工业废渣复合再生材料稳定膨胀土性能及工程应用

牛鸿武

（河南省许平南高速公路有限责任公司 郑州450000）

0 引言

随着我国工业和基础设施建设的快速发展，煤矸石、钢渣等固体废弃物大量产生并堆存，占用大量土地。调查结果显示，截止2018年全国工业固体废弃物堆存累计总量超过600 亿吨，每年仍以超过30 亿吨的速度增长，按每万吨废弃物平均占地0.5亩计算，现存工业固体废弃物堆存占土地面积超过300 万亩［1，2］。目前，我国在工业固体废弃物综合利用方面存在着综合利用率低（不足50%），无害化处置能力“散小弱低”，非法转移、处置、倾倒现象严重，环境危害大等特点，对工业固体废弃物的回收利用能力急需提升。与此同时，工程建设过程中开采和制备传统水泥、石灰、砂石等建筑材料需要消耗大量的自然资源和能源［3，4］。

基于此背景，工业废渣复合再生材料（简称IWR材料）应运而生。IWR 的主要原料为钢渣、煤矸石等工业废渣，在特定配比下混合、研磨而成，能够改善土壤物理、化学性质和力学性能，满足特定工程需求。IWR 材料的开发与应用不仅提高了工业固废的再生利用率，减少堆存占地、降低环境污染，还能够缓解基础建设材料紧缺的问题，保证工程质量和进度［5，6］。

本文以河南省某新建高速公路项目为依托，对IWR 稳定膨胀土的路用性能和施工工艺进行研究，验证IWR稳定土用于路基工程的可行性与适用性，促进IWR材料在公路工程领域的推广应用。

1 工程概况

河南省某新建高速公路路基宽度为27 m，建设标准为双向四车道，设计时速为120 km/h，全长120 km，路基沿线土质多为膨胀土，优质填料匮乏。为了缓解资源压力，节约建设成本，拟采用IWR 材料对沿线膨胀土进行改良，以克服其CBR值较低，工程特性较差，无法满足路基填料的不足。因此，本工程结合科研项目需求，采用IWR 材料稳定项目沿线的膨胀土，并通过室内试验对其路用性能进行研究，为工程应用提供支持，并通过实际工程应用验证使用效果。

2 IWR材料稳定膨胀土路用性能研究

2.1 原材料

2.1.1 IWR材料

IWR 材料的配方可以根据不同类型土壤的物理力学特性进行调整，使其技术指标能够满足不同的工程需求。按照现行测试规范，参考用于水泥质量评价的技术指标，将稳定膨胀土所用的IWR 材料制成砂浆，并测试其初凝时间、终凝时间、抗折强度、抗压强度等性能指标，具体如表1所示。

表1 复合再生胶凝材料主要技术指标Tab.1 The Main Technical Indicators of Composite Reclaimed Cement Material

2.1.2 膨胀土

试验所用膨胀土取自该新建高速公路沿线取土场，相关技术指标如下：最大干密度为1.88 g/cm3，最佳含水率为14.61%。液限为43%，塑性指数为19，特性判定为低液限黏土；膨胀量为1.96%，属于弱膨胀土；96%压实度下的CBR 值仅为2.36%，远小于上、下路床填料的CBR值要求，甚至达不到93%压实度的下路堤的CBR值要求（≥3%）。

2.2 路用性能

为研究IWR 材料稳定膨胀土的路用性能，确定IWR 材料稳定膨胀土时IWR 的最佳掺量，在5 组不同IWR材料掺量下进行IWR材料稳定膨胀土性能测试，根据《公路路基设计规范：JTG 30-2015》［7］规定，对稳定膨胀土进行击实试验、膨胀率试验和不同压实度K下的CBR 试验，结果如表2所示。

由表2 可知，当IWR 材料掺量≥4.5%时，膨胀总率＜0.7%，CBR＞24%（远远超过规范上路床的8%），满足文献［7］的相关要求。因此确定采用IWR材料稳定膨胀土填筑路堤、路床时，IWR材料的最低掺量为4.5%。

在路基工程施工中，对于路堤用膨胀土，通常可采用消石灰进行处理［5，6］。本项目中采用消石灰粉稳定膨胀土路堤的掺量也为4.5%，为研究采用IWR材料对膨胀土进行处理后用于填筑路堤的适用性，对石灰稳定膨胀土和IWR材料稳定膨胀土的膨胀总率、CBR等指标进行了对比试验，结果如表3所示。

从表3 可知：在同一掺量下的消石灰稳定膨胀土和IWR 稳定膨胀土，其膨胀率和CBR 值均满足文献［7］要求；经IWR 材料稳定的膨胀土的膨胀率稍小于消石灰，CBR值比消石灰稳定膨胀土大30%。说明IWR材料对膨胀土的稳定效果优于消石灰，能够用于路堤填筑。

3 IWR材料稳定膨胀土路堤施工工艺研究

参考室内试验及相关研究，分析复合再生水硬性胶凝材料稳定膨胀土路用性能影响因素，同时及进行了试验路的铺筑。在试验路铺筑过程中，提出并总结了IWR材料稳定膨胀土路堤施工工艺、压实质量控制标准、松铺系数及松铺厚度、合理的压实机械组合、碾压方案，最佳含水量及碾压时含水量允许偏差等相关参数及质量控制标准。

IWR 材料稳定膨胀土试验段采用路拌法施工，主要包括以下工序：

3.1 施工放样

利用全站仪准确放出路床中线与路床边线，直线段每15～20 m 设一断面并打桩，曲线段10～15 m 设一断面并打桩。根据工程要求进行水平测量。

3.2 备料

施工前，组织试验检测人员对拟用IWR材料相关技术指标进行检测，确保IWR材料的质量。根据设计填筑宽度、压实厚度（20 cm）及预定的干密度计算出所需素土的数量。

3.3 摊铺土

按20 cm控制每层IWR稳定土成品厚度，按照相应的结构厚度，根据IWR材料配合比计算素土松铺25 cm。

按照运输车一车素土约16 m³计算，方格网定位5 m×10 m 一个（可根据现场车辆实际装载量调整），倒上土法，全宽填筑。

表2 IWR材料稳定膨胀土性能测试结果Tab.2 IWR Material Stabilized Expansive Soil Performance Test Results

表3 4.5%掺量的消石灰与IWR材料稳定膨胀土性能测试结果对比Tab.3 Comparison of the Performance Test Results of 4.5%Slaked Lime and IWR Material Stabilized Expansive Soil

3.4 闷料

对整平后的土层检测含水率，当土的含水率较小时，需采用洒水车进行均匀洒水，以免局部出现含水率超高现象。闷料时间视土层中细粒土含量而定，一般闷料时间为12 h。当土的含水量过大时，用农用铧犁配合旋耕耙翻晒素土［8，9］。当粉碎后的土块粒径不大于3.75 cm，且素土含水量降低至比其最佳含水量大1%～2%时，方可开始整平和轻压。

3.5 整平和轻压

土的含水量满足要求后，按照确定的虚铺厚度、放样的标高，用平地机和人工开槽相结合的方式进行整平，土量缺的补足，多的刮出。整平后表面应力求平整，厚度均匀，路拱符合设计和文献［7］要求。

初平后采用22 t 的振动压路机静压2 遍，获得初始压实度的同时，为下一道工序提供平整的工作面，以便打网格、布灰。

3.6 摊铺IWR材料

根据计算IWR 材料松铺4 cm 厚，利用铲车进行布灰，按照每辆铲车运输约3 m3计算，方格定位6 m×11 m 一个（可根据现场车辆实际装载量调整）倒上土法，全宽填筑。采用刮板将IWR材料均匀摊铺在结构层上，保证结构层上无带状空白。

3.7 拌和与洒水

采用专用稳定土拌和机，对IWR材料和待稳定结构层深度拌和，拌和深度应渗入待稳定土层以下0.5～1.0 cm，以利于上下层粘结，防止拌和层和下承层之间形成夹层。拌和机行驶速度一般控制在1.2～1.5 km/h。在初次拌和后，计量IWR 材料用量并检测含水率，在IWR 材料用量和含水率满足技术要求的情况下进行第二次拌和。第二次拌和的拌和深度加深至结构层底部1～2 cm，提高素土与IWR材料的结合程度。在拌和过程中可采用人工挖坑取土对拌和效果进行检测，观察取土坑取出灰土的状态，终拌后灰土颜色应均匀一致无色差，严禁有素土夹层存在，否则应重新拌和。

3.8 整形与碾压

用重型振动压路机先静载碾压2遍，静压后，按照确定的标高人工拉线开槽，用平地机和人工相结合的方法实施精平。精平后检测工作面的标高、松铺厚度、横坡、以及IWR 剂量是否满足设计和文献［7］要求。碾压时，含水率应略高于最佳含水率1%～2%，以便取得理想的压实效果。碾压时遵循先轻后重，先慢后快、先低后高、由弱振至强振碾压的原则，压路机碾压行驶速度不宜过快，最大速度应控制在4 km/h 以内；接缝位置处理严格按施工技术细则的要求进行，横向接头处采用振动压路机横叠0.4～0.5 m错轮碾压，一次错轮1/4轮宽以上，碾压时压路机应重叠1/2轮宽。

碾压过程中，应遵循碾压均匀，去死角，无漏压的原则。针对碾压过程中出现的弹簧、松散等现象应及时处理，及时检测碾压段的含水率和IWR 材料剂量，针对性地采取翻晒、或增加IWR材料用量等措施进行调整。终压前，对工作面进行修理整形，保证线形平顺，纵坡合理，路拱和超高均在设计要求内。终压后的面层应保持适宜的含水率，为养生提供条件［10］。

3.9 养生

终压工艺结束后立即进行压实度检测，压实度达到技术要求后立即进行湿法养生，路基分两层施工时，第一层试验段结束后，考虑立即上土覆盖养生［11］。上土覆盖后，如果需要，适当洒水养生。养生期间，禁止重型车辆通过。养生期结束后，方可进行下一层白灰土的施工，第二层施工完毕后，应立即覆盖养生，且养生期不得小于7 d。

4 工程应用及检测

本文根据该高速公路沿线路基填料分布情况，在部分路段采用膨胀土用于填筑路基和路床，但由于膨胀土的工程特性较差，一般无法直接用作路基填料，需要先进行稳定处理。因此，结合本项目需求，对IWR 材料稳定膨胀土的效果进行了实际工程应用研究（见图1）。

图1 IWR材料稳定膨胀土施工现场Fig.1 IWR Material Stabilized Expansive Soil Construction Site

按照上述工艺进行了IWR 材料稳定膨胀土上路堤施工，施工完成后，对工程的施工质量进行了现场检测，CBR 值达5.5%（上路堤要求≥4%），现场压实度94.2%（上路堤要求≥94%），工程应用效果良好，满足设计及验收要求。

5 结论

通过上述研究，可得出以下结论：

⑴当IWR 材料掺量≥4.5%时，膨胀总率＜0.7%，CBR＞24%，远超过文献［7］上路床8%的要求。

⑵ IWR 材料稳定膨胀土的膨胀率稍小于消石灰，CBR 值比消石灰稳定膨胀土大30%。IWR 材料对膨胀土的稳定效果优于消石灰，能够用于路堤填筑。

⑶ IWR 材料稳定膨胀土工程应用效果良好，CBR 达5.5%（上路堤要求≥4%），现场压实度94.2%（上路堤要求≥94%），满足设计及验收要求。