生石灰-石粉-WSS固化剂...钻渣废弃土筑路再生中的应用_吴越鹏.pdf
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1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0409-12吴越鹏,王修山,金胜赫,等 2023 生石灰石粉WSS 固化剂在钻渣废弃土筑路再生中的应用J 工程地质学报,31(2):409420 doi:1013544/jcnkijeg20210688Wu Yuepeng,Wang Xiushan,Kim Sunghyok,et al 2023 Application of quicklime-limestone powder-WSS soil stabilizer in road regeneration of drill
2、ingwaste mudJ Journal of Engineering Geology,31(2):409420 doi:1013544/jcnkijeg20210688生石灰石粉WSS 固化剂在钻渣废弃土筑路再生中的应用*吴越鹏王修山金胜赫董博闻刘宇(浙江理工大学,道路与桥梁工程研究所,杭州 310018,中国)(金策工业综合大学,资源勘探工程学院,平壤 999093,朝鲜)(万邦工程管理咨询有限公司,杭州 310000,中国)摘要围绕钻渣废弃土含水率高、塑性指数大、施工性能差 3 个问题,设计了生石灰+石灰岩石粉的预处理方案,通过一系列室内试验,从脱水效率、界限含水率变化幅度、预处理后土
3、颗粒形态和破碎难易度 4 个方面选择出最优配合比。之后使用矿渣纳米复合土壤固化剂(WSS)对预处理土进行固化,以无侧限抗压强度(qu)、水稳定性(w)、加州承载比(CB)和抗压回弹模量(Ec)为指标评价固化效果,同时对预处理的辅助固化作用进行分析。除此之外,本试验还探究了最大粒径等级(Dmax)对固化土强度、破碎形态和水稳系数的影响。结果表明:本预处理方法能有效降低废弃土含水率并提高脱水速率,显著改善土体的界限含水率与颗粒形态,增进与粉末状固化剂的拌和效果。钻渣废弃土经“3%生石灰+3%石灰岩石粉+3%WSS”处理后,28 d 龄期无侧限抗压强度(qu)为 2.13 MPa,高于传统水泥固化方
4、案和不进行预处理的固化方案。经分析得出,预处理剂可以絮凝硬化黏土颗粒并疏松土体结构,还可以让土体呈碱性以增强 WSS 与水泥的固化效果。此外,试验证明了随着 Dmax的减小,生石灰石灰岩石粉WSS 固化土的强度和水稳定性逐步提高,破坏形式从脆性剪切破坏转变为塑性压缩破坏。关键词钻渣废弃土;预处理;土体脱水;液塑限;固化土;团粒尺寸;道路工程中图分类号:TU502文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20210688*收稿日期:20211020;修回日期:20220420基金项目:浙江省自然科学基金项目(资助号:LGF22E080016)This research is supp
5、orted by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province(Grant No LGF22E080016)第一作者简介:吴越鹏(1997),男,硕士生,主要从事道路工程特殊土方面的研究工作 E-mail:DAPU0922163com通讯作者简介:王修山(1974),男,博士,副教授,硕士生导师,主要从事道路工程材料方面的科研与教学工作 E-mail:wxs77777163comAPPLICATION OF QUICKLIME-LIMESTONE POWDE-WSS SOIL STABI-LIZE IN OAD EGENEATION O
6、F DILLING WASTE MUDWU YuepengWANG XiushanKIM SunghyokDONG BowenLIU Yu(Institute of oad and Bridge,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)(Kim Chaek University of Technology Faculty of esource Probing Engineering,Pyongyang,999093,Democratic People s epublic of Korea)(Hangzhou Wanbang Engi
7、neering Management Consulting Co,Ltd,Hangzhou 310000,China)AbstractOn the basis of three issues,namely,the high moisture content,the high plasticity index and the poorconstruction performance of the waste drilling mud,this paper aims to design and select the quicklime and lime-stone powder as pretre
8、atment agent materials We conducted a series of tests in the laboratory The effect of modifi-cation was characterized by the dehydration speed,variation range of Atterberg Limits,particle state as well as de-gree of crushing difficulty Thereafter,we used the unconfined compressive strength(qu),water
9、 stability coefficient(w),California bearing ratio(CB)and the compressive modulus of resilience(Ec)as indices to determine theoptimal ratio of waste soil,quicklime,limestone powder and WSS These materials are selected to make modifiedcompaction soil used in construction of roads After that,we studie
10、d the influence of the aggregate size on thestrength,broken shape and water stability The results show that pretreatment can effectively reduce the moisturecontent of the waste soil,increase the drying rate,improve the Atterberg Limits and enhance the mixing effect withthe powdered curing agent The
11、performance of quicklime-limestone powder-WSS(QLW)is far better than the ce-ment Pretreatment can not only improve the construction performance of the soil,but also promote the curingeffect In addition,the test clarified that with the decrease of Dmax,the strength and water stability of the QLW soli
12、d-ified soil gradually increased,and the failure mode changes from brittle shear failure to plastic compression failureKey wordsDrilling waste soil;Pretreatment;Soil dehydration;Atterberg limits;Solidified soil;Aggregate size;oad engineering0引言近年来为了更好地支撑滨海城市高质量发展,沿海地区交通建设量日益增多,施工过程中难免产生大量的工程废弃土。“如何有
13、效处理?”成为阻碍工程高质量建设的一项难题。在各类废弃土中,以淤泥土为代表的高液限废弃土一般有初始含水率高、含盐量高、有机质含量高、承载能力低、压缩性强和水敏性强等特点,造成此类土体工程性质差难以直接利用(陶攀,2021)。对于各类废弃土的资源化利用,国内外学者一直进行着相关研究。由于河流沉积土与疏浚淤泥的颗粒形态和化学成分适宜用于制作烧结砖。He etal(2012)便采用黄河粉砂和红泥为原料,通过研究矿物成分、制备条件和力学特性确定最佳制砖参数。徐杨等(2013)采用疏浚淤泥与黏土为主料制作烧结砖并研究淤泥初始含水率、有机质含量和颗粒组成等对成砖强度的影响。对于建筑渣土与基坑换填土中含水率
14、较低的粉土、砂土、黏土往往将之当作混凝土掺和料。而对于高含水率的工程废弃土,应用更广泛且更出色的资源化利用途径是使用水泥、矿渣、石灰和粉煤灰等无机胶凝材料进行固化,就近利用到实际工程中。曾静等(2006)利用石灰对公路施工现场无法直接使用的高液限红黏土进行改性,通过一系列试验验证改性土的路基填筑可行性。曹玉鹏等(2011)使用“水泥生石灰高分子添加剂”新型复合固化材料处理高含水率疏浚淤泥,快速降低淤泥含水率的同时提高土体强度。肖昭然等(2013)利用石灰固化海相沉积淤泥,在探究石灰对界限含水率与剪切强度影响的同时,对比了不同液塑限测定方法的准确性。Ismail et al(2014)以洪水沉积
15、土为处理对象,通过控制水泥掺量分别满足路基、建筑地基和低等级房屋建设的要求。He et al(2015)利用碱渣与矿渣处理高含水率海相淤质黏土,并研究该种固化土在多种盐溶液侵蚀下的耐久度,为该类土体的资源化利用提供理论依据。肖继强(2017)以湖州地区河湖疏浚淤泥为道路资源化利用对象,使用水泥为主要固化剂并研究纳米 SiO2与纳米 Al2O3的掺入对土体强度的影响规律。吴子龙等(2017)使用钢渣和偏高岭土改良水泥固化吹填土,使经过改良的土料适用于公路基层的铺筑。Wu et al(2019)引用水泥熟料控制方法对钢渣的成分进行调整与活化,得到具有较好胶结性能的复合钢渣材料,应用于固化废弃膨胀土
16、并作为高等级公路的底基层。朱瑜星等(2020)探究了地铁盾构施工产生的大量渣土是否能改良为流动土,以用作城市管廊施工回填浇筑材料等问题。史庆涛等(2020)采用致密堆积设计思想,利用泥水盾构施工产生的废弃泥浆和筛分渣土,结合水泥、粉煤灰和黄砂等材料配制出流动度好、强度合格的同步砂浆。由以上研究成果可以看出,现有的研究对象以建筑渣土、盾构泥浆、基坑置换土与河湖海淤泥为主,且对废弃土的含水率和颗粒形态有较高要求。在试验时废弃土需要经过烘干磨细等复杂的先期加工步骤,在实际应用中需要添加大量的骨料或者添加剂,以上两点大幅降低了经济效益。因此需要一种经济实用,覆盖面广,流程详细清晰,处理效果更为可靠的道
17、路资源化利用方法,将高含水率工程废弃土转化为适用于高等级公路建设的优良材料。本文以公路桥梁桩基础施工过程中产生的钻渣废弃土为研究与处理对象,先使用“生石灰+石灰岩014Journal of Engineering Geology工程地质学报2023石粉”的预处理手段,以期快速改变废弃土的含水率、黏聚力、界限含水率和颗粒形态,使其在简单机械加工后可形成均匀的细颗粒,具备与粉末固化剂充分拌和的能力。之后使用本课题组研发的矿渣纳米复合土壤固化剂(以下简称 WSS)对预处理土进一步改性,以无侧限抗压强度(qu)、水稳系数(w)、承载比(CB)和抗压回弹模量(Ec)为指标,判定其应用于高等级公路底基层与
18、路基铺筑的可行性,并与水泥固化方案进行对比。由此可得出一套较完整的钻渣废弃土筑路再生方法,为今后高含水率海相淤泥质废弃土的资源化利用提供参考和依据。1试验材料与方法1.1试验材料试验用土为温州某公路桥桩基础施工中,由反循环回旋钻机生成的高含水率废弃土,土质为高液限海相淤质黏土。土体呈灰褐色具有吸水膨胀失水收缩的特性,失水干燥过程中硬度显著提升并伴随裂隙生成。废弃土中还夹杂着较多的卵石和砾石,属于不良土体不能直接应用于道路工程建设。具体的基本物理指标见表 1。表 1钻渣废弃土基本物理指标Table 1Basic physical properties of boring mud waste so
19、il天然含水率/%相对密度液限/%塑限/%塑性指数孔隙比最大干密度/g cm3最优含水率/%40527168120547613517812251使用的预处理材料中,生石灰为惠灰公司生产的工业生石灰,有效成分 CaO 含量90%。石粉为郑州某石材加工厂产生的废弃石灰岩石粉,详细化学成分表见 表 2。在使用前过 200 目筛并放置于50 烘箱中烘干 24 h。固化处理中使用的水泥为海螺牌 PO 42.5 普通硅酸盐水泥。土壤固化剂为本课题组在已有研究基础上进一步改进的复合土壤固化剂:WSS(董博闻等,2021;Wang et al,2021;周恒宇等,2021),由矿渣、碱渣、粉煤灰、水泥等无机胶
20、凝材料和硅酸钠、石膏、氢氧化钠等外加剂组成,具体化学成分见表 2。WSS 固化剂具有成本低、早强高、固化效果稳定等特点,经过前期多次试验论证对于海相淤质黏土有出色的固化效果。表 2石灰岩石粉、生石灰和 WSS 的化学组成(%)Table 2Chemical analysis and mineralogical compositionof limestone powder,quick lime and WSS(%)化学成分组成石灰岩石粉生石灰WSS 固化剂CaO538194305459Fe2O3015023341SiO20161122352Al2O3/031756MgO360096637SO3/
21、028133Na2O/168P2O5/085Loss42292800691.2试验方法本试验分为两大部分,第 1 部分为预处理:用生石灰与石灰岩石粉对废弃土进行初步改性。考虑到生石灰改良高液限土存在“最优掺灰量”与“有效掺灰量”,(丁红慧,2005;Sharma et al,2018;谈云志等,2021),于是将生石灰掺量设置为:按照生石灰占湿土质量的 2%,3%,4%3 个等级,在每种生石灰掺入量的基础上设置两种石灰岩石粉掺入量:0和 3%。在此部分中将以干燥至最优含水率的时间,液塑限变化幅度和经简单搅拌破碎后的粒径大小作为评价指标,选择出适宜的预处理剂配比。上述预处理试验部分中,含水率将使
22、用“烘干法”进行分时测定。在 0 h,3 h,6 h,12 h,24 h,36 h,48 h 共计 7 个时间节点,记录各个配合比预处理土料在环境温度 2026,空气湿度 55%65%的无风室内环境下含水率的变化情况,并根据含水率变化曲线推算达到最佳含水率所需时间。液塑限测试中,分为 0 h,24 h,48 h,72 h 共计4 个时间节点,测试各配合比预处理土料在上述无风室内环境下液、塑限随时间的变化情况。第 2 部分为固化处理:使用 WSS 固化剂对预处理土进行固化。此部分参照公路路面基层施工技术规范(JTG034-2008)确定 4 种固化剂掺入比:定义为 WSS 固化剂质量与预处理后干
23、土质量之比,具体数值为 0,1%,2%,3%。在此基础上,为探明固化土混合料的最大粒径等级(Dmax)对 WSS 固化效果的影响,设置 6 个最大粒径等级进行相关试验。此部分以无侧限抗压强度(qu)、水稳系数(w)、承载比(CB)和抗压回弹模量值(Ec)为指标,得出最优粒径与各 WSS 掺量的适用场景。11431(2)吴越鹏等:生石灰石粉WSS 固化剂在钻渣废弃土筑路再生中的应用无侧限抗压强度试验方法参考 公路工程无机结合料 稳 定 材 料 试 验 规 程(JTG E51-2009)制 作50 mm50 mm(直径高)的标准试件,经标准养护到规定时间,采用 CMT4304 型微机控制式电子万能
24、试验机进行试验,轴向应变速率控制在 1 mmmin1。承载比试验采用中硕 CB-1 型试验仪进行。将 150 mm150 mm(直径高)试件(压实度 96%)养护至规定龄期并浸水 96 h 后水平放置于仪器平台上,以 1 mmmin1的速度进行加载并记录贯入量与贯入力之间的关系,贯入 8 mm 后停止试验。回弹 模 量 试 验 中,经 养 护 至 规 定 龄 期 的150 mm150 mm(直径高)试件(压实度 96%)在测试前均经过 24 h 的浸水并计算含水率与密度变化幅度。采用 公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)中对于无机结合料稳定底基层、基层材料的推荐最大单
25、位压力:400700 kPa,分 6 级进行加载,计算泊松比为 0.25。2预处理试验结果与分析2.1表观形态为了表述的便捷性,将“同时掺入 3%生石灰与3%石灰岩石粉”表述为“3+3”,则“0+3”表示单掺3%石灰岩石粉。图 1 展现的是高含水率废弃土经过各预处理剂改性后的表观形态。从图中可以看出,所有掺入了生石灰的土样均因生石灰的离子交换作用而团聚絮凝出了大小不一的团粒(Little,1995),而单掺石粉的土样与原状废弃土的表观形态无明显差别。由图也可以看出,随着生石灰掺量的增加土团粒的粒径逐步减小,且在掺入生石灰的基础上再加入 3%石灰岩石粉可以进一步细化土颗粒。2.2含水率变化情况表
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