国内流态固化土的研究与应用进展

刘帅，徐玉飞，詹进生，王晓丽

（中国建筑第八工程局有限公司西南分公司，四川 成都 610041）

0 引言

在公路、机场、港口、城市建设等各类建筑工程地基施工过程中，每年被挖出的工程渣土、泥土、淤泥数量达到几十亿m3，其中绝大部分被视为弃土而被直接堆放填埋处理[1]，只有少部分制作成需要的半成品，用于现场使用，如三角砌体、预制过梁、临时工程砌体等，导致大量的土地资源浪费，并且在废弃填埋过程中也容易再次对环境造成污染[2]。随着城乡建设的不断发展，工程弃土的回收利用已经成为建设工程基础施工过程亟待解决的问题。近年来，关于工程弃土的回收利用，研究最多的是在土中掺入固化剂和水制备流态固化土。在固化前，该材料呈现流体状态，施工时无需振捣或只需轻微振捣，固化后成为具有一定强度、低渗透性、水稳定性、可保持长期稳定的新型岩土工程材料[3]。针对该流态固化土的研究和应用已受到了国内研究人员的广泛关注。

1 流态固化土的研究状况

流态固化土所采用的土料为当地的岩土、壤土和开挖的槽土，也可以采用杂填土、建筑废弃物细颗粒、工程泥浆、淤泥、尾矿等。所采用固化剂是以CaO、活性Al2O3和SiO2为主要成分，同时添加具有改善土颗粒表面性能的功能性添加剂和活性激发剂制成的功能性复合胶凝材料。此外，根据固化土的拌合物工作性能可适当添加相应的外加剂。由于土料种类较多，需要掺入与其性质相匹配的专用特殊固化剂，增大了流态固化土的配合比设计难度。因此，基于流态固化土各组成配比与性能之间的关系，学者们采用不同的固化剂对不同土料的固化处理进行了相关研究。

冯忠明[4]采用水泥、粉煤灰和磷石膏组成的复合型固化剂对海底疏浚淤泥进行固化处理，研究了固化剂掺量及组成比对流态固化土流动性和强度的影响。结果发现，当水泥与泥浆和粉煤灰与水泥的比值分别为0.09~0.16和0.35~0.80时，流态固化土的初始流动度为270~360 mm，且随着放置时间的延长而减小，3 h流动度减小至180~240 mm；当固化剂组成中的水泥含量增加时，流态固化土的强度明显提高，粉煤灰可提高后期强度。当水泥与泥浆的比值为0.16、粉煤灰、石膏与水泥的比值分别为0.35、0.05时，流态固化土的流动度可达320 mm，28 d无侧限抗压强度可达0.4 MPa。

杜衍庆等[5]采用水泥基类粉末固化剂对吹填淤泥土进行固化处理，研究了固化剂掺量和淤泥土湿密度对流态固化土坍落度和抗压强度的影响。结果表明，随着固化剂掺量和淤泥土湿密度的增加，流态固化土的坍落度减小。当湿密度为1.40 g/cm3、固化剂掺量为9%时，坍落度可达到160 mm、28 d无侧限抗压强度可达到0.4 MPa，可用于次支路路堤层。

刘成龙[6]采用复合掺和料-激发剂掺配方式将矿渣水泥与固化剂复合，对以黏土和砂土为主的工程弃土进行固化处理，研究复合组成质量比和水灰比对流态固化土的坍落度和强度影响。结果发现，当矿渣水泥与固化剂的质量比和水灰比均为2∶1时，固化土的坍落度可达到200 mm，且当固化剂掺量占土的10%时，流态固化土的7、28 d无侧限抗压强度分别可达1.1、2.4 MPa。该流态固化土完全满足已装配管节背后肥槽回填施工要求，为城市地下综合管廊的快速回填提供了参考。

王继忠和张连喜[7]利用不同性质的工程弃土进行流态固化土的配合比试验研究，发现在粉质黏土中添加8%活性硅铝物质（高温煅烧的硅酸盐矿物熟料）、2%激发剂（硫铝酸盐和氢氧化钙的混合物）以及15%水，得到坍落度为180 mm、28 d无侧限抗压强度为2.05 MPa的流态固化土；在以粉质黏土和砂土为主的工程弃土中添加20%活性硅铝物质（经高温煅烧的硅酸盐矿物熟料、磨细煤矸石与粉煤灰混合物）、4%激发剂（硫铝酸盐）、7%晶化诱导剂（超细碳酸钙粉）、1%分散剂（萘磺酸盐甲醛缩合物）、2%微膨胀剂（氧化镁和氧化钙混合物）以及15%水，得到坍落度为180 mm、28 d无侧限抗压强度为9.43 MPa的流态固化土。在以淤泥质土和粉质黏土为主的工程弃土中添加20%活性硅铝物质（经高温煅烧的硅酸盐矿物熟料与粉煤灰混合）、4%激发剂（硫铝酸盐、石膏、硫酸钠与水玻璃的混合物）、4%晶化诱导剂（超细碳酸钙粉）、1%微膨胀剂（氧化钙）、8.5%砂、0.5%化学纤维和8%水，得到坍落度为200 mm、28 d无侧限抗压强度为7.93 MPa的流态固化土。此外，在上述相应的工程弃土中添加20%~30%发泡剂[8]和建筑垃圾再生粉[9]也得到高坍落度和高强度的流态固化土。

陈容华和甄朋民[10]通过水泥、粉煤灰和生石灰组成的复合固化剂对粉质黏土进行固化处理，研究了固化剂组成对流态固化土性能的影响。结果发现，当掺入占固化土总质量5%的水泥、50%的粉煤灰、10%的生石灰和16%的水时，可得到满足回填要求的流态固化土，其坍落度大于200 mm、28 d无侧限抗压强度为0.45 MPa。

中电建生态环境集团有限公司[11]利用弱盐渍土进行流态固化土配合比试验研究，发现在20份弱盐渍土中掺入7份粉煤灰陶砂、7份水、2.5份火山灰质硅酸盐水泥、0.5份Ⅱ级粉煤灰以及0.01份复合早强剂时，可得到流动度为200 mm、28 d无侧限抗压强度为0.525 MPa的流态固化土。河海大学[12]在含水率为45%的废弃软土中掺入11.5%的P·O32.5水泥，并加水至拌合物含水率为65%，可获得流动度为200~250 mm、7 d无侧限抗压强度为0.5 MPa的流态固化土。

中建材中岩科技有限公司[13]在土中掺入灰土比为0.07的复合固化剂，再按水土比为0.35加入水制备了扩展度为580 mm、28 d无侧限抗压强度为5.22 MPa的高流态固化土。其复合固化剂的原料组成为普通硅酸盐水泥25%、矿粉20%、钢渣5%、粉煤灰21%、膨胀剂10%、硅酸钠6%、聚羧酸系聚合物2%、疏水型纳米氧化硅4%、六偏磷酸钠4%、烷基二甲基苄铵氯化铵3%。

易富等[14]提出稻壳灰联合地聚物固化工程渣土形成流态稻壳灰-地聚物固化土，研究了稻壳灰的掺量对固化土流动性和强度的影响。结果发现，在含水率30%的土样中，保持占干土质量10%的地聚物（水泥、粉煤灰、矿渣粉、碱激发剂以2∶5∶3∶1混合）掺量不变，掺入占地聚物0~15%的稻壳灰时，固化土的流动度从280 mm减小到210 mm，28 d无侧限抗压强度可从1.45 MPa提高到3.01 MPa，可满足绿色环保新型流态固化土在狭窄肥槽回填等工程问题中的应用要求。

王艺程[15]采用水泥和粉煤灰组成的固化剂分别对低液限粉土、含砂低液限粉土、低液限黏土和细砂进行固化试验，研究了水固比（水与固体材料之比）和灰土比（固化剂与土料之比）对流态固化土的流动性和强度的影响。结果发现，不同土料制备具有高流动度（≥200 mm）的流态固化土所需水固比不同，但变化规律一致，即随着水固比的增大流态固化土的流动性增大；当固化剂中的粉煤灰含量增加时，固化土的流动度也随之增大，但7 d无侧限抗压强度呈先提高后下降的趋势，说明粉煤灰在固化剂中的占比存在最佳值。另外，在保持水泥和粉煤灰占比不变的情况下，外掺ZL型土壤固化剂（高分子液态有机物）可以使流态固化土在维持流动度不变时进一步提高抗压强度。因此，根据工程岩土性质、施工和性能要求，可以通过调整水固比、灰土比以及固化剂的种类来满足实际工程应用需求。

2 流态固化土的优势

2.1 性能优势

随着城乡建设的不断发展，工程建设日新月异，施工技术也在不断提升。然而，在各类工程基槽回填施工过程中，仍然存在空间狭小、回填深度较大、异形空间、材料运输难、回填质量要求高、施工速度慢等难题。在传统的回填材料中，素土、级配碎石以及灰土的流动性差，很难填实狭窄和异性空间，同时对回填施工的夯实水平要求高、回填工期较长、回填的质量难以控制。而素混凝土虽然强度和耐久性更好，但是造价高，也存在流动性差，难以回填异性狭窄空间。因此，采用常规的回填材料及其相应的施工方法已经难以解决这些问题。

通过上述研究人员对流态固化土的研究状况可以发现，将流态固化土作为回填材料使用将具有巨大优势，可以解决采用传统回填材料时所存在的对土质量要求高、狭小工作面施工困难、夯实质量不稳定、与基础结构界面结合不好、干法施工无法保证遇水后发生沉陷等问题。其与传统回填材料的优缺点对比如表1所示[16-20]。

表1 不同回填材料的优缺点对比

2.2 生态环保优势

流态固化土所用80%~90%的主材料土是渣土、泥土、泥浆、淤泥等建设工程弃土，所用的固化剂（复合胶凝材料）主要是冶炼矿渣、燃煤副产品、焚烧的飞灰和炉渣等工业废渣。将这些工程弃土和工业废渣回收充分利用后，可消除它们的排放对环境的污染。相比于级配碎石、灰土和素混凝土，流态固化土的使用可减少开山采石挖砂，有效节约资源，保护环境。同时流态固化土也是一种无毒、无污染、可再生的环境友好型材料，能够实现可持续发展。

2.3 经济效益优势

由于流态固化土采用就地取材，减少工程弃土运输和填埋处理的费用，同时所用的固化剂可以通过回收的工业废渣（粉煤灰、高炉矿渣、稻壳灰等）来代替水泥，并降低材料成本。为了准确了解流态固化土作为回填材料的市场价格，本研究收集了成都地区部分建设工程项目对基坑回填材料集中采集的进场价格数据，并在表2中进行了对比，发现只有能够直接倾倒回填的流态固化土不需要人工或机械夯实所带来的劳务费，但是其市场价格仍然仅次于素混凝土和泡沫混凝土。主要原因在于这种新型流态固化土材料刚起步，制备工艺和技术不完善，生产企业少，前期投入大，运距产生的费用高等，阻碍了其市场价格竞争优势。单从材料成本核算，流态固化土只有60~80元/m3，具有极大的经济优势。因此，建议生产企业或施工单位就地建立搅拌站，减少运距所产生的费用，并根据施工现场的土料进行流态固化土的工艺技术调整，以实现对工程弃土的自产自销，可大幅度降低成本。

表2 不同回填材料价格对比

3 流态固化土的工程应用

在建设工程基础施工时，将土从地下挖出后，经过地面机械预拌，形成具有良好流动性的预拌流态固化土浆，并固化成具有一定承载能力的固化土。因此，可将其应用在诸多建设工程的地基处理中。

（1）可将其灌入或压入孔中形成预拌流态固化土桩。张旭光[21]基于北京城市副中心地区的岩土特性对长螺旋钻孔压灌流态固化土桩复合地基的工作性状和作用机理进行了研究，并建立了一整套长螺旋压灌流态固化土的施工工艺。

（2）管廊、建筑等基槽回填。王晋等[22]基于成都市龙泉驿区中医医院迁建项目研究了自密实流态固化土在异性基槽结构回填工程中的应用，并提出了流态固化土的施工原理和施工方法。张超和王立根[23]与刘旭东[24]在道路下方综合管廊的基槽回填施工过程中，采用流态固化土回填施工技术，解决了施工难度大、回填工期长、回填质量难控制等狭窄和异形基槽回填问题。

（3）市政道路或施工道路的基层材料。杜衍庆等[5]通过室内试验探讨道路用流态固化土的基本性质，提出针对不同工程部位的流态固化土设计指标，并通过浇筑试验路段验证了流态固化土用于路基的可行性。

（4）深基坑回填。王丽筠等[25]基于具有开挖深度为16.25 m的首都医科大学附属北京朝阳医院东院工程项目研究了流态固化土在深基坑回填工程中的应用，发现采用流态固化土回填可以加快施工进度，缩短施工周期，使质量稳定无污染，并减小了安全隐患。

（5）矿坑、溶洞和地下采空区的回填。帅文杰和庞家伟[26]基于广州市白云区拟建项目研究了流态固化土用于桩基施工前的溶洞预处理，发现流态固化土可以有效解决传统溶洞预处理成本高且不环保等问题，具有良好的经济和社会效益。

根据T/BGEA 001—2019《预拌流态固化土填筑工程技术标准》和DBJ 51/T 188—2022《预拌流态固化土工程应用技术标准》，流态固化土在不同工程中应用所对应的性能要求见表3。

表3 流态固化土的工程应用及相关性能要求

4 存在的问题

目前适合测试流态固化土拌合物工作性的指标为流动度，被学者们定义为：流态固化土拌合物从特定的测试筒中坍落后扩展形成饼状物的直径。然而，用于测试该流动度的测试筒的类型和尺寸国内还没有相关标准进行统一要求，致使许多研究人员所采用的测试筒存在差异。例如，有的研究人员采用美国ASTM所用的空心圆柱筒，其直径为76 mm、高度为150 mm；也有一些研究人员采用日本道路公团所用的空心亚克力玻璃圆筒，其内径和高度均为80 mm；还有一部分研究人员和相关地方标准采用上部内径100 mm、下部内径200 mm、高度300 mm的混凝土坍落度用截锥筒[27-29]。对于同一种流态固化土拌合物分别采用上述3种测试筒测试的流动度是不同的，无法进行比较。因此，相关部门应根据行业需要，进行统一标准规范，以推动流态固化土在建设工程中的应用。

5 结语及展望

流态固化土拌合物具有良好的流动性和自密性，施工周期短，且固化的早期强度较高、抗渗性好等优点，可广泛应用于建设工程的基础施工。因其就地取材，可消纳工程弃土，具有显著的社会效益和经济效益。另外，由于固化剂的种类与土料性质密切相关，而不同地区岩土性质不同，导致所用固化剂难以统一匹配。因此，未来亟需从材料体系、结构与性能之间的关系、作业和性能要求等多个环节，进一步系统研究具有共性的高性能固化剂、优化流态固化土制备与施工成套设备以及制定质量控制方法和标准化，以进一步推动该项创新技术的进步及产业化发展。