YRSC凝結劑在搶險快速路應用中的關鍵技術

許三松，關喜才，金新鋒

1.三門峽黃河明珠（集團）有限公司，河南 三門峽 472000；2.黃河水利職業技術學院，河南開封 475004；3.虞城縣水利局，河南 虞城 476300

1 引言

應急搶險工作中，快速道路具有至關重要的作用。應急搶險快速道路需要具備足夠的承載能力，以便在緊急情況下能夠快速通行，同時確保道路能夠承受應急車輛的重量和速度。在緊急情況下，時間是關鍵，應急搶險快速路能夠縮短救援隊伍到達現場的時間，提高應急搶險的效率。通過快速道路，救援車輛可以更快地到達現場，減少人員傷亡和財產損失。因此，掌握搶險快速路修建的關鍵技術對于確保人們的生命財產安全具有重要意義。特別地，如防汛道路。防汛道路在水利工程中是一個重要的部分，在工程管理和防汛道路在救災過程中起十分重要作用，保證防汛道路的質量，對抗洪救災工作的順利進行有重要意義。因而，道路是國民經濟建設的重要支撐，特殊時期應急搶險道路的建設，更是國計民生的重中之重。

2020 抗疫戰場的火神山、雷神山醫院工程中的室內外地平硬化、室外道路硬化以及其所有工程中的混凝土均需要快速凝結硬化。一般而言，混凝土28 d達到其設計強度，工程中復合土基層的強度如石灰土1—2 年才能夠完全達到使用要求。因此，如何能夠保證室內外地平快速硬化、室外道路硬化工程快速投入安全運行是當下亟待解決的重大問題！為解決此類工程問題，結合黃河三門峽庫區疏浚清淤泥沙再利用技術研究項目，研發的黃河泥沙凝結劑Yellow River sediment coagulant，簡稱YRSC，能夠與黃河區域現場的土沙混合，使其達到符合搶險快速路的要求。由于其自身物理力學性能的特點，實現了就地取材，節約投資，施工方便，工期短。

為進一步驗證YRSC的各種力學性能指標，文章通過試驗開展凝結劑YRSC 和水泥分別凝結黃河三門峽庫區淺層粉質土沙或庫區砂土時的抗壓強度等性能對比研究，為全面推廣YRSC土沙凝結劑在搶險快速路中的應用提供科學依據。

2 試驗

2.1 試驗原料

①YRSC凝結劑：是具有高親土性和與土結合后具有高耐水性等獨特功能的一種新型土沙凝結劑，它的顯著特點是不選擇被凝結對象，在任何地方都可以使用現場的土沙與之混合使其成為工程所需求的材料（結構），工作起來極為方便，其性能指標見表1。②水泥：試驗采用新鄉某水泥廠生產的強度等級為P.O42.5R 級水泥，其性能指標見表2。③庫區淺層粉質土沙：試樣干密度RO=1.59 g/cm3，含水量ω=17.80%，最大粒徑不大于5 mm。④庫區沙土：試樣干密度RO=1.72 g/cm3，含水量ω=11.30%，最大粒徑不大于10 m。

表1 YRSC性能指標表

表2 水泥性能指標表

2.2 試驗設計

2.2.1 單軸抗壓試驗

分別用YRSC 和水泥以6%、9%的比例凝結庫區淺層土沙或庫區砂土，研究其3、7、14、28 d 的力學性能。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，進行了立方體抗壓強度試驗，試驗結果見表3、表4。

表3 單軸抗壓試驗結果表

表4 強度隨齡期的增長情況表

2.2.2 常規三軸剪切試驗

為研究YRSC 和水泥凝結庫區淺層土沙或庫區砂土的凝聚力C和內摩擦角φ，以0%、6%、9%、11%、15%的YRSC分別凝結庫區淺層土沙和庫區砂土，11%的水泥凝結庫區淺層土沙和庫區砂土，試驗數據整理得出凝聚力C和內摩擦角φ（具體數據略）。

2.2.3 浸水軟化、浸鹽侵蝕試驗

為研究YRSC 和水泥凝結庫區淺層土沙或庫區砂土的浸水軟化、浸鹽侵蝕試驗性能，將制好的試件養護6 d 后分別浸泡于水中，養護21 d后分別浸泡于濃度為5%的硫酸鈉水溶液中，齡期28 d時進行抗壓強度試驗，并對試驗結果進行對比分析說明強度比為浸水或浸鹽侵蝕后強度值與標準養護試樣強度之比（4）滲透性試驗為研究YRSC和水泥凝結庫區淺層土沙和庫區砂土的滲透性，將制好的試件養護到齡期28 d 進行滲透性試驗，試驗結果見表5。

表5 滲透性試驗結果表

3 試驗結果

①YRSC 凝結土沙的單軸抗壓強度遠高于水泥凝結土沙；同等條件下比水泥抗壓強度高150%～300%。②YRSC凝結土沙的早期強度比水泥凝結土沙增加的快，同等情況下YRSC凝結土3 d的強度就能達到水泥凝結土28 d的強度，且后期強度穩定增長。③YRSC 凝結土沙和水泥凝結土沙都較原土沙在抗剪強度上有較大幅度的提高，但前者提高幅度更大。對于砂土，YRSC 凝結土抗浸水軟化能力比水泥凝結土略有提高，對于粉質土沙，YRSC凝結土沙抗浸水軟化的能力明顯高于水泥凝結土沙。④YRSC 凝結土沙抗浸鹽侵蝕的能力明顯優于水泥凝結土沙。⑤YRSC 凝結土沙較水泥凝結土沙滲透系數減少一個數量級。

4 YRSC凝結土的原理與施工優勢

4.1 改良庫區土沙的主要機理

①尾礦渣中硅鋁質原料在強堿溶液作用下，Si-O 鍵與Al-O 鍵首先發生斷裂，并在溶液中生成硅鋁酸鹽和氫氧化鋁共同組成的混合溶膠，溶膠再發生脫水縮合反應生成正鋁硅酸鹽，正鋁硅酸液的作用下發生脫水縮合反應，生成聚硅鋁氧大分子鏈，同時溶液中的Na+、K+被吸附在分子周圍以平衡鋁氧四面體所帶的負電荷。②凝結硬化反應。三門峽庫區土沙含有大量的SiO2、Al2O3、CaO等礦物質，新型地聚物與土沙充分攪拌后，與這些礦物質反應生成膠凝性物質，形成鏈狀和網狀結構的化合物。SiO2、Al2O3與鈣離子進行化學反應，逐漸生成不溶于水的穩定結晶化合物。③碳酸化作用。新型聚合物中游離的氫氧化鈣，能吸收水中和空氣中的二氧化碳，發生碳酸化反應，生成不溶于水的碳酸鈣，可以避免殘留的堿金屬會對水環境產生不利影響。這種反應也能使YRSC 凝結土沙的強度增加，并使其在凝結速度上較水泥凝結土沙快的多。這些新生成的化合物在YRSC 凝結劑的作用下，在水中或空氣中加速硬化，由于其結構比較致密，水分不易侵入，從而使YRSC凝結土沙具有足夠的水穩定性。因此，YRSC凝結劑和土沙之間的一系列物理化學反應，能夠使松散、軟土沙硬結成具有整體性、水穩定性高和一定強度的優質結構，而廣泛應用于工程中。

4.2 YRSC凝結土的施工優勢

①用土沙凝結劑可以凝結各種不同類型的土沙使其成為具有一定（所需要）強度的，滿足不同工程地基要求的凝結土沙，特別是YRSC土沙凝結劑凝結不同的土沙短期（3 d）內可以快速達到工程所需要的強度要求，并且后期強度穩定增長，可以有效縮短施工工期。②被凝結土沙中只要有機質含量不超過5%即可。土沙料顆粒粒徑可以適當放寬，但不得大于30 mm，當含有磚塊、碎石時，其粒徑不宜大于50 mm，均對YRSC 凝結土的強度影響不大。③施工時土沙料的含水量可以適當放寬，宜控制在最優含水量Wop+5%的范圍內，對于YRSC 凝結土沙的強度影響不大。④施工時土沙料可以不過篩，采用農用旋耕耙按照道路“路拌”法摻拌，分層鋪填平整后分層夯實或用機械碾壓成型，都可滿足工程地基要求。⑤YRSC 凝結土沙換填層的施工方法簡單、經濟合理，比砂石換填節約投資40%～60%比灰土換填節約投資10%～30%。

5 YRSC凝結劑在應急搶險道路中應用的可行性研究

通過以上試驗數據分析結果可以看出YRSC 凝結土沙的各項性能指標均優于水泥凝結土沙，但是搶險快速路的施工條件更為惡劣復雜，為進一步驗證YRSC土沙凝結劑在搶險快速路中應用的可行性。選擇庫區淺層土沙和庫區砂土，分別使用YRSC 和水泥凝結后，標準養護3 d 后浸泡于水中，進行3、7、14、28 d 的抗壓強度試驗，進一步驗證YRSC 凝結土沙的浸水穩定性。通過以上數據分析可以得出，凝結土沙試件在標準養護3 d后放入水中浸泡至28 d，與標準養護28 d相比，YRSC凝結土沙試件抗壓強度損失率約20%，水泥凝結土沙試件抗壓強度損失率為100%。分析結果，可得出YRSC 凝結土沙和水泥凝結土沙抗壓強度損失率和浸水時間關系圖，如圖1所示。

圖1 抗壓強度損失率和浸水時間關系圖

6 結論

①通過YRSC凝結劑對三門峽庫區土沙的實驗研究，為沿黃河區域的土沙在搶險快速路中的應用提供關鍵技術和科學依據。②試驗證明，YRSC 凝結土沙的單軸抗壓強度、抗剪強度、抗浸水軟化能力、抗浸鹽侵蝕能力、抗滲透系數均優于水泥凝結土沙；而且YRSC凝結土沙的早期強度比水泥凝結土沙增加的快，且后期強度穩定增長。③YRSC被凝結土沙料中只要有機質含量不超過5%即可；土沙料顆粒粒徑可以適當放寬，施工時土沙料的含水量可以適當放寬，對于YRSC凝結土沙的強度影響不大；施工時土沙料可以不過篩，采用農用旋耕耙按照道路“路拌”法摻拌，分層鋪填平整后分層夯實或用機械碾壓成型，都可滿足工程地基要求，施工極為方便。