工业废渣土壤固化剂改良土施工技术

摘 要：为探索工业废渣作为土壤固化剂应用于低液限黏土路基道路工程建设的可行性，基于粉煤灰、尾矿、矿渣等工业废渣制备了土壤固化剂。研究了消石灰、工业废渣、P. F 32.5水泥固化剂掺和量（3%、4%）对低液限黏土7 d无侧限抗压强度和凝结时间的影响。结果表明：使用工业废渣土壤固化剂固化低液限黏土的效果最佳;工业废渣固化剂掺和量为3%时的改良土，7 d无侧限抗压强度大于消石灰固化剂掺和量为4%的改良土;P. F 32.5水泥固化剂不能有效固结弱膨胀土，不能形成稳定的具有耐水性的固化体;对工业废渣固化剂改良土延迟成型时间在24 h内的7 d无侧限抗压强度没有不良影响，即对改良土最终强度无不良影响，利于施工工艺的改良及施工质量的控制。

关键词：土壤固化剂;低液限黏土;无侧限抗压强度;凝结时间

中图分类号：U416.1;U414    文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）1-0109-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.024

Construction Technology of Improved Soil with Industrial Waste Residue Soil Stabilizer

WANG Qiong

（The Fourth Engineering Co.， Ltd. of the Second Public Bureau of China Communications， Luoyang 471013，China）

Abstract：In order to explore the feasibility of using industrial waste as a soil curing agent in low-liquid limit clay roadbed and road construction， a soil curing agent was prepared based on industrial waste such as fly ash， tailings， and slag. The effects of slaked lime， industrial waste residue and P. F 32.5 cement curing agent （3%， 4%） on the 7-d unconfined compressive strength and setting time of low liquid limit clay were studied. The results show that the use of industrial waste soil solidifying agent to solidify low-liquid limit clay is the best; when the content of industrial waste solidifying agent is 3%， the 7 d unconfined compressive strength is greater than that of hydrated lime solidifying agent. 4% modified soil; P. F 32.5 cement curing agent can not effectively consolidate weak expansive soil， and cannot form a stable water-resistant solidified body; industrial waste curing agent modified soil has no side of 7 days within 24 h. The limited compressive strength has no adverse effect， that is， it has no adverse effect on the final strength of the improved soil， which is conducive to the improvement of construction technology and the control of construction quality.

Keywords： soil stabilizer;low liquid limit clay; unconfined compressive strength; setting time

0 引言

隨着工程质量的提高，工程建设各个环节的质量都受到重视，路基是公路工程建设的基础，是影响工程最终质量的重要因素[1]。低液限黏土液限低，塑性指数小，CBR值和强度低，水稳定性差，在施工时压实较难。若直接将其作为路床、底基层修筑填料，可能会因为稳定性和强度不足而导致路基出现不同程度的病害。因此，如何对低液限黏土进行改良，使改良后的低液限黏土能满足路床、底基层的技术标准需要进一步的研究[2]。若处理不当，会造成资源浪费，增加施工成本[3-4]。因此，选取适用于低液限土的土壤固化剂尤为重要。

1 工业固废土壤固化剂应用现状

目前，国内常用于低液限黏土固化的土壤固化剂为石灰[4]和水泥[5]。由于我国经济以及工业迅速发展，工业固废渣堆存量大、产生量大[6]，给生态环境带来巨大压力。2020年，大宗固废综合利用率达到55%，比2015年提高5个百分点，“十三五”期间，累计综合利用各类大宗固废约130亿t，减少占用土地超过66 667 hm2，资源环境和经济效益显著。但是，目前国内大宗固废累计堆存量600亿t，年新增堆存量近30亿t，其中，钢渣、磷石膏、赤泥等固废利用率仍较低。

目前，利用工业废渣制备土壤固化剂技术越来越受到重视[7-8]，工业废渣作为固化剂可以固化软土，节约固化工作所投入的成本[9]。因此，若使用工业废渣作为土壤固化剂，不仅能够实现对路基土的改良，加快施工进度[10]，还能够起到保护生态环境的作用，应用前景乐观。

笔者分析评价工业废渣、消石灰和P. F 32.5水泥土壤固化剂对低液限黏土的改良效果，通过无侧限抗压强度试验和凝结时间试验，选取合理掺和量的固化剂，从而为土壤固化剂改良低液限黏土的生产实践提供理论依据。

2 工业固废土壤固化剂分类及作用机理

2.1 土壤固化剂分类

土壤固化剂属于一种新型的绿色建筑材料，其施工简单且工程适应性高，提高了施工效率，减少了社会资源的利用，有效保护了生态环境。土壤固化剂根据其外观形态，可以分为液体固化剂和粉状固化剂;按照主要胶结料组分可以分为无机类、有机类、生物酶类固化剂和离子类固化剂等四类[11-13]。

无机类土壤固化剂為粉体固化剂，大多是通过水泥、粉煤灰、工业废料等无机材料和某些酸、碱、盐类激发剂（如氯盐、硫酸盐、氢氧化钠等），或者含有表面活性剂的激发剂制备而成。有机类固化剂溶液与土壤混合后，亲水基团通过氢键及阳离子交换作用与土颗粒形成紧密的连接结构。生物酶类土壤固化剂是由有机质发酵而成的多酶基产品，其对土壤的固化主要是通过物理催化作用，固化剂加入土壤中后，附着于土壤颗粒内部，与土壤中的金属阳离子交换，提高了土壤的黏聚性，改变了土壤的原始结构，提高了土壤的抗渗性，与大量的有机分子结合成中间有机物，降低了水的表面张力，填充材料内部孔隙，增加土体颗粒间的凝聚程度和相互作用力。离子土壤固化剂融入水中后离子化，形成大量的阴阳离子，将其加入土壤中时，其内部带电荷的离子与土壤颗粒表面吸附的阳离子进行离子交换，降低了土壤颗粒之间的排斥力，颗粒相互靠近，聚集形成更大的土壤颗粒[10]。

2.2 土壤固化剂作用机理

工业废渣作为土壤固化剂的反应机理是：改变土壤颗粒表面电性，降低土壤颗粒间的排斥力，增大土壤颗粒间的吸附力。通过物相水化和协同水化作用将土壤中的自由水固化为结合水，降低自由水含量，形成结构胶凝物，穿插在土壤颗粒空隙间形成强度骨架，提高土壤的承载性能。

工业废渣土壤固化剂改良土工法原理如下：

①物相水化作用

硅酸三钙：2 C3S+6 H2O→C3S2H3+3 CH

硅酸二钙：2 C2S+4H2O→C3S2H3+CH

铝酸三钙：C3A+6 H2O→C3AH6

铁铝酸四钙：C4AF+7 H2O→C4AFH7

②协同水化作用

3C3A+3CaSO4+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32 H2O

③离子交换作用

Ca2+→ Na+、H+、K+

3 试验

3.1 试验材料

3.1.1 试验用土。某高速公路全长148.841 km，地质情况复杂;路基填筑取土多在坑塘等地势低洼处，土壤天然含水量大，塑性指数高，为黏性土质，且部分为弱膨胀土。为满足设计要求和加快施工进度，采用改良剂进行处治，提高填土承载比值（CBR），并使黏质土砂化，降低其液塑限，以便于施工。该高速项目1～7标路基用土土质类型为低液限土，其基本参数如表1所示。

3.1.2 工业固废土壤固化剂。路床80 cm范围内掺水泥或固化剂处治，其中路床上部40 cm掺4%水泥或4%固化剂，路床下部40 cm掺3%水泥或3%固化剂。水泥及固化剂的剂量为参考剂量，具体剂量根据现场试验确定，要求掺水泥、固化剂处治后路床上部40 cm填料的承载比值（CBR）不小于8%，路床下部40 cm填料CBR值不小于5%，涨缩总率均小于0.7%。

工业固废土壤固化剂主要由粉煤灰、尾矿、矿渣等工业废渣，经研磨加工而成。根据基土的类型和性质，适当调整配比，通过试验数据与成本分析，选用最适宜的配比和掺和量。工业废渣土壤固化剂主要技术指标见表2，工业废渣土壤固化剂改良土的主要技术指标见表3。

3.2 试验过程

3.2.1 工业废渣土壤固化剂生产工艺。首先，将粉煤灰、尾矿、矿渣等原材料按照一定比例混合并烘干至含水率小于5%，然后，研磨至规定细度，即可得到工业废渣土壤固化剂。

3.2.2 室内试验研究。分别利用消石灰、P. F 32.5水泥以及工业废渣作为固化剂对该高速1～7标路基土进行改良，并对改良土进行7 d无侧限抗压强度试验以及凝结时间试验。

无侧限抗压强度作为道路材料的控制条件，是土体力学性质主要参考指标。无侧限抗压强度能有效评价土在抵抗轴向压力时的极限强度。按照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）中规定的方法，对土样进行无侧限抗压试验。无侧限抗压强度试验所需试样一般通过静压法或击实法制取。凝结时间试验是按照规范中的试验方法测定土壤固化剂初凝与终凝时间。

4 结果分析

针对该高速项目的路基土固化剂主要选取消石灰与工业废渣，改良土无侧限抗压强度试验如表4所示。由表4可知，该高速1～7标路基土均为低液限黏土，2、7标用土为弱膨胀土，工业废渣土壤固化剂改良土7 d无侧限抗压强度要高于消石灰改良土，说明工业废渣土壤固化剂对弱膨胀土的固化效果要好于消石灰;改良材料对不同土质类型的固化效果有所差异，但同种土相同掺和量时，工业废渣土壤固化剂改良土的7 d无侧限抗压强度均大于石灰改良土;1～3标改良土数据对比可知，3%掺和量的工业废渣土壤固化剂稳定土的7 d无侧限抗压强度均大于4%掺和量的石灰稳定土强度。

对该高速项目7标用弱膨胀土分别掺和P. F 32.5的水泥和工业废渣，其试验结果如表5和表6所示。由表5和表6可知，对该项目7标的弱膨胀土采用掺和量为3%、4%水泥改良，无论立即成型，还是延迟4 h、8 h、24 h成型，经过6 d标准养护后泡水1 d，试件均被泡散，不能进行强度检测。表明此P.F 32.5不能有效固结该土，不能形成稳定的具有耐水性的固化体。掺和量为4%的工业废渣土壤固化剂立即成型的固化土7 d无侧限抗压强度达到1.0 MPa，延迟4 h的达到 1.13 MPa，延迟8 h的为 1.23 MPa，延迟24 h的为1.27 MPa。说明延迟成型时间在24 h内，对固化剂改良土的7 d无侧限抗压强度没有不良影响，可以证实固化剂改良土从拌和到碾压的施工过程控制在24 h内，对最终强度没有不良影响，这对施工工艺的改良及施工质量的控制十分有利。

5 结论

笔者分析评价工业废渣、消石灰和P. F 32.5水泥土壤固化剂对低液限黏土的改良效果，通过无侧限抗压强度试验和凝结时间试验，选取合理掺和量的固化剂，得到的结论如下。

①同等掺和量的工业废渣与消石灰作为低液限黏土固化剂时，工业废渣改良土的7 d无侧限抗压强度要高于消石灰改良土，3%掺和量的工业废渣土壤固化剂改良土的7 d无侧限抗压强度大于4%掺和量的石灰改良土强度，说明工业废渣土壤固化剂对弱膨胀土的固化效果要好于消石灰。

②掺和量为3%和4%的P. F 32.5水泥改良土不可进行强度检测，因此P. F 32.5水泥不适用于低液限黏土的固化剂。

③4%掺和量工业废渣土壤固化改良土延迟4 h的强度达到1.13 MPa，延迟8 h的强度为 1.23 MPa，延迟24 h的强度为1.27 MPa。因此，工业废渣固化剂对改良土在延迟成型24 h内的7 d无侧限抗压强度没有不良影响，即对改良土的最终强度无不良影响，有利于施工工艺的改良及施工质量的控制。

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收稿日期：2021-12-05

作者简介：王琼（1989—），男，本科，工程师，研究方向：道路与橋梁施工。

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