工业固废胶凝材料对路床稳定土的施工质量影响.pdf

第41卷 第8期2023年8月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.8Aug.2023收稿日期：2023-02-23基金项目：河南省交通运输厅科技项目（2021J9）作者简介：褚付克（1985-），男，高级工程师，主要从事公路工程新技术、新材料推广与应用工作文章编号：1004-3918（2023）08-1196-09工业固废胶凝材料对路床稳定土的施工质量影响褚付克1，马春锋2，李豪1（1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州450000；2.河南省濮卫高速公路有限公司，河南濮阳457000）摘要：为明确工业固废胶凝材料对高速公路路床的影响，将其与水泥对路床土的固定改良作用进行对比研究.结果表明，工业固废早期水化活性低，凝结时间长，掺量为3%时，1 d抗压强度仅0.34 MPa，延迟成型24 h时强度未出现降低，允许施工时间长达24 h，远高于水泥，对路床特别是作为顶层的96-4有充足时间实现精细化施工.28 d无侧限抗压强度可达到2.36 MPa，CBR为156%，保证公路运行过程中具有优于水泥的强度性能.结合实际工程，工业固废胶凝材料用作固化剂时，路床96-4的压实度为97.4%，平整度为10.4 mm，弯沉为84.7（0.01 mm），各项指标满足设计要求，均优于水泥稳定土，为工业固废应用于道路路床施工提供了一定的借鉴意义.关键词：固废胶凝材料；允许施工时间；稳定土；无侧限抗压强度；延迟成型中图分类号：U 416文献标识码：AInfluence of Industrial Solid Waste Cementitious Material on ConstructionQuality of Road Bed Stabilized SoilCHU Fuke1，MA Chunfeng2，LI Hao1（1.Henan Transportation Planning and Design Institute Co.Ltd.，Zhengzhou 450000，China；2.Henan Puwei Expressway Co.Ltd.，Puyang 457000，Henan China）Abstract：In order to clarify the influence of industrial solid waste material on highway road bed，the improvementeffect of industrial solid waste and cement on road bed soil were studied.The research showed that the cementitiousmaterial based on industrial solid waste had low hydration activity in early stage，and long setting time.When thecontent is 3%，the 1 d unconfined compressive strength of industrial solid waste stabilized soil was only 0.34 MPa；the strength was not decreased when the molding delayed for 24 h.The allowable construction time as soil curingagent can be up to 24 h，and much higher than cement stabilized soil.There was enough time for the road bed，especially 96-4 as the top floor of the road bed，to achieve fine construction.Its 28 d compressive strength can reach2.36 MPa，and CBR was 156%，ensuring that the industrial solid waste material had better strength than cement inthe highway process of operation.Combined with the actual project，when industrial solid waste material was used assoil curing agent，the compactness of road bed 96-4 was 97.4%，flatness was 10.4 mm，and bending was 84.7（0.01mm）.All design requirements were met and higher than that of cement stabilized soil.It provides some reference forthe application of industrial solid waste on road bed construction.Key words：industrial solid waste cementitious material；allowable construction time；stabilized soil；unconfinedcompressive strength；delay forming在道路施工中，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，路基施工分为路堤和路床，其中路床作为水泥稳定碎石基层的承载层，路床的质量控制直接决定基层的施工质量，因此对路床施工具有严格的质量控制要求.普通土壤通常难以满足规范要求的力学性能，经过固化处理后才能用作道路填料，目前，传统施工工艺采用的土壤固化剂为石灰2和水泥3.水泥和石灰等传统胶凝材料，与土壤混合后产生一系列的化学稳定反应4-6，使土壤在短时间内获得较高的抗压强度，广泛应用于路基填筑施工.随着水泥、石灰7-8等资源的大量消耗，水泥和石灰在生成过程中会消耗大量资源和能源并排放大量二氧化碳，会对环境造成一定程度的破坏9.同时，大宗固体废弃物处置方式以堆存、填埋为主，不仅占用了宝贵的土地资源，且易对地下水、土壤、大气等造成污染10-12，开展资源综合利用是我国深入实施可持续发展战略的重要内容13.现有研究表明14-16矿渣、脱硫石膏、粉煤灰等工业固废材料来源广并具有潜在的胶凝活性，能够胶结挤密土壤颗粒，显著提高固弃物稳定土的力学性能和耐久性能.工业固废替代水泥、石灰不仅可以提高固废利用率17-18，还可以减少水泥等建材的使用量，有助于减少碳排放等环境污染.利用工业废渣作为土壤固化技术受到越来越多的重视19-20.本文分别以工业固废胶凝材料和水泥作为土壤固化剂，进行不同养护时间无侧限抗压强度、延迟成型无侧限强度、CBR等室内性能对比，并进行工程铺筑应用，探究对路床施工效果的影响，为路床的铺筑提供科学合理的技术参数指标，为工业固废材料在道路上路床中的应用提供科学依据.1原材料与试验方法1.1原材料素土：本试验及路床工程应用素土取自豫北平原某高速公路工程取土场，保水性强、塑性高等.由表1可知，根据 膨胀土地区建筑技术规范（GB 501122013）21中的规定，土的自由膨胀率大于等于40%的黏性土，应判定为膨胀土，自由膨胀率大于等于40%且小于65%的土膨胀潜势为弱，故该土为弱膨胀土.表1土的基本参数Tab.1Basic parameters of soil最大干密度dmax/（gcm-3）1.84最佳含水率Wep/%15.4液限WL/%40塑限WP/%18塑性指数IP/%22自由膨胀率FS/%44累计通过粒径（mm）百分率/%5100294.8194.10.585.20.2563.80.07514.2固化剂：工业固废胶凝材料由电石渣、矿渣粉、尾矿、钢渣等工业固废烘干粉磨而成，水泥为南阳中联普通缓凝硅酸盐水泥PO42.5，主要化学成分如表2所示.表2固化剂主要化学成分Tab.2Main chemical composition of curing agent固化剂材料水泥工业固废胶凝材料主要化学成分含量/%Fe2O36.426.10Al2O313.2512.17CaO47.8442.71MgO2.244.91SiO211.4213.62SO33.5410.061.2试验方法1.2.1固化剂凝结时间及抗压强度试验凝结时间按 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG 34202020）22中T0505方法进行试验；固化剂材料自身抗压强度压强度根据 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG 34202020）中T0506方法进行.1.2.2不同养护时间无侧限抗压强度试件成型方法室内将固废胶凝材料和水泥分别与土加水混合后，按照 公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E512009）23中T0805成型直径5 cm、高度5 cm无侧限抗压强度试件，每组30个，分为5部分，其中两部分根据T0845分别进行标准养生6、27 d，泡水养生1、7、28 d无侧限抗压强度；另三部分进行标准养生0、1、3 d的无侧限抗压强度.引用格式：褚付克，马春锋，李豪.工业固废胶凝材料对路床稳定土的施工质量影响 J.河南科学，2023，41（8）：1196-1204.-1197第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月1.2.3延迟无侧限成型方法室内将固废胶凝材料和水泥分别与土加水混合后，密封放置0、8、24、72 h后，按 公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E512009）中T0805进行标准养生6 d，泡水养生1 d的7 d无侧限抗压强度的试件成型、养护、测试试验.1.2.4CBR测试方法固废胶凝材料稳定土、水泥稳定土的承载比（CBR）试验按照 公路土工试验规程（JTG E402007）24中T0314试验方法进行.2材料性能分析2.1素土的物理、力学性质采用荧光显微镜对素土样品进行100倍放大观察.如图1所示，素土颗粒均匀集中，砂粒磨圆度较高，黏粒成分较少.颗粒间隙较大，颗粒间的黏聚力较小，无法有效固定在一起，导致承载力有限，并且施工难以压实.按照 公路土工试验规程（JTG E402007）中进行击实和承载比试验（CBR）试验样，结果如表3所示.素土的 CBR 远低于 公路路基设计规范（JTG D302015）25中大于8%的要求，直接应用于道路建设中易出现压实度不合格、力学性能不足等问题，进而引发道路滑移，路基沉陷等各种病害，需要对其进行改良处治.2.2固化剂材料性能研究PO42.5水泥及固废胶凝材料的凝结时间及抗压强度测试结果如表4所示，固废胶凝材料28 d抗压强度为58.4 MPa，与PO42.5水泥基本持平，具有较高的胶凝活性；3 d抗压强度只有PO42.5水泥的57%，前期活性较低，凝结时间远长于水泥，具有较长的允许施工时间，作为土壤固化剂有利于施工质量控制.表4固化剂材料的凝结时间和抗压强度Tab.4Setting time and compressive strength of curing agent materials固化剂材料PO42.5水泥固废胶凝材料凝结时间/min初凝262572终凝317942抗压强度/MPa3 d26.515.228 d55.758.4为了研究固化剂材料的自身水化效应，对3 d龄期的水泥与固废胶凝材料采用扫描电镜（SEM）进行微观结构分析，如图2所示.图1素土颗粒的微观形貌Fig.1The micromorphology of plain soil particles表3素土击实和承载比试验结果Tab.3Compaction and CBR test results of plain soil压实度/%CBR/%932.7943.6964.1-1198可以看出试样的主要水化产物是C-S-H凝胶以及未水化的材料颗粒，水泥水化3 d后，产生的C-S-H凝胶以及大量针状的钙钒石晶体，水化产物相互交结将未水化颗粒包裹在一起，使得充填体结构更为致密，从而提高充填体的强度；相比水泥试样，固废胶凝材料的主要水化产物出现的针状的钙钒石晶体较少，无法形成致密的网络结构，不同颗粒之间仍然彼此独立存在，没有有效结合在一起，材料自身的3 d抗压强度较低，凝结时间较长，与宏观试验分析结果一致.2.3固化剂固化机理土中含有的水分与固化剂发生水化、水解作用，形成胶结性能良好的水化产物.同时含量较多的细粒土，对水化形成的胶凝产物以及Ca（OH）2产生吸附作用，且发生离子交换作用，在稳定土空隙之间构成水化产物的骨架，以此对土粒起到制约作用.3固化剂对土的力学性能研究道路路床铺筑过程中，从固化剂与土拌合到平整碾压完成需要一定的时间间隔.特别是路床顶层直接承载水泥稳定碎石基层，需要精细化施工，固化剂撒布完成后需要更长时间进行精细化碾压、平整、检测，甚至多次重复施工.稳定土过早形成强度会使允许施工时间过短，无法精细化施工产生质量控制问题.施工完成后，未达到最终强度之前，一般养护7 d左右开始进行上一层位施工，因此要求上面层施工具有足够的强度以支撑施工车辆.为研究工业固废对施工时间的影响，对掺加固化剂的稳定土进行不同养护时间无侧限强度和延迟成型无侧限抗压强度等性能分析.豫北高速公路路床施工工程中，固化剂掺量通常为3%，因此，稳定土的室内性能和施工质量分析，水泥和工业固废掺量同样设定为3%.3.1不同养护时间无侧限强度无侧限抗压强度是评价路基工程材料承载能力的一项重要指标，测试工业固废稳定土0、1、3、7、28 d的无侧限强度变化（图3），并和施工常用的水泥稳定土进行对比，试验结果如表5所示.（a）水泥（b）固废胶凝材料图2水泥和固废胶凝材料3 d龄期SEM照片Fig.2SEM photo of cement and industrial solid waste material of 3 d age图3无侧限抗压强度试件Fig.3Unconfined compressive strength specimen引用格式：褚付克，马春锋，李豪.工业固废胶凝材料对路床稳定土的施工质量影响 J.河南科学，2023，41（8）：1196-1204.-1199第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月表5不同养护时间稳定土的无侧限抗压强度值Tab.5Unconfined compressive strength of stabilized soil at different curing time固化剂材料水泥固废胶凝材料掺量/%33无侧限抗压强度/MPa0 d0.280.261 d0.730.343 d1.140.767 d1.521.5728 d1.882.36固化剂材料类型及养护龄期对稳定土无侧限抗压强度的影响规律如图4所示，随着稳定土龄期的增长，无侧限抗压强度逐渐增大.相比于水泥稳定土强度迅速上升，固废稳定土在13 d内上升缓慢，1 d和3 d强度低于水泥，为路床碾压、平整留下足够的施工时间；3 d以后开始迅速上升，在7 d时与水泥具有同样强度支撑施工车辆进行上层位施工；28 d的最终无侧限强度高于水泥稳定土，保证公路运行过程中具有优于水泥的强度性能.材料的力学性能取决于其内部微观结构，当材料内部结构紧密，基体相和增强相衔接紧密时，材料的强度相应就高.如图5所示，3 d龄期水泥稳定土外观一种类似于岩石的物质，反应后的形成物结构密实，孔隙很少；工业固废胶凝材料稳定土结实体空隙率大，有较多的孔洞、颗粒状产物，大大降低了抗压强度.表明固图4不同养护时间稳定土的无侧限抗压强度值Fig.4Unconfined compressive strength of stabilized soil at different curing time无侧限强度/MPa015728养护时间/d 养护时间/d 水泥 工业固废 2.52.01.51.00.50水泥工业固废（a）3 d水泥稳定土（b）3 d工业固废稳定土（c）7 d水泥稳定土（d）7 d工业固废稳定土（e）28 d水泥稳定土（f）28 d工业固废稳定土图5水泥稳定土和工业固废稳定土不同龄期SEM照片Fig.5SEM photo of cement stabilized soil and industrial solid waste stabilized soil at different age-1200废胶凝材料早期具有一定水化活性，但低于水泥；7 d龄期工业固废稳定土空隙明显减少，与水泥稳定土外观类似；28 d龄期工业固废稳定土形成结构致密的岩石结构，致密程度远高于水泥稳定土结构，表明固废胶凝材料具有足够的后期强度性能，与稳定土不同龄期无侧限抗压强度分析结果一致.3.2延迟成型无侧限强度分析工业固废稳定土和水泥稳定土的不同延迟成型时间的无侧限强度如表6所示.对于水泥稳定土，延迟8 h成型的试件强度大幅降低，延迟24 h以后，试件均被泡散，不能进行有效的强度检测试验.并且随着延迟成型时间的增加，泡水后试件解体的程度就越严重，如图6所示.这是因为水泥稳定土拌合完成存放期间，水泥中的活性组分就开始迅速进行水化反应，时间越长，水化程度越高，水泥剩余活性组分越少；试件成型后仅依靠剩余活性组分水化形成强度.固废稳定土延迟成型期间，水化反应程度较低，消耗活性组分较少，试件成型后仍然有充足的活性组分形成足够的抗压强度.延迟成型时间在24 h内，工业固废稳定土的无侧限抗压强度无明显变化.结果表明水泥允许施工时间不足8 h，与土拌合后需要在极短时间内完成施工，时间过长对道路性能带来不利影响；固废胶凝材料的允许施工时间长达24 h，远长于水泥有足够的时间进行碾压、刮平等工艺，更有利于精细化操作和施工质量控制.表6不同延迟成型时间稳定土的无侧限抗压强度值Tab.6Unconfined compressive strength of stabilized soil at different delay forming time固化剂材料水泥固废胶凝材料掺量/%33延迟成型无侧限强度/MPa0 h1.521.578 h1.141.7024 h泡散1.6772 h泡散1.413.3稳定土CBR试验在路基路面施工中，将承载比（CBR）作为力学指标以指导工程设计和施工，CBR值已成为路基填料选择的依据.分别进行掺量3%的固废胶凝稳定土和水泥稳定土CBR试验，结果如图7和表7所示.3%水泥稳定土压实度96%的CBR值为102%，同掺量的工业固废稳定土CBR达到156%，是水泥稳定土的1.5倍以图6延迟成型试件泡水Fig.6Delay forming specimen soaked water图7CBR试件泡水Fig.7CBR specimen soaked in water表7不同稳定土CBR试验结果Tab.7The CBR test results of different stable soils固化剂材料水泥固废胶凝材料掺量/%33不同压实度下CBR/%9346105947813496102156引用格式：褚付克，马春锋，李豪.工业固废胶凝材料对路床稳定土的施工质量影响 J.河南科学，2023，41（8）：1196-1204.-1201第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月上.由此可见，采用固废胶凝材料对土的改良效果更好，可同剂量替代水泥进行稳定土处治.4工程试验应用固废胶凝材料在某高速公路路床进行了实体工程应用，试验段分左右两幅分别撒布固废胶凝材料和水泥，掺量均为3%，如图8所示，左、中、右分别为素土、水泥稳定土、工业固废稳定土.路床分为下路床（50 cm）和上路床（30 cm），每层施工厚度为20 cm，由下至上共分96-1、96-2、96-3和96-4四层摊铺施工，每层施工养护7 d后进行上一层施工，每层摊铺均测试压实度，路床4层施工层位全部施工完成养护7 d后测试弯沉和平整度.工业固废稳定土与水泥稳定土采取完全一致的施工工艺：撒布、拌合、碾压、刮平，其中碾压工艺为：光轮压路机静压1遍+凸轮压路机强振34遍+胶轮压路机收面1遍.4.1压实度试验段每1层铺筑压实完成当天，根据 公路路基路面现场测试规程（JTG E602008）26中T0921的方法对现场压实度进行检测，压实度检测结果见表8.表8不同层位压实度检测结果Tab.8The test results of compaction degree at different layers固化剂材料水泥固废胶凝材料掺量/%33不同层位压实度/%96-197.798.496-297.896.996-396.297.196-495.797.4试验段路床位于底部的3个施工层位，即96-1、96-2和96-3的固废胶凝材料和水泥稳定土的压实度平均值都达到了不低于96%的标准要求，压实度较接近.由于固化剂在撒布完成后，6 h之内就完成了拌合、平整、碾压、压实度检测等所有工艺，固化稳定土形成强度较弱，相同的施工工艺对工业固废稳定土和水泥稳定土均具有较好的碾压效果.96-4作为路床的最顶层，同时作为水泥稳定碎石基层的承载层，要求具有较高的平整度和承载力等性能标准，施工过程中需进行多次平整、碾压，从固化剂开始撒布到作业完成施工速度缓慢，精细化操作，经历了大约12 h.测试结果显示96-4的固废稳定土的压实度97.4%，满足设计规范；水泥稳定土的压实度95.7%低于设计标准，利用钢轮压路机再次进行碾压2遍，压实度达到了96.4%，这是由于施工时间较长，水泥已形成较高强度，对稳定土压实产生一定影响，需要额外增加施工工艺.4.2平整度96-4的平整度直接影响路面的施工平整度，从而对行车舒适性产生影响，利用3 m直尺测试两种稳定土平整度，测试结果如表9所示.图8固废胶凝材料和水泥工程应用Fig.8Engineering application of industrial solid waste and cement-1202表9两种稳定土平整度试验结果比较Tab.9The flatness test results of different stabilized soils固化剂水泥固废胶凝材料掺量/%33不同桩号平整度/mmK28+19111.18.4K28+27811.612.3K28+33613.310.6平均12.010.496-4的工业固废和水泥稳定土的平整度均满足 公路工程质量检验评定标准（F80/12017）27不低于15 mm的标准要求.相对于水泥，工业固废稳定土的平整度检测结果更加优异，更加适用于施工工序复杂、质量要求高的层位.这是因为工业固废稳定土的允许施工时间远长于水泥，前期强度形成较慢，有足够的时间进行平整、碾压等施工工艺；同时早期强度较低，稳定土被固结情况远不如水泥明显，更有利于施工刮平、碾压.4.3弯沉试验段96-4铺筑完成养护7 d后进行了弯沉检测.弯沉检测结果如表10所示.表10两种稳定土弯沉检测结果比较Tab.10The bending test results of different stable soils固化剂材料水泥固废胶凝材料桩号K28+190K28+199K28+228K28+239K28+278K28+290K28+328K28+336K28+191K28+201K28+231K28+241K28+281K28+293K28+331K28+343弯沉测试结果（0.01 mm）单点弯沉58.867.377.564.351.086.762.056.445.145.941.050.558.151.048.851.2标准差11.65.1平均值65.549.0代表值84.757.4弯沉检测结果表明，两种稳定土路床的弯沉值均小于96区顶面要求的弯沉代表值100（0.01 mm），满足路用性能要求.其中工业固废稳定土路床的弯沉代表值57.4（0.01 mm）远小于水泥稳定土弯沉代表值84.7（0.01 mm），这是由于路床各层位经过728 d的养护，特别是较低的施工层位，养护时间远超过7 d，由室内试验可知7 d以后工业固废稳定土的强度逐渐高于水泥稳定土；同时固废胶凝材料的允许施工时间长有利于精细化操作.固废胶凝材料对路床顶部弯沉小，对路床承载力及固化土层弹性模量的改善效果明显优于水泥，应用效果良好.综上所述，相同施工工艺下，使用工业固废胶凝材料替代水泥作为固化剂因其抗压强度高，允许施工时间长的特点，在压实度、平整度、弯沉等路用性能方面均得到显著提升，具有明显的施工质量控制效果.5结论本文对工业固废胶凝材料稳定土和水泥稳定土进行了不同养护时间无侧限强度、延迟成型无侧限强度引用格式：褚付克，马春锋，李豪.工业固废胶凝材料对路床稳定土的施工质量影响 J.河南科学，2023，41（8）：1196-1204.-1203第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月和CBR室内研究试验，开展实际工程应用，分析对路床压实度、平整度和弯沉等性能的影响，得到以下结论：1）固废胶凝材料稳定土无侧限强度呈现先慢后快的增长趋势，前期强度较低，具有较高的延迟成型无侧限强度，路床施工拥有更长的允许施工时间；在7 d以后抗压强度超过水泥，室内CBR远高于水泥，为路床提供了更加显著的强度保障.2）固废胶凝材料稳定土因其抗压强度高，允许施工时间长的特点，现场施工压实度、平整度和弯沉效果均优于水泥，具有明显的施工质量控制效果.3）工业固废胶凝材料作为路床改良土固化剂，室内性能和施工质量控制均优于同掺量下的水泥，具有极大的应用潜力.参考文献：1 张玮，杨蕾颖，黄关融.土壤固化剂在软土地基处理中的应用 J.昆明冶金高等专科学校学报，2021，37（1）：94-97.2 吕光东，丁海栋.石灰改良不同含砂率粉土室内试验研究 J.河南科学，2018，36（10）：1581-1585.3 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