地聚合物固化风积沙路面结构层施工技术研究.pdf

建筑施工第45卷第10期2067地聚合物固化风积沙路面结构层施工技术研究王立权1 张广辉1 刘彦彦1 段影会1 关晓琳2 郝若愚21.邢台路桥建设集团有限公司 河北 邢台 054000；2.长安大学 陕西 西安 710064摘要：沙漠地区风积沙资源丰富，采用风积沙作为筑路材料，是节约工程成本的必然选择。但风积沙具有松散、级配不良和无黏聚力的工程特性，若将风积沙应用于路面结构，需对其进行改良。采用地聚合物固化风积沙的方法对风积沙进行加固，并首次将地聚合物固化风积沙应用于工程实践。通过施工发现，采用地聚合物固化的风积沙应用于底基层及基层可大大降低施工成本；现场采用“一步法”制备地聚合物，风积沙的含黏量、地聚合物的制备方法、固化土拌和的均匀性与施工中固化土水分的保持是影响地聚合物固化风积沙道路结构形成强度的重要因素；地聚合物固化风积沙随龄期的增加持续增长。关键词：地聚合物；风积沙；施工；基层；底基层中图分类号：TU99 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)10-2067-03 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.10.036Research on Construction Technology of Geopolymer Solidified Windblown Sand Pavement Structure LayerWANG Liquan1 ZHANG Guanghui1 LIU Yanyan1 DUAN Yinghui1 GUAN Xiaolin2 HAO Ruoyu21.Xingtai Road and Bridge Construction Group Co.,Ltd.,Xingtai 054000,Hebei,China;2.Changan University,Xian 710064,Shaanxi,ChinaAbstract:Desert areas are rich in drift sand resources,and using windblown sand as a road construction material is an inevitable choice to save engineering costs.However,windblown sand has engineering characteristics of looseness,poor grading,and lack of cohesion.If windblown sand is applied to pavement structures,it needs to be improved.The method of using geopolymer to solidify windblown sand is used to reinforce windblown sand,and for the first time,geopolymer solidified windblown sand is applied to engineering practice.Through construction,it is found that the use of geopolymer solidified windblown sand in the subbase and base layers can greatly reduce construction costs;the one-step method is used on site to prepare geopolymer.The viscosity content of windblown sand,the preparation method of geopolymer,the uniformity of solidified soil mixing,and the maintenance of solidified soil moisture during construction are important factors that affect the strength of the formation of geopolymer solidified windblown sand road structure;geopolymer solidified windblown sand continues to grow with age.Keywords:geopolymers;windblown sand;construction;base layer;subbase layer我国对于风积沙在道路工程中的应用研究始于20世纪60年代，各种固化风积沙方法取得了累累硕果1-9。近年来，地聚合物作为土的固化剂受到了学者们的广泛关注。目前，地聚合物固化土的研究主要集中在固化软土和淤泥土2个方面。例如，易耀林等10研究了不同碱激发剂对矿粉基地聚合物固化滨海软土的强度影响；章定文等11分析了龄期、固化剂掺入比对石灰-高炉矿渣基地聚合物固化黏土的强度影响；邓永锋等12研究了偏高岭土基地聚合物对水泥固化土力学性能的影响，验证了地聚合物固化土的经 济性。综上所述，众多学者在力学性能和固化机理等方面研究了各种固化剂改良风积沙的可行性。然而，以工业废固作为主要原料的地聚合物材料多用于固化淤泥质黏土与软土，地聚合物固化风积沙的研究并不多见，将地聚合物固化风积沙作为路面结构层的研究更是鲜有报道。因此，首次将地聚合物固化风积沙应用于路面结构层的施工技术，“丝绸之路经济带”的倡议表明了我国对西北经济发展的高度重视。我国西北沙漠地区能源丰富，能源的开发使得沙漠地区的公路建设需求日益增长。沙漠地区筑路材料匮乏，优良砾石的开采和远运导致建设成本不断攀升。而沙漠地区风积沙资源丰富，采用风积沙作为筑路材料，是节约工程成本的必然选择。但风积沙具有松散、级配不良和无黏聚力的工程特性，若将风积沙应用于路面结构，应对其进行改良。考虑到地聚合物具有成本低、效果好的优点，因此首次对地聚合物固化风积沙应用于路面结构进行了尝试。作者简介：王立权（1984），男，本科，高级工程师。通信地址：河北省邢台市襄都区平安路天一府8号楼二单元102室（054001）。电子邮箱：收稿日期：2023-07-08市政工程MUNICIPAL ENGINEERING202310Building Construction2068对指导沙漠公路建设具有重要意义。1 工程概况本文依托新疆S21阿乌高速公路建设项目，工程南起乌鲁木齐市，横穿古尔班通古特沙漠，北至阿勒泰市，是连通“丝绸之路经济带”北路与中路的快捷通道。该项目总长约343 km，总计穿越沙漠地区约150 km。公路沿线广泛存在风积沙、盐渍土和湿陷性粉土等特殊土，地区的生态环境脆弱，破坏后的恢复工作会极其困难。公路沿线筑路材料匮乏，沿线无砂、砾石和砾类土等天然料场分布。水资源短缺且分布不均，工程用水的勘探、采集与运输工作困难。沙漠路段的路基结构由风积沙下路床与砾类土上路床构成，路面结构由级配砾石底基层、水泥稳定砾石基层、沥青碎石下封层与沥青混凝土路面构成。全线的沙漠路段只有路基下路床采用风积沙作为筑路原料，其他结构多以砾石、砾类土与水泥为建设材料，在沙漠地区长期使用砾石材料会导致建设成本居高不下和环境污染，给沙漠地区基础设施建设与环境保护带来负担。2 试验路段铺设2.1 制备地聚合物材料方法简介大量学者在研究中多使用“两步法”制备地聚合物浆材，即先制备硅、铝原料浆液与碱激发剂溶液，将2种溶液混合后进行土体固化。此方法多用于室内试验，其制备的地聚合物混合均匀，有利于固化土强度的增长。但是“两步法”中所需的高浓度碱性溶液在实际工程应用中难以运输与保存，制备难度与风险较大。为此，有学者开展了“一步法”制备地聚合物固化土的研究，即将硅、铝原料与固体碱性激发剂混合作为前驱体原料，与水混合后得到地聚合物胶凝材料，然后用于固化土体，该方法与水泥固化土类似。本试验路段的铺设采用“一步法”制备地聚合物材料。2.2 铺设试验路段准备工作首先对该标段的料场与拌和场进行现场调研。搅拌站为普通稳定土拌和楼，无法实现NaOH溶液的贮存与运输。因此使用“一步法”制备地聚合物材料，即将硅、铝原料与固体碱性激发剂混合作为前驱体原料，与水混合后得到地聚合物胶凝材料，然后用于固化土体，该方法与水泥固化土类似。2.3 试验路段设计试验路段为跨主线桥两侧的边坡路段。道路采用双向两车道设计，路长200 m，行车道宽23.75 m，基层厚20 cm，底基层厚15 cm。试验路段采用固化风积沙作为基层和底基层填筑材料。地聚合物为新型材料，暂无系统的设计规范，设计参照JTG/T F202015公路路面基层施工技术细则规范中的水泥粉煤灰基层、底基层设计标准，确保现场试验结果满足设计要求。首先对该标段的料场与拌和场进行现场调研，发现因料场选址问题，风积沙含黏量不易控制，且含黏量为10%左右，与试验所用含黏量相比较低。搅拌站为普通稳定土拌和楼，无法实现NaOH溶液的贮存与运输。因此，现场无法满足试验所得固化土的最优配比。使用该料场风积沙在现场实验室开展路用性能试验，并使用“一步法”制备地聚合物材料。通过试验结果，确定固化风积沙基层地聚合物设计掺量为30%，固化风积沙底基层地聚合物设计掺量为20%。使用NaOH含量高于99%的片碱作为现场试验的碱激发剂。地聚合物中固体废料与NaOH质量比为301，固废中钢渣、粉煤灰与水泥的质量比为221。基层、底基层用料如表1所示。表1 试验路段用料结构名称用料量/t干料量/t水量/t风积沙用量/t固化剂用量/t基层67460074420180底基层4944415335389为了体现地聚合物固化风积沙相比传统筑路材料更加经济，在当地进行市场调研，取得各材料的市场价均值，对试验路段与传统路段进行估价对比，使用地聚合物固化风积沙作为筑路材料，工程造价每100 m减少0.65万元。地聚合物固化风积沙的应用不仅可以减少碳排放，循环利用废弃资源，而且在工程造价上也具有一定优势。2.4 试验路段铺设施工工艺使用稳定土拌和站进行固化土的拌和。在试验路段修筑过程中，地聚合物固化土的拌和能力应与摊铺能力相匹配，防止材料因为放置或者堆积而造成固化效果降低。在固化土的拌和过程中发现，地聚合物改良土的原料种类较多，现场拌和设备的拌和时间一般在10 s以内，难以保证地聚合物改良土的均匀性与NaOH对废固的激发性。现场暂无NaOH固体专用运输料仓，且NaOH液体对橡胶与金属具有强腐蚀性并伴随着较大的施工风险性。为此，参考地聚合物“一步法”制备原理，拌和时应按设计的质量比先将NaOH固体添加进风积沙中，再将沙、碱混合物装入料斗，进入搅拌缸与其他粉料一起拌和，如图1所示。集中拌和后对搅拌站进行清洗，避免NaOH对仪器的腐蚀。需要注意，处理碱激发剂过程中应全程佩戴塑胶手套、防毒面具与护目镜，防止片碱造成的化学灼伤，如图2所示。摊铺时，如果采用间断性摊铺，应在下层固化土形成强度后，再进行上层结构的摊铺与碾压，防止仪器工作时产生的振动对未形成强度的固化土结构造成破坏。采用2层王立权、张广辉、刘彦彦、段影会、关晓琳、郝若愚:地聚合物固化风积沙路面结构层施工技术研究建筑施工第45卷第10期2069结构连续摊铺工艺时，应确保上下2层结构在24 h内完成施工。地聚合物固化土的摊铺如图1所示。图1 地聚合物固化风积沙摊铺固化土摊铺后采用压路机进行碾压。首先采用光轮压路机反复碾压3遍左右，再采用振动压路机压密，最后采用双钢轮压路机进行碾压收面，消除轮迹。地聚合物固化风积沙材料的颗粒较为细小，因此在碾压过程中会出现软弹和鼓包现象，适当减小压路机碾压速度，拌和时适当提高固化土的含水率可减少软弹和鼓包现象的发生。地聚合物固化土宜在拌和后的2 h内完成摊铺、碾压。特别是在新疆夏季，应尽量缩短固化土的运输、摊铺与碾压时间，避免炎热的气温与强烈的日照造成固化土的干燥失效，如图2所示。如果条件允许，宜避开正午进行地聚合物固化土的施工，并适当提高混合料含水率来避免混合料施工中的水量损失，地聚合物固化风积沙的拌和含水率宜高于最优含水率2%3%。图2 地聚合物固化风积沙的碾压底基层碾压前期，因为地聚合物固化风积沙的施工经验欠缺，施工进展缓慢，在路段局部造成了固化土底基层表面的干燥、松散、不成形。为此，底基层在碾压后进行了洒水与双钢轮压路机复压处理。固化风积沙底基层修整后的效果如图3所示。待35 d，固化土底基层的强度形成后，开展固化风积沙基层的摊铺与碾压，并经压实度检查合格后，覆盖土工织物进行养生。在养生前期，采用洒水车每天补水12次，保持土工织物内的湿润，在结构形成强度后可停止补水。图3 底基层碾压成形3 应用中的问题及改进措施地聚合物固化风积沙在工程中的应用暂无人研究与实施，缺少专门的施工指南与建设规范。施工经验的缺失导致了地聚合物固化风积沙在基层与底基层填筑的过程中出现些许问题，最后都得到妥善解决。为此，通过总结应用过程中的问题，提出合理的解决方法，完善与改进地聚合物固化风积沙的施工工艺，将应用过程中的经验做总结，为后续的研究提供借鉴。具体分析如下：1）关于现场试验的原料购买问题。试验前因缺少对当地废固的品种与分布的详细调研，延缓了试验进程。为此，在选择地聚合物的原材料与设计改良土配合比时，应当提前考察施工地区周边可以提供的固体废料种类，综合考虑不同地聚合物的加固效果、环境协调性与使用成本，提出绿色并具有经济效益的改良设计。2）关于地聚合物材料的制备问题。在应用中，为了使“一步法”也能充分混合固化材料，可以通过将多个搅拌缸串联降低混合料的产量与原料运输速率，或者对设备进行改造，来达到延长并控制拌和时间的目的。拌和设备的料斗与料仓应与原料数目相匹配，料仓宜至少有3组。3）关于风积沙的含黏量问题。细粒含量对固化风积沙的强度形成具有关键作用。在黏粒的辅助作用下，地聚合物才能发挥其良好的固化作用。由于料场选址问题，试验路段铺设过程中不能改变风积沙的含黏量，因此固化效果略低于室内试验结果。4）关于地聚合物材料的含水率与碾压问题。在道路填筑初期发现，因新疆夏季炎热、日照强烈、风积沙透水性良好，加上施工经验少，固化土搅拌与摊铺缓慢等人为原因，使得固化土失水迅速，水量损失较大。为此，应避开正午进行地聚合物固化土的施工，地聚合物固化风积沙的拌和含水率宜高于最优含水率2%3%。若固化土在碾压后干燥开裂明显，需进行洒水与双钢轮压路机复压等修整工作。5）地聚合物固化风积沙的强度问题。地聚合物固化风积沙的早期强度较低，但是其强度会随着龄期增加而持续增长。为此本文提出，适当延长地聚合物固化土的养护龄期与强度验收时间，将较高龄期的地聚合物固化风积沙强度作为设计准则，使固化风积沙能发挥其优点。4 结语通过总结室内试验与理论分析所得结论，依托新疆S21阿乌高速公路工程项目，尝试使用地聚合物固化风积沙作为公路基层与底基层的填筑材料。阐述了地聚合物固化风积沙的应用过程与效果，并总结了应用中的不足与改进措施。主要结论如下：（下转第2073页）王立权、张广辉、刘彦彦、段影会、关晓琳、郝若愚:地聚合物固化风积沙路面结构层施工技术研究建筑施工第45卷第10期2073进路线下各结构柱及承重墙进行监测点布置。2021年8月25日上行线盾构掘进280环时，公园地下室监测点呈隆起趋势。其中，FR150结构柱当天地表隆起量为5.23 mm，累计地表隆起量为20.42 mm，此时为最高峰值，后期随着土体沉降逐渐趋于稳定，具体结果见图5。2520151050510累计沉降量/mm7182931041151268月18日8月20日8月27日8月28日8月29日8月30日8月31日9月1日9月2日9月3日9月4日9月6日日期图5 公园地下室监测曲线变化在盾构推进公园地下室整体过程中，需加大对公园地下室结构的巡视及监测工作，盾构于2021年9月10日在277环位置驶出公园地下室，地下室底板、墙板及柱均未出现明显的裂缝及结构损伤。5 结语本项目为盾构大跨度超百节穿越在建地下室，各项施工条件及工况均不利于盾构的推进，在项目实施全过程，从设计、施工、监测等方面全方位进行了技术把控。结合工程实体案例，通过设计前期对地下室结构进行优化，盾构施工推进过程中采取技术、安全、应急措施，以及对整个施工过程进行监测数据采集分析，使得盾构在大跨度超百节穿越在建地下室过程中造成的土体隆起及沉降对地下室结构的影响降至最低，不仅保证了在建地下室结构的安全稳定，而且确保了盾构穿越地下室施工中盾构作业的顺利安全推进，为今后类似项目提供了一定的借鉴作用。1 中华人民共和国住房和城乡建设部.盾构法隧道施工及验收规范:GB 504462017S.北京:中国建筑工业出版社,2017.2 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通工程监测技术 规范:GB 509112013S.北京:中国建筑工业出版社,2013.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范:GB 500092012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.4 池建彬.广佛地铁3号线盾构隧道下穿某在建大型工程的隧道及基 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