钻孔灌注桩废弃泥浆及钻渣制备边坡砌块施工技术应用

2023-10-10黄红峰

企业科技与发展 2023年7期

黄红峰

（广西路建工程集团有限公司，广西南宁 530001）

0 引言

公路桥梁施工中，钻孔灌注桩施工技术凭借着低成本、高机械化、适应性强等优势，得到日益广泛的应用。但是，钻孔灌注桩的施工过程中会产生大量的废弃泥浆及钻渣，会对施工现场及周边的环境造成一定的影响。目前，施工单位对钻孔灌注桩的废弃泥浆及钻渣通常采用微生物降解有害物质、用作路基填料、加入固化剂固化分离等方式进行处理。上述方法均只是将废弃泥浆及钻渣中的有害物质去除，然后进行分离处理［1-4］，未能有效地对其进行二次利用。我国学者针对公路施工期对钻孔灌注桩废弃泥浆及钻渣再利用的研究不够丰富［5-8］，极少考虑将废弃泥浆及钻渣作为施工原材料，重新将这些工程废弃材料应用于实际施工中。邢树伟［9］在淡水泥浆无害化处理方面提出加入高价金属离子使胶体粒子逐渐形成沉淀物质并析出，在析出过程中吸附其他固体物质，一同聚沉，进而将有害物质从废弃泥浆中全部去除，实现无害化处理。中国铁道科学研究院在京沪高速铁路项目中研制出TKY-N01 型泥浆处理设备，该设备仅需使用振动筛，在塑性地层钻进时，开启水力旋流除泥器，钻孔携带的泥浆直接进入设备，经去除钻渣的泥浆后再回到钻孔继续使用［10］。

某公路工程位于国家森林公园自然保护区内，并且标段内有3 处二级水源保护地，生态环境脆弱。本文以该项目为研究对象，以其施工过程中产生的废弃泥浆及钻渣为原材料，通过试验获得其最佳配合比，用于制备混凝土，为现场施工寻求切实有效的再利用技术。本文的研究应用对于保护我国生态安全和建设国家生态安全屏障具有重要意义。

1 基本物理量试验测定

1.1 X射线衍射试验方法

物质结构的分析尽管可以采用中子衍射、电子衍射、红外光谱、穆斯堡尔谱等方法，但X 射线衍射是目前最有效、应用最广泛的手段，具有无损试样的优点［11］，其工作原理是当一束单色的X 射线入射待检测晶体时，由于晶体是由原子规则排列组成的，这些规则排列的原子间的距离与入射X 射线波长有相同的数量级，因此不同原子散射的X 射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X 射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度与晶体结构密切相关。

1.2 试验过程及结果

首先，将从项目现场取回的废弃泥浆、砂及钻渣等样本进行烘干、研磨，使用0.075 mm 的筛网对研磨后的样本进行筛分（X射线衍射只能对小粒径颗粒进行微观试验）；其次，对筛分后的直径小于0.075 mm的样品通过X射线衍射仪进行X射线衍射试验，对试验得到的XDR 图像进行分析，并确定取回的现场样本的化学成分及其物质含量。

通过X射线衍射仪分析，得到现场样本的成分及其比重如下：Na（AlSi3O8）占10.1%，K（Al4Si2O9（OH）3）占16.8%，SiO2占17.2%，Al4（OH）8（SiO10）占7.2%，Ca（CO3）占48%。

1.3 试验结果分析

根据项目提供的环境影响报告书，研究人员了解到现场钻进一般采用黏土原土造浆；在较厚的砂层中钻进时，通常采用膨胀土制备泥浆或在孔中投入黏土造浆。为使泥浆具备较好的工作性能，可以适当掺加碳酸钠等分散剂，起掺量为加水量的0.5%左右。项目现场泥浆环评报告数据见表1。

表1 项目现场泥浆环评报告数据

根据X 射线衍射试验结果和结合现场环评报告得出：废弃泥浆及钻渣的固体颗粒成分中无有毒成分，也不存在重金属离子，即不会因重金属离子导致掺入废弃泥浆的混凝土构件内部发生重金属离子腐蚀导致的破坏病害，所以将废弃泥浆及钻渣进行无害化利用是可行的。此外，根据项目现场环评报告可以确定，施工产生的废弃泥浆及钻渣的物理参数较一般土颗粒差别不大，可以考虑将废弃泥浆及钻渣掺入混凝土中，实现对其的无害化利用。

2 废弃泥浆及钻渣特性研究分析

2.1 废弃泥浆及钻渣混合物密度试验

将从现场取样取得的废弃泥浆，分组称取1 kg的4 组材料，测定每组材料混合后的体积。将泥浆和钻渣分别按照4∶6、5∶5、6∶4 和7∶3 的质量比例进行混合。根据密度公式r=m/v得到不同比例的混合物的密度（见表2）。

表2 不同比例混合物的密度

2.2 钻渣密度试验

按照《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）［12］，使用蜡封法测量试样的密度，蜡封法密度试验记录见表3。

表3 蜡封法密度试验记录表

对所得结果取均值，可得钻渣的密度为ρ=2.09 g/cm³。

2.3 泥浆的相对密度试验

按照《公路桥涵施工规范》（HTG/T F50—2011）［13］的操作规范，从现场泥浆池中选取2 桶泥浆试样，由于泥浆池中部分泥浆发生沉降，因此对2桶泥浆分别进行密度测试，试验结果见表4。

表4 泥浆相对密度试验

表4 中的1～3 组试样取自第1 桶泥浆，4～6 组试样取自第2 桶泥浆，求出二者平均值，得到泥浆密度为ρ=1.30 g/cm³。

考虑废弃泥浆及钻渣的含水率较高，可以作为混凝土制备中所需水的一部分。在制备混凝土时，细骨料的密度一般为2.7 g/cm³，上述结果都远低于该密度，因此考虑将废弃泥浆及钻渣的混合物作为一部分细骨料和水，参与混凝土拌制。

3 废弃泥浆及钻渣研发护坡砌块的技术研究

3.1 室内试块制备及试验

根据项目要求，边坡骨架所需砌块应满足C25抗压强度要求，故设置一组空白对照组，对照组按照标准C25 混凝土进行设计，其配比为水泥∶水∶石子∶砂子=1∶0.55∶1.76∶3.3，随后将废弃泥浆及钻渣掺入混凝土中。

（1）将空白组中的砂子全部替换为钻渣。将空白组中的砂子全部替换为现场取样的废弃泥浆及钻渣，随后进行混凝土试件的制备。

图1 为混凝土搅拌过程，从图1 中可以明显看出搅拌成品质地黏稠、流动性差，导致和易性不符合要求，故需要对该方案进行修改。

图1 混凝土搅拌过程

（2）修改方案。按照废弃泥浆及钻渣∶砂子=3∶7的比例进行试验，将废弃泥浆及钻渣利用其他混合物代替，并且采用新配合比进行试验（见表5）。

表5 试验配合比

采用新配合比的原材料经搅拌后，和易性及坍落度满足工程要求，因此可制成试件。为进一步研究砂子和钻渣的比例调和问题，分别按照9∶1、8∶2 及7∶3的配合比例分别进行制件（见表6）。

表6 砂子、钻渣不同的配合比

3.2 抗压试验及试验结果

对按照不同配比制成的试件进行抗压性能测试，通过压碎试件，以其物理性质确定其配合比。标准养护28 d，主要压碎指标见表7，抗压强度极限值见表8。

表7 主要压碎指标（单位：kN）

表8 抗压强度极限值（单位：MPa）

3.3 试验结果与现场实际对比分析

根据现场试验，将边坡砌块同批的混凝土试件养护28 d，其强度等级见表9。

表9 现场试验数据

通过将室内试验结果与现场结果进行对比分析，得出以下结果：除表8 中试件7∶3 组外，其他各组强度均大于现场试验结果，说明室内试验中的各组试件均满足项目现场施工的要求。通过再次对比室各组试件的试验数据发现，在砂与废弃泥浆及钻渣的混合物比例为8∶2 与9∶1 时，抗压强度基本满足C25混凝土抗压强度。综合考虑环境、安全、经济等因素后，最终确定施工砂与泥浆钻渣混合物的最佳配比为8∶2。