YRSC凝结剂在抢险快速路应用中的关键技术

许三松，关喜才，金新锋

1.三门峡黄河明珠（集团）有限公司，河南 三门峡 472000；2.黄河水利职业技术学院，河南开封 475004；3.虞城县水利局，河南 虞城 476300

1 引言

应急抢险工作中，快速道路具有至关重要的作用。应急抢险快速道路需要具备足够的承载能力，以便在紧急情况下能够快速通行，同时确保道路能够承受应急车辆的重量和速度。在紧急情况下，时间是关键，应急抢险快速路能够缩短救援队伍到达现场的时间，提高应急抢险的效率。通过快速道路，救援车辆可以更快地到达现场，减少人员伤亡和财产损失。因此，掌握抢险快速路修建的关键技术对于确保人们的生命财产安全具有重要意义。特别地，如防汛道路。防汛道路在水利工程中是一个重要的部分，在工程管理和防汛道路在救灾过程中起十分重要作用，保证防汛道路的质量，对抗洪救灾工作的顺利进行有重要意义。因而，道路是国民经济建设的重要支撑，特殊时期应急抢险道路的建设，更是国计民生的重中之重。

2020 抗疫战场的火神山、雷神山医院工程中的室内外地平硬化、室外道路硬化以及其所有工程中的混凝土均需要快速凝结硬化。一般而言，混凝土28 d达到其设计强度，工程中复合土基层的强度如石灰土1—2 年才能够完全达到使用要求。因此，如何能够保证室内外地平快速硬化、室外道路硬化工程快速投入安全运行是当下亟待解决的重大问题！为解决此类工程问题，结合黄河三门峡库区疏浚清淤泥沙再利用技术研究项目，研发的黄河泥沙凝结剂Yellow River sediment coagulant，简称YRSC，能够与黄河区域现场的土沙混合，使其达到符合抢险快速路的要求。由于其自身物理力学性能的特点，实现了就地取材，节约投资，施工方便，工期短。

为进一步验证YRSC的各种力学性能指标，文章通过试验开展凝结剂YRSC 和水泥分别凝结黄河三门峡库区浅层粉质土沙或库区砂土时的抗压强度等性能对比研究，为全面推广YRSC土沙凝结剂在抢险快速路中的应用提供科学依据。

2 试验

2.1 试验原料

①YRSC凝结剂：是具有高亲土性和与土结合后具有高耐水性等独特功能的一种新型土沙凝结剂，它的显著特点是不选择被凝结对象，在任何地方都可以使用现场的土沙与之混合使其成为工程所需求的材料（结构），工作起来极为方便，其性能指标见表1。②水泥：试验采用新乡某水泥厂生产的强度等级为P.O42.5R 级水泥，其性能指标见表2。③库区浅层粉质土沙：试样干密度RO=1.59 g/cm3，含水量ω=17.80%，最大粒径不大于5 mm。④库区沙土：试样干密度RO=1.72 g/cm3，含水量ω=11.30%，最大粒径不大于10 m。

表1 YRSC性能指标表

表2 水泥性能指标表

2.2 试验设计

2.2.1 单轴抗压试验

分别用YRSC 和水泥以6%、9%的比例凝结库区浅层土沙或库区砂土，研究其3、7、14、28 d 的力学性能。按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》，进行了立方体抗压强度试验，试验结果见表3、表4。

表3 单轴抗压试验结果表

表4 强度随龄期的增长情况表

2.2.2 常规三轴剪切试验

为研究YRSC 和水泥凝结库区浅层土沙或库区砂土的凝聚力C和内摩擦角φ，以0%、6%、9%、11%、15%的YRSC分别凝结库区浅层土沙和库区砂土，11%的水泥凝结库区浅层土沙和库区砂土，试验数据整理得出凝聚力C和内摩擦角φ（具体数据略）。

2.2.3 浸水软化、浸盐侵蚀试验

为研究YRSC 和水泥凝结库区浅层土沙或库区砂土的浸水软化、浸盐侵蚀试验性能，将制好的试件养护6 d 后分别浸泡于水中，养护21 d后分别浸泡于浓度为5%的硫酸钠水溶液中，龄期28 d时进行抗压强度试验，并对试验结果进行对比分析说明强度比为浸水或浸盐侵蚀后强度值与标准养护试样强度之比（4）渗透性试验为研究YRSC和水泥凝结库区浅层土沙和库区砂土的渗透性，将制好的试件养护到龄期28 d 进行渗透性试验，试验结果见表5。

表5 渗透性试验结果表

3 试验结果

①YRSC 凝结土沙的单轴抗压强度远高于水泥凝结土沙；同等条件下比水泥抗压强度高150%～300%。②YRSC凝结土沙的早期强度比水泥凝结土沙增加的快，同等情况下YRSC凝结土3 d的强度就能达到水泥凝结土28 d的强度，且后期强度稳定增长。③YRSC 凝结土沙和水泥凝结土沙都较原土沙在抗剪强度上有较大幅度的提高，但前者提高幅度更大。对于砂土，YRSC 凝结土抗浸水软化能力比水泥凝结土略有提高，对于粉质土沙，YRSC凝结土沙抗浸水软化的能力明显高于水泥凝结土沙。④YRSC 凝结土沙抗浸盐侵蚀的能力明显优于水泥凝结土沙。⑤YRSC 凝结土沙较水泥凝结土沙渗透系数减少一个数量级。

4 YRSC凝结土的原理与施工优势

4.1 改良库区土沙的主要机理

①尾矿渣中硅铝质原料在强碱溶液作用下，Si-O 键与Al-O 键首先发生断裂，并在溶液中生成硅铝酸盐和氢氧化铝共同组成的混合溶胶，溶胶再发生脱水缩合反应生成正铝硅酸盐，正铝硅酸液的作用下发生脱水缩合反应，生成聚硅铝氧大分子链，同时溶液中的Na+、K+被吸附在分子周围以平衡铝氧四面体所带的负电荷。②凝结硬化反应。三门峡库区土沙含有大量的SiO2、Al2O3、CaO等矿物质，新型地聚物与土沙充分搅拌后，与这些矿物质反应生成胶凝性物质，形成链状和网状结构的化合物。SiO2、Al2O3与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物。③碳酸化作用。新型聚合物中游离的氢氧化钙，能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，可以避免残留的碱金属会对水环境产生不利影响。这种反应也能使YRSC 凝结土沙的强度增加，并使其在凝结速度上较水泥凝结土沙快的多。这些新生成的化合物在YRSC 凝结剂的作用下，在水中或空气中加速硬化，由于其结构比较致密，水分不易侵入，从而使YRSC凝结土沙具有足够的水稳定性。因此，YRSC凝结剂和土沙之间的一系列物理化学反应，能够使松散、软土沙硬结成具有整体性、水稳定性高和一定强度的优质结构，而广泛应用于工程中。

4.2 YRSC凝结土的施工优势

①用土沙凝结剂可以凝结各种不同类型的土沙使其成为具有一定（所需要）强度的，满足不同工程地基要求的凝结土沙，特别是YRSC土沙凝结剂凝结不同的土沙短期（3 d）内可以快速达到工程所需要的强度要求，并且后期强度稳定增长，可以有效缩短施工工期。②被凝结土沙中只要有机质含量不超过5%即可。土沙料颗粒粒径可以适当放宽，但不得大于30 mm，当含有砖块、碎石时，其粒径不宜大于50 mm，均对YRSC 凝结土的强度影响不大。③施工时土沙料的含水量可以适当放宽，宜控制在最优含水量Wop+5%的范围内，对于YRSC 凝结土沙的强度影响不大。④施工时土沙料可以不过筛，采用农用旋耕耙按照道路“路拌”法掺拌，分层铺填平整后分层夯实或用机械碾压成型，都可满足工程地基要求。⑤YRSC 凝结土沙换填层的施工方法简单、经济合理，比砂石换填节约投资40%～60%比灰土换填节约投资10%～30%。

5 YRSC凝结剂在应急抢险道路中应用的可行性研究

通过以上试验数据分析结果可以看出YRSC 凝结土沙的各项性能指标均优于水泥凝结土沙，但是抢险快速路的施工条件更为恶劣复杂，为进一步验证YRSC土沙凝结剂在抢险快速路中应用的可行性。选择库区浅层土沙和库区砂土，分别使用YRSC 和水泥凝结后，标准养护3 d 后浸泡于水中，进行3、7、14、28 d 的抗压强度试验，进一步验证YRSC 凝结土沙的浸水稳定性。通过以上数据分析可以得出，凝结土沙试件在标准养护3 d后放入水中浸泡至28 d，与标准养护28 d相比，YRSC凝结土沙试件抗压强度损失率约20%，水泥凝结土沙试件抗压强度损失率为100%。分析结果，可得出YRSC 凝结土沙和水泥凝结土沙抗压强度损失率和浸水时间关系图，如图1所示。

图1 抗压强度损失率和浸水时间关系图

6 结论

①通过YRSC凝结剂对三门峡库区土沙的实验研究，为沿黄河区域的土沙在抢险快速路中的应用提供关键技术和科学依据。②试验证明，YRSC 凝结土沙的单轴抗压强度、抗剪强度、抗浸水软化能力、抗浸盐侵蚀能力、抗渗透系数均优于水泥凝结土沙；而且YRSC凝结土沙的早期强度比水泥凝结土沙增加的快，且后期强度稳定增长。③YRSC被凝结土沙料中只要有机质含量不超过5%即可；土沙料颗粒粒径可以适当放宽，施工时土沙料的含水量可以适当放宽，对于YRSC凝结土沙的强度影响不大；施工时土沙料可以不过筛，采用农用旋耕耙按照道路“路拌”法掺拌，分层铺填平整后分层夯实或用机械碾压成型，都可满足工程地基要求，施工极为方便。