废弃泥浆固化处理施工技术在桥梁桩基工程中的应用

贾 岩,张苏龙,郭云龙

（1.徐州市公路事业发展中心,江苏 徐州 221000; 2.江苏东交智控科技集团股份有限公司,江苏 南京 210000）

0 引言

随着经济发展和城市化进程不断加快，桥梁工程在城市交通中的地位越来越突出。在桥梁建设中，桩基工程作为重要且复杂的环节，施工中需要用到泥浆作为钻孔液，但在施工后对于废弃泥浆的处治一直以来都是难以解决的问题[1]。一般的处治方法是将废弃泥浆运输到固定的郊外弃土场，使其自然晾干，但容易造成运输过程中废弃泥浆撒漏，尤其是泥浆中含有重金属等物质，一旦泄露会污染周围环境，同时废弃泥浆的占地面积大、晾晒时间长，不利于城市道路的建设进程[2]。为此，现阶段急需一种便捷、高效的手段对废弃泥浆进行有效处理。

为推动资源节约型和再生利用型社会发展，国内外学者采用了多种方法对废弃泥浆进行处治，包括振动筛法、固液分离法、化学絮凝法。现有研究表明，化学絮凝剂对高含水率泥浆的处治效果有限，泥浆振动筛法的处治效率低[3]。因此，该项目依托实际工程，对泥浆固化机理进行分析并形成泥浆固化施工工艺，以期通过调研分析寻找出一种针对废弃泥浆的环境友好型固化剂，达到减少环境污染、节约资源的目的，为桥梁工程的持续发展提供技术支撑。

1 工程概况

该项目依托徐丰公路快速化改造工程，对庞庄路涉铁段的高架桥桩基施工进行调研，采集现场钻孔灌注桩的废弃泥浆，将泥浆晾晒一段时间，在含水率达到要求后进行固化处治，并将泥浆固化土应用到现场便道的底基层中，接着对摊铺碾压后的固化土压实度进行检测，以保证现场施工效果满足技术要求。

2 固化剂调研

根据《土壤固化剂应用技术标准》（CJJ/T 286—2018）中对固化剂的分类，按作用机理将固化剂分为无机固化剂、有机固化剂、离子固化剂和生物酶固化剂4 类，对4 类固化剂的优缺点进行调研，结果见表1[4]。

表1 4 类固化剂优缺点调研分析

由表1 分析可知，不同种类固化剂在适用性和性能上存在显著差异，其中无机类固化剂的早期强度高，但后期易受到周围环境影响；离子类固化剂的工艺相对简单，且强度便于控制，但适用范围较小；生物酶类固化剂能降低土壤的膨胀系数，但价格昂贵；目前应用较广泛的是无机类固化剂，包括水泥、石灰等，但考虑掺量会对固化土膨胀和收缩性能产生影响，因此在实际应用中应控制固化剂掺量在合理范围内。

针对该项目泥浆含水率高、固化量大的特点，选择无机类固化剂对泥浆进行固化处理。首先对国内外无机类固化剂产品做调研分析，结果见表2。

由表2 分析可知，目前无机类固化剂以水泥、石灰等原材料为主，同时添加其他活性激发剂、化合物来提高固化土的强度和耐久性。上述几种应用较广泛的固化剂中，Aught-Set 和TR 型固化剂的适用范围较小，QJ 型固化剂适用于各种土质，但对于含水率较高的泥浆是否适用有待进一步探索，而HAS 固化剂适用于泥浆、淤泥等土质的处理，且成本较低。因此，该项目优选这种固化剂对废弃泥浆进行处治。

3 固化机理分析

该项目对比了HAS 固化剂、水泥、石灰对废弃泥浆的固化机理，使用S4800 型扫描电子显微镜对6%掺量、28 d 龄期的固化土进行测试，结果见图1。

图1 不同固化剂固化前后的微观结构

由图1 分析可知：

（1）对比泥浆的微观结构，掺加水泥后，表面出现了多个杆状、球状和纤维状的结构物，将土颗粒凝聚在一起。主要因为水泥遇到泥浆中的水分发生了水化反应，生成氢氧化钙和其他水化产物，附着在土颗粒表面，减小土颗粒间的空隙，提升了强度。

（2）相较于原状泥浆，掺加石灰后的土颗粒表面也出现了一定数量的杆状、球状和纤维状物质，将土颗粒聚集成团。但与水泥不同的是，石灰土的颗粒团更大，因为石灰加入泥浆后，产生了更多的Ca(OH)2、Ca2+、OH-，吸附交换更多的Na+、K+，形成更大的颗粒团，将颗粒团结合形成共晶体，最后胶结成整体。

（3）对比水泥和石灰固化后的微观结构，HAS 固化土表面更平整，孔隙率更低、致密性更高，主要是因为HAS 固化剂在泥浆表面产生了许多针棒状水化物，覆盖在土颗粒表面和孔隙中，且针棒状晶体相互嵌锁搭接，在外力作用下土颗粒不容易产生相对运动，具有稳定的力学性能。

HAS 属于一种硅铝基材料，由[SiO4]4-和[AlO4]5-四面体的矿物组成，根据同类同相固结原理，其结构与土壤颗粒相类似，易与土壤中的硅酸盐矿物进行同类或同相接触，打开硅铝基玻璃体的化学键，增大接触面积，提高土体强度和耐久性。当HAS 固化剂进入土壤后，与土壤中的矿物发生了物理化学反应，生成了CO3基和OH 基物质，同时CO3基会与同相或类同相发生置换作用，生成灰硅钙石和片柱钙石；此外，OH 基将Si-O、A1-O键打断后，分离活化Si 和Al，进而生成各种水榴石、水化硅酸钙、沸石等富含结晶水且具有胶凝性能化合物。即通过一系列物理化学反应，将土壤中游离的大量自由水变成结晶水，降低土壤含水率，生成的水化结晶产物导致土壤体积增大，填充了土颗粒间的空隙。由于土壤发生了不可逆转的凝结固化作用，土壤的水稳定性、强度和耐久性得到较大提升。

4 固化处理施工工艺

该项目通过对钻孔灌注桩产生的废弃泥浆进行收集，经晾晒后采用路拌法对泥浆进行固化处治，待闷料一段时间后含水率降低至最佳含水率控制范围，即可进行分层填筑碾压，使用的机械设备包括挖掘机、压路机、平地机、运输车、洒水车，具体施工流程如图2 所示。

图2 泥浆固化土施工工艺流程图

4.1 施工准备

施工前需要组织相关技术人员依据设计文件要求，对周围地质环境进行勘探，对泥浆进行取样并开展相关试验，包括含水率、液塑限、击实试验和CBR 试验等，并在室内对泥浆开展固化土配合比试验，确定固化剂最佳掺量、最佳含水率和最大干密度。

对现场填筑的地下环境进行踏勘，了解地下建筑物的位置、结构，避免施工对其造成影响。根据现场实际情况，安排相应的施工机械进场。

4.2 基底清理

现场对开挖的坑槽底部应清理干净，使用压路机碾压密实且无回弹现象。同时对场地进行初步整平，将填筑的区域划分成块，打入竹片桩绑上红布做好标记，用石灰画出每个区域的边线，并计算好每个区域需要的固化剂用量。

4.3 投料配比

根据现场实际情况规范填筑要求，采用两边向中间的顺序填筑固化土。固化剂掺量依据室内试验的配合比，使用挖掘机将固化剂均匀地洒布在每个区块内。

4.4 搅拌闷料

现场使用挖掘机将每个区块内的泥浆和固化剂进行搅拌，至少应翻拌3～5 遍，达到表面颜色均匀，不出现大片的灰条、灰团和花面，也不能出现粗细颗粒窝的现象。现场需要对拌和后的泥浆固化土含水率进行检测，确保含水率达到室内确定的最佳含水率，如含水率过高还应进行闷料，闷料时间以现场可以手握成团，两手轻捏即散为宜。

4.5 摊铺碾压

固化处理后的泥浆一次摊铺成型后即可进行碾压，碾压遍数依据底基层设计要求和现场试验段铺筑效果确定，碾压原则是先轻后重、先慢后快、先静后振，同时保证碾压的轮迹带重叠。

4.6 检测

现场碾压结束后，依据规范要求和现场土质类型选择合适的方法对压实度进行检测，确保其满足设计要求，如不能达到设计要求，还应进行返工。

4.7 修正找平

摊铺碾压结束后，用水准仪和卷尺检测标高、坡度是否满足要求，遇到超高或低洼处使用铁锹进行铲平补填、刮平处理，最后再进行补压密实。

4.8 养护

一般施工结束后需要养护7 d，用塑料防水布进行覆盖，在此期间需要封闭交通，禁止车辆通行。

5 试验段检测

该项目施工结束后，依据《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019）中的质量控制要求，采用挖坑灌沙法对填筑层的压实度进行检测，检测频率每1 000 m2不少于2 点，每200 m 每压实层测2 处，在施工段落较短时，每层压实度的实际样本数量不应少于6 个，检测结果如表3 所示。

表3 试验段压实度检测结果

由表可知，试验段压实度均大于96%，满足技术要求，且合格率达到100%。

6 结论

该文依托徐丰快速化改造工程，针对泥浆特点开展固化剂调研，同时采用扫描电镜对同等掺量的水泥、石灰和HAS 固化剂的微观机理进行分析。发现HAS 固化土的孔隙率最低，致密性最高，表面出现的大量针棒状水化物是强度形成的主要原因，最终根据现场应用形成固化施工工艺，经压实度检测满足要求。基于该文的研究成果，未来可以继续针对固化剂掺量和路用性能展开进一步研究。