建筑垃圾渣土制備固化土配合比參數(shù)研究

目前，我國正處于基礎(chǔ)設(shè)施大量建設(shè)時(shí)期，城建項(xiàng)目、舊城改造和軌道交通等工程進(jìn)展產(chǎn)生的大量渣土，作為固體廢棄物嚴(yán)重制約著城市發(fā)展。據(jù)估計(jì)，目前我國城市建筑渣土的堆積量達(dá)到100億t，且以每年3億t的速度增長；而礦山資源保護(hù)力度逐年增大，工程建設(shè)所需建材存在缺口，尤其是用量較大的路基材料，以固化渣土替代傳統(tǒng)道路填筑材料成為解決建材原料供需緊張的有效途徑。土壤固化是指在土壤中添加一定量的增強(qiáng)土壤粘結(jié)性，改善土體工程技術(shù)性能的固化材料。按材料種類劃分，土壤固化材料分為無機(jī)固化劑、有機(jī)固化劑和離子類固化劑，其中無機(jī)固化劑主要為水泥、石灰、粉煤灰、礦渣等無機(jī)結(jié)合料，通過自身反應(yīng)生成的膠凝材料形成穩(wěn)定密實(shí)的結(jié)構(gòu)；有機(jī)固化劑通過包裹土壤顆粒，增強(qiáng)土壤表面吸附力使顆粒聚集固化；離子類固化劑具有較高的電荷強(qiáng)度，解離出的陽離子置換出土壤顆粒中的陽離子后可降低土體之間的相互排斥力，在壓實(shí)功的作用下使固化土體達(dá)到一定強(qiáng)度。目前我國路基填料固化土多采用水泥、石灰等無機(jī)固化劑，但無機(jī)固化土體存在多種問題，如水泥固化土體存在收縮大、易開裂問題，石灰固化土體存在早期強(qiáng)度低、強(qiáng)度增長慢、水穩(wěn)定差等缺點(diǎn)。因此，以離子固化劑增強(qiáng)無機(jī)固化的方式，分析不同固化材料摻量、渣土顆粒組成對(duì)固化土性能的影響規(guī)律，提供一系列滿足工程需求的配合比，尋求經(jīng)濟(jì)效益最佳方案，為路基填料用固化土的工程應(yīng)用提供依據(jù)。1、原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1原材料1.1.1水泥試驗(yàn)采用北京金隅琉水環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)如表1所示。表1水泥主要性能指標(biāo)1.1.2石灰試驗(yàn)所用石灰有效鈣鎂含量為60%，其中大于0.3?mm顆粒含量為0.3%。1.1.3渣土試驗(yàn)所采用渣土為首鋼資源綜合利用科技開發(fā)有限公司建筑垃圾處理線篩余渣土，渣土中4.75?mm以上顆粒占比23.1%，4.75?mm以下顆粒占比76.9%（篩分結(jié)果見表2），4.75?mm以上顆粒壓碎值為17.1。為提高固化土強(qiáng)度，需保證一定量的粗骨料含量，本試驗(yàn)所用渣土控制4.75?mm以上顆粒含量為75±5%。表2渣土篩分試驗(yàn)依據(jù)GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，試驗(yàn)所用渣土的塑性指數(shù)屬粉質(zhì)粘土類（塑性指數(shù)10≤IP≤17），液塑限試驗(yàn)結(jié)果見表3。表3渣土塑性指數(shù)渣土pH值為8.26，屬堿性土。1.1.4固化劑試驗(yàn)所用固化劑為美國貝塞爾固化劑，棕色，液態(tài)、離子型固化劑。1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)固化土基本性能試驗(yàn)選定離子類固化劑（以下簡稱固化劑）的摻量和水泥、石灰、渣土的比例。在渣土顆粒級(jí)配的3種影響因素中，固化劑摻量對(duì)固化土性能的影響選用單因素研究法，固化劑摻量分別為0，0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05%,0.06%，以外摻方式添加，水泥、石灰、渣土摻量及渣土顆粒級(jí)配對(duì)固化土性能的影響以三角等焓圖方法設(shè)計(jì)配合比。三角等焓圖指三角等值線圖類似地形的等高線圖，可用于觀察某性能指標(biāo)的最高值區(qū)域和最低值區(qū)域。三角等焓圖的設(shè)計(jì)原則為三種因素之和為100%，圖1研究了水泥、石灰、渣土摻量對(duì)固化土7?d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，水泥的含量從0到8%，石灰的摻量從0增加到8%，渣土的摻量從92%增加到100%。三角等焓圖坐標(biāo)的讀取方法為平行線法，以G點(diǎn)為例，按圖中箭頭方向作三角形三邊的平行線，平行線與“渣土摻量（%）”坐標(biāo)線的交點(diǎn)即為渣土的摻量94%，平行線與“水泥摻量（%）”坐標(biāo)線的交點(diǎn)即為水泥的摻量2%，平行線與“石灰摻量（%）”坐標(biāo)線的交點(diǎn)即為石灰的摻量4%，三者之加和為100%。右側(cè)為抗壓強(qiáng)度標(biāo)簽值，三角等焓圖內(nèi)的各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顏色即為不同配比下凈漿的強(qiáng)度。圖1三角等焓圖坐標(biāo)讀取方向2、試驗(yàn)結(jié)果分析2.1固化劑摻量對(duì)固化土性能的影響為探討離子固化劑摻量對(duì)固化土性能的影響，試驗(yàn)研究了水泥∶渣土為4∶96時(shí)，不同固化劑摻量對(duì)7?d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨離子固化劑摻量增加，固化土的7?d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增長趨勢；隨離子固化劑摻量增加，固化土抗凍性能增強(qiáng)。貝塞爾土壤固化劑通過改變土壤顆粒表面電荷的特性，降低了土壤顆粒間的排斥力，使土壤中的含水量達(dá)到穩(wěn)定平衡，同時(shí)形成結(jié)晶鹽，進(jìn)而增強(qiáng)了土體的密實(shí)度，提高了強(qiáng)度和抗凍性。考慮到固化土應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，建議固化劑摻量在0.02%左右。圖2離子固化劑摻量對(duì)7?d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響圖3離子固化劑摻量對(duì)抗凍性能的影響2.2配合比參數(shù)對(duì)固化土性能的影響固定離子固化劑摻量為0.02%，以三角等焓圖為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不同水泥、石灰、渣土的比例，研究三者摻量對(duì)固化土7?d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗凍性能的影響規(guī)律。在圖4和圖5中，沿A-B-C-D-E方向，在石灰摻量不變、水泥摻量增加的同時(shí)減少渣土摻量，可以看出隨水泥摻量增加，固化土的7d和28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，F(xiàn)-G-H-I,J-K-L,M-N方向同理；沿O-N-L-I-E方向，在渣土摻量不變、水泥摻量增加的同時(shí)減少石灰摻量，可以看出固化土的7d和28d強(qiáng)度隨水泥摻量增加而提高，M-K-H-D,J-G-C,F-B方向同理；沿A-F-J-M-O方向，在水泥摻量不變、石灰摻量增加的同時(shí)減少渣土摻量，可以看出隨石灰摻量增加，固化土7d強(qiáng)度無明顯變化，28?d強(qiáng)度略有提高。石灰固化渣土存在早期強(qiáng)度低、強(qiáng)度發(fā)展緩慢的問題；而沿著B-G-K-N、C-H-L、D-I方向，即有一定水泥摻加量后，固化土強(qiáng)度較高時(shí)在試驗(yàn)齡期內(nèi)石灰摻量增加對(duì)固化土強(qiáng)度的影響有限。從圖4和圖5中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在三角等焓圖上的分布特征可看出，等高線梯度方向與水泥摻量增加方向一致，表明水泥是增強(qiáng)固化土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。在工程應(yīng)用中，按工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，可依此三角等焓圖找到相應(yīng)的配合比，同時(shí)找到經(jīng)濟(jì)性最佳方案。圖47?d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在三角等焓圖上的分布特征

圖528?d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在三角等焓圖上的分布特征不同水泥、石灰、渣土摻量下固化土的28?d殘留抗壓強(qiáng)度比如圖6所示，從圖6可看出，與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨勢相似，隨水泥用量增加固化土的抗凍性能增強(qiáng)；隨石灰用量增加，固化土的抗凍性能略有增強(qiáng)。水泥、石灰水化生成硅酸鈣、鋁酸鈣及鐵酸鈣等膠凝材料，同時(shí)水化產(chǎn)物與土壤中的活性成分反應(yīng)生成膠凝材料，使土體密實(shí)度增加，一方面提高了耐水性；另一方面提高了抵抗水分結(jié)冰膨脹的壓力，進(jìn)而提高了抗凍性。圖6殘留抗壓強(qiáng)度比在三角等焓圖上的分布特征2.3渣土級(jí)配對(duì)固化土力學(xué)性能的影響建筑渣土是現(xiàn)代城市建設(shè)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，產(chǎn)生于城市的新建、改擴(kuò)建和拆除等施工過程，例如城建項(xiàng)目地基管溝開挖、舊城改造和軌道交通盾構(gòu)等，因地質(zhì)、施工條件差異，渣土的成分較復(fù)雜，本試驗(yàn)選用的渣土為建筑垃圾資源化處理線分選出的渣土，含部分砂石骨料。試驗(yàn)選用離子固化劑摻量為0.02%，水泥摻量為4%，渣土摻量為96%，以三角等焓圖為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)渣土中0~5?mm,5~10?mm,10~25?mm顆粒比例，研究渣土顆粒級(jí)配對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗凍性能的影響規(guī)律。圖7、圖8可以看出，與水泥、石灰、渣土摻量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不同，渣土顆粒級(jí)配存在合理區(qū)間，A點(diǎn)[（0~5?mm）∶（5~10?mm）∶（10~25?mm）=40%∶20%∶40%]和K點(diǎn)[（0~5?mm）∶（5~10?mm）∶（10~25?mm）=50%∶40%∶10%]固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。渣土中粗骨料自身具有較高的強(qiáng)度，粗骨料的摻加有利于提高固化土強(qiáng)度，但當(dāng)渣土中粗骨料較多時(shí)，存在的空隙也較多，細(xì)顆粒不能完全填充空隙使得整體強(qiáng)度降低，因此合理的顆粒級(jí)配有利于提高固化土的強(qiáng)度。圖77?d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在三角等焓圖上的分布特征圖828?d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在三角等焓圖上的分布特征圖9為渣土不同顆粒級(jí)配時(shí)，殘留抗壓強(qiáng)度比在三角等焓圖上的分布特征，與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分布特征相似，顆粒級(jí)配對(duì)固化土抗凍性對(duì)的影響存在最佳區(qū)間。結(jié)合抗壓強(qiáng)度及殘留抗壓強(qiáng)度比特征分布圖分析，渣土中顆粒級(jí)配最佳方案為（0~5?mm）∶（5~10?mm）∶（10~25?mm）=40%∶20%∶40%或50%∶40%∶10%。圖9殘留抗壓強(qiáng)度比在三角等焓圖上的分布特征3、結(jié)論（1）固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗凍性隨離子類固化劑摻量的增加而提高，離子固化劑通過改變顆粒表面電荷增強(qiáng)顆粒間的粘聚性，綜合考量固化土性能及經(jīng)濟(jì)成本，建議固化劑摻量為0.02%。（2）離子類固化劑摻量一定時(shí)，固化土無測限抗壓強(qiáng)度及殘留抗壓強(qiáng)度在三角等焓圖上的