工業廢渣土壤改良劑對土壤固化性能試驗分析?

趙文波 ，于世卿 ，褚付克 ，黃啟龍 ，趙秀松 ，胡海華

（1.中鐵二十三局集團第四工程有限公司，四川 成都610000；2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州450000）

0 引言

在我國豫北平原路基填方施工過程中，土壤具有天然含水率高、塑性指數高、液限高，強度低，水穩性差等不良特征，給施工巨大困難。傳統的水泥、石灰和水泥石灰綜合固化劑等膠凝材料［1］，因其具備相對可觀的強度和性能，作為固化劑被廣泛地應用在道路基礎工程領域。但其早期強度高，水泥水化作用產生C－S－H 膠結物過多引起體積收縮而導致路面開裂等問題［2－4］。

利用工業廢渣制備土壤改良劑技術用于道路施工，實現工業固體廢物的資源化利用，成為新的研究方向，受到越來越多人的青睞。不僅可以緩解資源短缺、筑路材料匱乏且價格上漲的問題，還有助于實現節能減排和降低造價的目的。具有明顯的經濟效益和廣闊的應用前景［5－7］。

本文以電石渣、粉煤灰、鋼渣粉、水渣、消石灰等原材料，制備工業廢渣土壤改良劑，進行無側限抗壓強度、承載比（CBR）、耐水性能等試驗，研究工業廢渣土壤改良劑對路基填土的強度特性和路用性能改善效果，為工業固廢在道路路基、底基層中的應用提供科學依據。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

（1） 試驗用土： 本試驗用土取自豫北平原某高速公路工程不同取土場，土質含水量高，黏聚性強，土的參數如表1 所示。

表1 土的基本參數Table 1 Basic parameters of soil

（2） 水泥： 水泥采用施工現場使用的P·F 32.5 水泥，其主要物理學性能如表3 所示。

（3） 工業廢渣土壤改良劑： 以電石渣、鋼渣粉、水渣、消石灰等工業廢渣為原材料，按一定比例，經過烘干除水、磨碎、篩分等一定工藝制備的環保型膠凝材料主要成分如表2 所示，物理學性能如表3 所示。

表2 工業廢渣土壤改良劑主要化學成分Table 2 Main chemical constituents of industrial waste residue soil modifier

表3 不同固化劑物理力學性能Table 3 Physical and mechanical properties of different curing agents

1.2 試驗方案

使用兩種改良劑和水泥分別采用3%、4%摻量下（土壤固化劑摻量為土壤固化劑與土壤的質量之比） ，對4 種土進行改良效果分析試驗。按照JTG E40－2007 《公路土工試驗規程》 分別進行擊實、承載比（CBR）、無側限抗壓強度和耐水性能等試驗，檢驗其路用性能。

2 土壤固化劑作用原理

土壤固化劑的作用機理包括物理過程和化學過程。物理過程是土體強度形成最基本的加固手段，土體在荷載作用下變得密實，使土體強度增長?；瘜W過程是指土壤固化劑中的CaO 與土中的水分形成Ca （OH）2，所含有的SiO2、A12O3和Ca（OH）2發生物理化學反應形成水化硅酸鈣以及水化鋁酸鈣，把不固結的土顆粒凝結成塊狀，顯著增加固化土的強度。同時殘留的Ca （OH）2能夠和二氧化碳發生反應，變為CaCO3，本質上無法增加固化劑的強度，但CaCO3能填充土體間隙，間接增加土體強度。

3 試驗結果與分析

使用改良劑1＃、改良劑2＃和P.F 32.5 水泥分別采用3%、4%摻量下對4 種土的擊實、承載比（CBR）、無側限抗壓強度等試驗結果如表4 所示。

表4 試驗測試結果Table 4 Test results

3.1 對土樣物理性質的影響

使用改良劑1＃、改良劑2＃和P·F 32.5 水泥分別采用3%、4%摻量下對4 種土的擊實試驗，測得每種素土不同固化劑、不同摻量下的最大理論密度如圖1 所示，最佳含水率如圖2 所示。

圖1 土的最大理論密度變化趨勢Fig.1 The trend of maximum theoretical density of soil

圖2 土的最佳含水率變化趨勢Fig.2 The variation trend of optimum moisture content of soil

穩定土由素土、固化劑和水3 部分組成，其中素土占總量的80%以上，因此，密度主要受素土影響。由圖1 得出，隨著土的種類不同，相同固化劑相同摻量下的最大理論密度保持相同的變化趨勢。同類型的土，相同摻量下最大理論密度變化趨勢是： 水泥＞改良劑1＃＞改良劑2＃，這是因為水泥的密度比改良劑高，同時由于改良劑1＃含有更高的Fe2O3和Al2O3，密度高于改良劑2＃。并且由于水泥、改良劑密度均小于素土； 4%摻量下比3%含有更多水（水的密度遠低于水泥、改良劑），導致4%摻量的改良劑穩定土最大理論密度小于3%摻量。

由圖2 得出，最佳含水率同樣受土的種類影響，基本保持相同的變化趨勢。同類型的土，4%摻量下的最佳含水率高于3%，這是由于水泥和改良劑中含有超過30%的CaO，CaO 起固化作用需要大量水的緣故。CaO 起固化作用需要的水遠高于Fe2O3和Al2O3，含有更高CaO 的改良劑2＃的最佳含水率高于改良劑1＃。

3.2 承載比

每種土不同固化劑、不同摻量下的96 區承載比（CBR） 如圖3 所示，CBR 受土的種類影響，基本保持相同的變化趨勢，素土物理特征對CBR有決定性影響。對同類型的土，3 種固化劑對土的CBR 提升效果，4%摻量明顯高于3%摻量。同摻量下，改良劑1＃和P.F 32.5 水泥基本具有相等的改性效果，改良劑2＃由于具有更高的鈣含量，CBR 提升效果更明顯。

圖3 土的承載比變化趨勢Fig.3 CBR variation trend of soil

固化劑穩定土CBR 值隨土壤固化劑摻量的增加而不斷升高，這是因為土顆粒表面帶有負電荷，使得土顆粒之間相互排斥。固化劑添加到穩定土中，使得土壤固化劑與水反應，產生的鈣離子和鎂離子與土顆粒吸附層的鈉離子和鉀離子進行交換，并中和土顆粒表面的負電荷，使得土顆粒之間的排斥力減小，相互靠近更加緊密。所以固化劑穩定土在擊實作用下更加密實，CBR 值有所提高。土壤固化劑在未達到飽和之前，隨著固化劑摻量提升，鈣鎂含量不斷提升，CBR 不斷提升；同時固化劑2＃具有更高的鈣鎂含量，CBR 改善效果也更明顯。

3.3 7 d 無側限強度試驗

根據土樣最佳含水率以及最大干密度，采用靜壓法制備每種固化劑3%、4%摻量下的50 mm×50 mm 的圓柱體試件。將制好的試件在標準養護條件（20±2 ℃，濕度≥95%） 下養護6 d，水中浸泡1 d，利用萬能試驗機測試其無側限抗壓強度，試驗加載速率設定為1 mm／min。無側限抗壓強度結果如表4、圖4 所示。

圖4 土的7 d 無側限強度變化趨勢Fig.4 7 d unconfined strength variation trend of soil

每種土不同固化劑、不同摻量下的7 d 無側限強度如圖4 所示7 d 無側限強度受土的種類影響，基本保持相同的變化趨勢，并且與CBR 變化趨勢并不相同。對同類型的土，同摻量下，改良劑1＃和P·F 32.5 水泥基本具有相同的改性效果，改良劑2＃對7 d 無側限強度提升效果更明顯。3 種固化劑的4%摻量對土的7 d 無側限強度提升效果明顯高于3%摻量。

4 種土的7 d 無側限抗壓強度隨土壤固化劑的增加而不斷提高。這是因為土壤固化劑與土壤反應產生含有結晶水的鈣礬石結晶體，填充于土顆粒之間，使得固化劑穩定土擊實后更加密實。所以試件的無側限抗壓強度有所提高。

4 效益分析

4.1 經濟效益

工業固廢改良劑與傳統的水泥固化劑施工工藝完全相同，使用的主要機械有撒布車、冷再生機、刮平機、壓路機等，無需要添加任何額外的設備。與水泥唯一不同的是材料成本，工業固廢改良劑與水泥成本如表5 所示。

表5 不同固化劑價格比較Table5 Price comparison of different curing agent

改良劑1＃在性能與P·F 32.5 水泥持平情況下，材料成本降低約20%； 改良劑2＃材料成本降低約10%，CBR、7 d 無側限強度等路用性能遠高于P·F 32.5 水泥，2 種工業固廢改良劑具有明顯的經濟效益優勢。

4.2 環保效益

高速公路工程處于平原地帶，是我國的主產糧區，農田靠近路基施工作業區，因此，需杜絕對改良劑對農田土壤的污染。以1＃素土為試驗樣，分別摻入4%的改良劑1＃、改良劑2＃和P·F 32.5水泥，進行pH、色度和重金屬離子測試，試驗結果見表6 所示。兩種改良劑和水泥穩定土的浸出液均未檢測出銅、鉛和鎘等重金屬離子含量，改良劑1＃的鋅含量與水泥基本持平，改良劑2＃鋅含量較低，相對水泥，不會對周圍農田產生環境破壞。三種穩定土的pH 值均在9.5 ～10.5 之間，稍高于素土呈現弱堿性，這是由于改良劑和水泥含有大量堿性物質的緣故。由于改良劑中各組分不同，改良劑2＃較改良劑1＃清澈。

表6 浸出液PH 值和重金屬離子測試值Table 6 PH value and heavy metal ion test value of leaching solution

5 工程應用

在正修建的高速公路路床96－1 區鋪設試驗路段，試驗段左半幅采用改良劑2＃，右半幅作為對照采用P·F 32.5 水泥，如圖5 所示，摻量均設定為3%。路基寬度為34 m，厚度為20 cm，鋪松系數為1.25。利用氣泵將固化劑放入撒布車中，根據固化劑密度、行車速度等確定撒布量，并混合均勻。碾壓方式為輕型壓路機靜壓1 遍，刮平，再用強振碾壓4 遍，采用灌砂法進行現場壓實度檢測； 隨后進行7 d 灑水養生，養生結束后，進行彎沉檢測，試驗結果如表7 所示。

圖5 試驗段改良劑與水泥對比Fig.5 Comparison of modifier and cement in the test section

表7 試驗段壓實度和彎沉檢測Table 7 Compaction and bending test in the test section

由表7 可知，試驗路段改良劑穩定土路基壓實度為96.2%，與水泥穩定土96.4%的壓實度基本相同，滿足＞96%的技術指標，驗證了工業廢渣土壤改良劑作為土壤固化劑，使用傳統的水泥固化劑施工藝即可滿足性能要求，具有無需增加額外施工成本的優勢。試驗路段的改良劑穩定土路基彎沉代表值為128.41，相同摻量下水泥固化劑為220.04。彎沉檢測結果表明，改良劑穩定土的彎沉值遠遠低于水泥穩定土，說明改良劑2＃對路基承載力及固化土層彈性模量的改善效果明顯優于P·F 32.5 水泥，這與室內強度試驗得出的結論基本一致。

6 結論

本文主要分析平原地區粘土，研究利用純工業廢料作為改良劑的使用情況，并與P·F 32.5 水泥作對比，具體結論如下：

（1） 兩種改良劑在4%摻量下的改良劑穩定土比3%摻量下最大干密度降低、最佳含水率增大。

（2） 對4 種土的CBR 和7d 無側限強度提升效果，4%摻量明顯高于3%摻量，且隨著土的不同，變化趨勢基本一致； 同摻量下，固化劑1＃和P·F 32.5 水泥基本具有相等的改性效果，固化劑2＃由于具有更高的鈣含量，CBR 和7d 無側限強度提升效果更明顯。

（3） 改良劑1＃在性能與P·F 32.5 水泥持平情況下，材料成本降低約20%； 改良劑2＃材料成本降低約10%，CBR、7d 無側限強度等路用性能遠高于P·F 32.5 水泥，2 種工業固廢改良劑具有明顯的價格優勢； pH、色度和重金屬離子等與水泥基本持平，相對水泥，不會對周圍農田產生環境破壞。

（4） 試驗段施工表明，工業廢渣土壤改良劑與傳統的水泥固化劑施工藝相同，具有無需增加額外施工成本的優勢，同時改良劑2＃對路基承載力及固化土層彈性模量的改善效果明顯優于P·F 32.5 水泥。