渣土改良為流動化回填土的應用

朱 偉，趙 笛，范惜輝，吳思麟，吳 勇

(1.河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098; 2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

隨著水環(huán)境治理工程如火如荼地展開，各城市雨污分流及污水管網(wǎng)相關工程產生大量渣土。渣土外運不但引起城市交通問題而且需要大面積受納場地堆放，在城市建成區(qū)難以保證。另一方面管道回填時需要良好的填方材料，且管道回填時施工操作空間狹小，傳統(tǒng)回填材料(土質填料、級配砂石填料等)與結構物界面存在死角，導致碾壓夯實質量難以保證，常常誘發(fā)工程病害[1-2]。對于一些城市道路路面塌陷等險情，傳統(tǒng)回填技術難以滿足快速施工條件和良好回填質量要求[3]。

流動化回填土(controlled low-strength material，CLSM)是一種具有流動性、可澆筑施工，通過添加固化材料形成適宜強度的新型回填材料[4]。它一般由水、水泥、粉煤灰、粗骨料、細骨料組成，針對實際需求也可摻入添加劑。礦渣、采石場粉塵、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化回填土均有應用，但主要為室內配比設計，驗證其資源化利用的可行性[5-12]。因此，將管道開挖產生的渣土，就地進行流動化處理后進行管道回填，是同時解決渣土處理、填方材料購買和回填施工三方面問題的解決方案。但是在實際應用過程中不免存在以下問題：用渣土配制流動化土的配比規(guī)律是怎樣的？試驗配比是否能夠應用于現(xiàn)場施工？工程施工完成后，質量怎樣評價？研究這些問題對于這種工藝推廣實施具有重要意義。用開挖渣土配制流動化回填土雖然在日本、美國有較多應用[13-16]，但在國內仍然處于室內試驗階段[17-18]，對于這些問題還欠缺調查及研究，僅僅實驗室尺度的研究無法解決這些問題。

筆者結合東莞茅洲河治理中管網(wǎng)埋設工程，采用現(xiàn)場開挖渣土進行流動化回填土的配制，在確定配方的前提下首次開展了使用渣土澆筑回填管網(wǎng)的示范工程，并對后續(xù)效果進行了監(jiān)測，分析了實際應用過程中存在的問題，以期為該領域研究和施工應用提供參考和借鑒。

1 工 程 概 況

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

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

為了解決上述問題，提出了將現(xiàn)場開挖渣土原位配制成流動化回填土進行管道基槽回填的方法。利用流動化回填土自流平、自密實特性解決傳統(tǒng)回填土碾壓不密實的問題，同時避免了渣土外運，既能控制過大的地基變形，又實現(xiàn)了“土方平衡”。在項目實際施工過程中，由于需要快速施工，管道回填完成后需要盡快拔除鋼板樁。結合工程實際，考慮采用了早強型流動化回填土進行施工。在將流動化回填土澆筑至回填區(qū)域時，流動值是流動化回填土最重要指標之一，一般流動值為200～300 mm時具有良好的填充性[15-16]，可達到良好填充效果。考慮需要快速恢復路面交通，設定流動化回填土1 d無側限抗壓強度達到100 kPa，而考慮后續(xù)維護可能需要開挖，28 d無側限抗壓強度設定為300 kPa[18]。

2 試驗方法與結果

2.1 試驗材料

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

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

2.2 試驗方案

為明確現(xiàn)場所需早強型流動化回填土施工配比，設計了12組不同配比早強型流動化回填土回填材料，見表1。其中減水劑摻量以水泥質量百分比計算，由于采用水泥為硫鋁酸鹽水泥，在建議摻量的基礎上，擴大摻量范圍進行試驗，確定摻量為0.4%時流行性效果最好。硫鋁酸鹽水泥和水用量分別通過水固比(水與固體材料，包括渣土、硫鋁酸鹽水泥干質量比)和灰砂比(硫鋁酸鹽水泥與渣土干質量比)2個參數(shù)計算得到。

表1 流動化回填土設計配比

2.3 試驗方法

室內試驗中早強型流動化回填土制備采用B10小型電動攪拌機進行拌和，將渣土、固化材料倒入攪拌機中干拌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。流動性測量參考日本道路公團《引氣砂漿和引氣灰漿的試驗方法》[19]，采用流動值作為流動性指標。試驗裝置為厚壁圓筒，內徑8 cm，高度8 cm，壁厚l cm，材料為有機玻璃，如圖3所示。裝樣完成后將有機玻璃圓筒垂直向上輕輕提起，30 s后，用鋼尺測量拌合物攤開后最大直徑和最小直徑，取二者平均值為流動值。為保證試驗可靠性，每組需進行2～3次平行試驗，以平均值作為最終流動值。

強度試驗所用儀器為南京土壤儀器廠生產的YYW-2型應變控制式無側限壓力儀，模具成型試樣尺寸為直徑39.1 mm、高80 mm圓柱試樣。為減小試驗誤差，每組試樣測3個平行樣。

圖3 流動性測量裝置Fig.3 Fluidity measuring device

2.4 試驗結果

由圖4可以看出，流動化回填材料流動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，流動性越大，用水量增加導致土顆粒間黏結力減小，從而流動性增大。當水固比為0.60時，流動性基本滿足要求。水固比一定時，隨著灰砂比增加，流動性有一定增加，隨著灰砂比增大，水泥用量增大，相應地增加了減水劑的用量，造成流動性增加。

圖4 不同配比下的流動性Fig.4 Fluidity under different mix ratios

考慮到現(xiàn)場實際應用過程中需要操作時間，測量了0.5 h后拌和物流動性，如圖5所示。整體流動性變化趨勢基本不變，但是流動值均有較大降低，當水固比為0.63，灰砂比為0.20時，流動值降低約53.5 mm。由于硫鋁酸鹽水泥水化反應速度較快，導致促進流動性的自由水迅速較少，流動值降低較多。因此，當運輸距離較遠或者需要泵送時，要考慮流動性經(jīng)時損失。針對這一問題，可以通過提高設計流動值或者加入一定量緩凝劑進行控制。當流動性為200～300 mm時，流動性能夠滿足自流平、自密實要求，因此水固比為0.63、灰砂比為0.15～0.20時，滿足流動性設計。

圖5 不同配比下0.5 h時的流動性Fig.5 Fluidity at 0.5h under different mix ratios

隨著水泥水化反應進行，流動化回填材料逐漸硬化，產生強度。圖6和圖7為養(yǎng)護1 d和養(yǎng)護28 d無側限抗壓強度與配比參數(shù)之間的關系。當水固比一定時，隨著灰砂比增大，強度顯著增加。養(yǎng)護1 d時，無側限抗壓強度為63～171 kPa，養(yǎng)護28 d時，無側限抗壓強度為193～705 kPa。水固比對于強度有一定影響，主要是增加了自由水含量，導致強度較低。強度增長決定性因素是水泥用量和養(yǎng)護時間，也就是取決于水泥水化作用。灰砂比可以作為一個控制強度的有效參數(shù)。當水固比為0.54～0.63、灰砂比為0.15時，1 d和28 d無側限抗壓強度均滿足要求。

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

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

結合前文提到工程中對于流動性和強度指標要求，并結合經(jīng)濟性因素，當水固比為0.63，灰砂比為0.15時，滿足要求。

圖8是水固比為0.63時拌合物隨著養(yǎng)護時間增加時無側限抗壓強度增長情況。試樣在2 h時即獲得一定強度，當灰砂比為0.15時，強度可達24 kPa，強度在前7 d增長非常迅速，在7 d之后增長速率放緩，但是仍有提升，最終28 d強度達到390 kPa，滿足要求。

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

圖9 強度與破壞應變的關系Fig.9 Relationship between strength and failure strain

由試驗結果可知，流動性隨著水固比增加而增加，強度隨著灰砂比和養(yǎng)護時間增加而增加。由此可以得出，流動性主要受用水量控制，而強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化回填土配比指標參數(shù)。

3 現(xiàn)場施工及檢測

為進一步探究早強型流動化回填土技術是否可行，是否可以使用現(xiàn)有混凝土拌和設備進行施工并得到室內試驗和現(xiàn)場施工質量差異，在東莞茅洲河治理工程塘廈鎮(zhèn)管網(wǎng)埋設工程中進行了現(xiàn)場試驗。試驗段長度為4 m，回填量約為20 m3。設計澆筑時流動度為200 mm，3 d強度為150 kPa，28 d強度為300 kPa，根據(jù)室內試驗結果配比取水固比為0.63、灰砂比為0.15。現(xiàn)場試驗結果見表2。

表2 現(xiàn)場試驗結果

由表2可以看出，現(xiàn)場拌和流動化回填土流動值有一定波動，是由于現(xiàn)場拌和不均勻產生的。相比室內拌和物流動值折減約15%，0.5 h后現(xiàn)場拌和物流動值降低約20%。對比28 d強度可以看到，相對于室內試驗，強度有一定折減，大約折減21%，但是強度仍能滿足要求。因此，在實際設計中要考慮流動性和強度折減。由前言所述，在管道回填過程中，一般采用壓實度進行質量評價，但是壓實度對于流動化回填土不適用，在現(xiàn)場同時進行了加州承載比(CBR)試驗[21]，測得7 d CBR值約為40%，28 d約為50%，而當CBR值為30%～60%時，可以作為一個較好的基礎材料[6]。早強型流動化回填土在7 d時就可以滿足要求。由圖10可以看到，無側限抗壓強度和CBR值呈現(xiàn)良好線性關系，這與文獻[15]結果近似。同時，無側限抗壓強度與灰砂比存在著相關關系，是否可以直接建立CBR值與灰砂比、齡期的關系后面值得更進一步研究。

圖10 無側限抗壓強度與CBR的關系Fig.10 Relationship between unconfined compressive strength and CBR

4 討 論

為更加經(jīng)濟、實用地確定流動化回填土配方，解決多樣性渣土配制問題。根據(jù)圖4～5，流動性主要受水固比影響，當灰砂比為0.15時，水固比從0.54增加到0.63時，流動值從165.5 mm增加到242 mm。流動性形成主要是添加用水量后，拌和物中自由水增多，拌合物之間黏結力減小，使得流動性增加。強度主要受灰砂比控制，隨著灰砂比增加，無側限抗壓強度明顯增加。從無側限抗壓強度結果看，硫鋁酸鹽水泥具有較為明顯的早強效果，當水固比為0.63，灰砂比為0.15時，在2h時即獲得一定強度，無側限抗壓強度達24 kPa，養(yǎng)護1 d后可達到98 kPa，28 d強度可達390 kPa，施工性能較好。由圖10可以看出，流動化回填土CBR值與無側限抗壓強度之間具有較好的線性關系，因此可以根據(jù)無側限抗壓強度來預測其CBR值是否能夠滿足工程要求。

一般情況下可以選擇流動值和無側限抗壓強度作為流動化回填土質量控制指標，而水固比和灰砂比可以作為流動化回填土配比參數(shù)指標，當水固比為0.63，灰砂比為0.15時，能夠較好地滿足回填施工性能。但是，根據(jù)室內試驗和現(xiàn)場試驗結果對比，可以發(fā)現(xiàn)流動性和強度存在著一定折減，流動性折減約15%，28 d強度折減約21%。同時，針對需要進行運輸?shù)裙r，0.5 h后流動值相比新拌流動化土流動值也有較大折減，折減約20%。因此，在后續(xù)工程設計中，可以參考相應折減系數(shù)進行設計。

5 結 論

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

b. 現(xiàn)場施工控制參數(shù)為流動值和無側限抗壓強度。設計澆筑流動度為200 mm，3 d強度為150 kPa，28 d強度為300 kPa。檢測表明，流動值在188～218 mm之間，3 d強度在138～168 kPa之間，28 d強度在324～362 kPa之間。在現(xiàn)場應用中需要考慮流動性和強度折減，相同配比下，相比室內流動性折減約15%，28 d強度折減約21%。

c. 早強型流動化回填土流動性主要受水固比影響，水固比越大，流動性越大；灰砂比對流動性有一定影響。當水固比為0.63、灰砂比為0.15時，流動值為242 mm，且具備早強性能，1 d強度可達98 kPa，28 d強度可達390 kPa，滿足流動化回填土設計。

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