數(shù)建筑棄土固化要求，是一種新型的先進(jìn)固化技術(shù)。

4.2 效益分析

（1）社會效益。采用HCL無機(jī)復(fù)合固化劑進(jìn)行建筑棄土的固化，以雙向四車道填方路基為例，平均填土高度為1.5m、邊坡坡度為1∶1.25、路基寬度為20m的道路，每修100km道路就可利用建筑棄土330萬m3，不僅可以節(jié)省大量礦山開采填料，還可以為大量的城市建筑棄土提供合適的去處，社會效益顯著。

（2）經(jīng)濟(jì)效益。以華東地區(qū)東南沿海區(qū)域?yàn)槔c直接采購宕渣、碎石等傳統(tǒng)路基填料相比，利用HCL新型無機(jī)復(fù)合固化劑固化棄土，無機(jī)復(fù)合固化劑摻量計(jì)4%～8%，1m3建筑棄土的固化處理綜合成本為90～100元，由于當(dāng)?shù)亟陙礤丛倘保?m3傳統(tǒng)路基填料綜合成本約為120元。按1km路基填料30000m3計(jì)算，采用HCL固化土技術(shù)可降低工程成本約75萬元，100km填方路基道路節(jié)省造價(jià)約7500萬元，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

5 結(jié)論

（1）隨著HCL固化劑摻量的增加，固化土的最佳含水率、CBR值、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度均呈上升趨勢，最大干密度、膨脹量呈下降趨勢。

（2）摻入固化劑后，建筑棄土性質(zhì)發(fā)生改變，黏結(jié)性、水穩(wěn)定性明顯提高，強(qiáng)度大幅度提升。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，HCL無機(jī)復(fù)合固化劑可有效固化工程現(xiàn)場建筑棄土。

（4）基于Abaqus非線性有限元軟件分析得到，采用HCL無機(jī)復(fù)合固化土作為路基結(jié)構(gòu)層時(shí)，各結(jié)構(gòu)層有限元的位移和應(yīng)力都比以傳統(tǒng)路基作為路基結(jié)構(gòu)層時(shí)小。

（5）對HCL無機(jī)復(fù)合固化劑和傳統(tǒng)無機(jī)固化劑（水泥、石灰）進(jìn)行技術(shù)性能對比，可知HCL無機(jī)復(fù)合固化劑在抗裂性和水穩(wěn)定性方面都有較大提升。

（6）通過對某公路模擬采用HCL無機(jī)復(fù)合固化劑的效益進(jìn)行分析可知，采用HCL無機(jī)復(fù)合固化劑時(shí)，每100km填方路基可利用廢土330萬m3，節(jié)省造價(jià)7500萬元，社會與經(jīng)濟(jì)效益顯著。