工程渣土资源化利用的压实型约束水泥土柱及其施工方法

1.本发明涉及工程废弃物循环利用技术领域，具体涉及一种工程渣土资源化利用的压实型约束水泥土柱及其施工方法。


背景技术：

2.近年来随着我国城市化建设的快速发展，每年产生的建筑垃圾约35亿吨以上，这对环境造成危害，其中工程渣土占建筑垃圾总量的70％以上。工程渣土主要为地下工程或基础工程中所产生的弃土。目前国内对工程渣土的资源化利用率只有不到5％，而与此同时发达国家对工程渣土资源化利用率达到了90％以上。我国对工程渣土的处置方式主要有低洼地填埋、基础回填、矿坑回填、围海造田等方式，对于建设规模较大的城市，大规模的工程渣土排放较大程度地依赖于异地处置。随着生态环保要求的日益增高，传统粗放式的工程渣土处置方式已经不能适应我国城市的可持续发展。如何推动工程渣土资源化循环利用，已经成为现代城市快速发展时期考验城市治理能力与治理水平的新课题。
3.钢材或纤维增强复合材料(frp)凭借其轻质高强的优良性能，在土建工程中作为约束或结构材料得到了广泛应用。目前，在实际工程中，钢管混凝土结构和纤维增强复合材料(frp) 约束混凝土结构应用较多，对混凝土进行约束，可以提高其承载力和延性，近年来此类新型组合结构是一个热门的应用与研究方向。
4.水泥土是由土、水泥、水以及其它组分按适当比例混合、拌制并经硬化而成的材料。水泥土是一种混合工程材料，其力学性质介于土体和混凝土之间。水泥土可以用作沥青混凝土和水泥混凝土路面下的基层材料，以及大坝和路堤的边坡加固、沟槽-水库-浅湖的衬垫、大体积水泥土筑堤、地基稳定、路面基层、边坡加固、防渗里衬等工程材料。水泥土的突出优点是可就地取材，减少运输，施工方便，价格低廉，大量推广应用水泥土技术，可取得显著的经济效益。
5.传统钢管或frp管约束混凝土柱需要消耗大量砂石和水泥等资源，制造水泥这种建筑材料所排放的二氧化碳就占了全球二氧化碳排放量的7％，而中国则包揽了全球近一半的水泥生产量和水泥生产中的碳排放量，给我国实现“双碳”目标造成了巨大的压力。传统未经压实处理且无横向约束的水泥土的力学性能较差，无侧限抗压强度仅为0.3～2.0mpa，并且大幅度依赖于水泥的掺量，给水泥土的应用造成了很大的限制与约束(王子涵，大直径水泥土复合钢管桩水平承载特性研究，[d]，东南大学，2021.)。因此需要一种新的方法来解决现有工程中水泥土的抗压强度明显偏低且水泥用量相对偏高等问题。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供了一种工程渣土高效资源化利用的压实型约束水泥土柱及其施工方法。
[0007]
本发明将水泥土与钢管或纤维增强复合材料(frp)管组合，钢管或frp管为水泥土提供横向约束，通过对管内水泥土进行压实处理，构成一种压实型约束水泥土柱构件，极大
地提高了工程渣土的受压力学性能，为工程渣土的高效资源化利用开辟了一条新路径。
[0008]
为了实现本发明目的，本发明采用如下技术方案。
[0009]
本发明提供的一种工程渣土资源化利用的压实型约束水泥土柱，包括水泥土，以及钢管或纤维增强复合材料(frp)管，所述水泥土按照质量份数计，包括以下原料：
[0010]
扣除所含水分之后的工程渣土
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
100～140份；
[0011]
水泥
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0～15份；
[0012]
水(包括工程渣土所含水分)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0～25份；
[0013]
所述水泥土位于钢管或frp管内部，通过对管内水泥土进行压实处理，构成一种压实型约束水泥土柱构件。
[0014]
进一步地，所述工程渣土为地下工程或基础工程中所产生的弃土。
[0015]
进一步地，所述钢管或frp管的横截面形状为圆形、矩形或其它多边形。
[0016]
进一步地，所述水泥土中可以掺加或者不惨加短切刚纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维、合成纤维等纤维中的一种以上。掺加上述纤维时，其掺入量为0.55～50kg/m3。
[0017]
进一步地，所述水泥土柱还包括高强水泥砂浆，其抗压强度范围为30mpa～100mpa，位于水泥土上表面与钢管或frp管的上端开口之间的间隙处，厚度为0～10mm。
[0018]
进一步地，所述压实处理是使用压力设备对管内水泥土施加竖向压力以压实水泥土，其中压力设备的压头直径比钢管或frp管内径小5～10mm。
[0019]
本发明提供的一种工程渣土资源化利用的压实型管约束水泥土柱的施工方法，包括以下步骤：
[0020]
(1)将工程渣土、水泥和水按照质量份数放入搅拌机内充分搅拌混合，得到水泥土；
[0021]
(2)将水泥土填入钢管或frp管内，直至水泥土与钢管或frp管的上端开口齐平；
[0022]
(3)使用压力设备对管内的水泥土施加竖向压力以压实水泥土；
[0023]
(4)管内的水泥土经过压实后高度下降，重复上述步骤(2)与步骤(3)水泥土的填入与压实操作，直至压实后的水泥土上表面与钢管或frp管的上端开口之间的距离不超过10mm
[0024]
(5)最后采用高强水泥砂浆进行封口和找平处理。
[0025]
进一步地，步骤(3)所述施加竖向压力的压强范围为20mpa～45mpa。
[0026]
进一步地，步骤(3)使用压力设备对管内的水泥土施加竖向压力过程中，钢管的横向应变小于钢材屈服应变，frp管的横向应变不超过frp极限应变的80％。
[0027]
与现有的技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0028]
(1)本发明中，主要材料为工程产出量大且难以处置的工程渣土，与传统工程渣土处理方式相比，极大地提高了工程渣土的资源化利用率，拓宽了工程渣土的应用领域，为工程渣土资源化利用提供了一种新思路，可以产生显著的经济效益和社会效益。
[0029]
(2)对比传统frp约束混凝土或钢管混凝土，本发明采用压实型水泥土直接取代混凝土，大幅减少了对砂、石、水泥等资源的消耗，可缓解天然砂石短缺的困境以及生产水泥对环境造成的压力，高度契合绿色发展理念。
[0030]
(3)本发明采用钢管或frp管与水泥土组合，钢管或frp管给水泥土提供有效的横向约束作用，使得水泥土的压实处理得以实现，相比未经压实的水泥土极大地提升了其受
压力学性能，使得水泥土的应用范围得到极大拓展。
附图说明
[0031]
图1是压实型约束水泥土柱的整体结构示意图；
[0032]
图2是压实型约束水泥土柱的横向剖面示意图；
[0033]
图3是压实型约束水泥土柱的纵向剖面示意图；
[0034]
其中：1-经过压实的水泥土；2-钢管或frp管；3-高强水泥砂浆。
具体实施方式
[0035]
下面将结合附图和具体实施例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明的过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
[0036]
本发明实施例中所用工程渣土均为取自广州市轨道交通七号线萝岗站二期项目基坑的花岗岩风化土，花岗岩风化土为广东地区工程建设过程中非常普遍的工程渣土。
[0037]
实施例1
[0038]
本实施例制备一种压实型约束水泥土柱，压实型约束水泥土柱的整体结构如图1(左) 所示，横向剖面截面图如图2(左)所示，纵向剖面截面图如图3所示，图中，1-经过压实的水泥土；2-钢管或frp管；3-高强水泥砂浆。
[0039]
本实施例中所述水泥土按照质量份数计，包括以下原料：
[0040]
扣除所含水分之后的工程渣土
ꢀꢀꢀ
100份；
[0041]
水泥
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
15份；
[0042]
水(包括工程渣土所含水分)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
25份；
[0043]
本实施例中水泥土外围管约束采用q235圆形无缝钢管，钢管外径为325mm，壁厚为6mm，高度为900mm。
[0044]
本实施例中压实处理所使用的压力设备为反力架与千斤顶，其中压头直径比钢管内径小 5mm。
[0045]
本实施例的具体施工方法，包括以下步骤：
[0046]
(1)取扣除所含水分之后的工程渣土110kg、水泥16.5kg、水(包括工程渣土所含水分) 27.5kg和短切钢纤维3.3kg，放入搅拌机内充分搅拌混合，得到水泥土；
[0047]
(2)将水泥土填入钢管内，直至水泥土与钢管的上端开口齐平；
[0048]
(3)使用反力架与千斤顶给管内的水泥土施加竖向压力，所施加的压强大小为30mpa；
[0049]
(4)管内水泥土经过压实后高度下降，重复上述步骤(2)与步骤(3)水泥土的填入与压实操作，最后一次压实完成后，经过压实后的水泥土上表面与钢管的上端开口距离为5mm；
[0050]
(5)最后采用抗压强度为40mpa的高强水泥砂浆进行封口和找平处理。
[0051]
使用反力架与千斤顶对管内的水泥土施加竖向压力过程中，钢管的最大横向应变为q235 钢材屈服应变70％。
[0052]
当本实施例制作的压实型约束水泥土柱达到28天龄期后，进行抗压承载力检测，
测得其抗压承载力可达到2800kn以上，相比未经压实且无横向约束的水泥土极大地提升了其受压力学性能。
[0053]
实施例2
[0054]
本实施例制备一种压实型约束水泥土柱，压实型约束水泥土柱的整体结构如图1(左) 所示，横向剖面截面图如图2(左)所示，纵向剖面截面图如图3所示，图中，1-经过压实的水泥土；2-钢管或frp管；3-高强水泥砂浆。
[0055]
本实施例中所述水泥土按照质量份数计，包括以下原料：
[0056]
扣除所含水分之后的工程渣土
ꢀꢀ
130份；
[0057]
水泥
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4份；
[0058]
水(包括工程渣土所含水分)
ꢀꢀꢀꢀ
6份；
[0059]
本实施例中水泥土外围管约束采用圆形玻璃纤维管(此玻璃纤维管为所述frp管的其中一种)，玻璃纤维管的外径为350mm，壁厚为6mm，高度为900mm。
[0060]
本实施例中压实处理所使用的压力设备为反力架与千斤顶，其中压头直径比玻璃纤维管内径小7mm。
[0061]
本实施例的具体施工方法，包括以下步骤：
[0062]
(1)取扣除所含水分之后的工程渣土162.5kg、水泥5kg、水(包括工程渣土所含水分) 7.5kg，放入搅拌机内充分搅拌混合，得到水泥土(本实施例未掺纤维)；
[0063]
(2)将水泥土填入玻璃纤维管内，直至水泥土与玻璃纤维管的上端开口齐平；
[0064]
(3)使用反力架与千斤顶给管内的水泥土施加竖向压力，所施加的压强大小为25mpa；
[0065]
(4)管内水泥土经过压实后高度下降，重复上述步骤(2)与步骤(3)水泥土的填入与压实操作，最后一次压实完成后，经过压实后的水泥土上表面与玻璃纤维管的上端开口距离为10mm
[0066]
(5)最后采用抗压强度为30mpa的高强水泥砂浆进行封口和找平处理。
[0067]
使用反力架与千斤顶对管内的水泥土施加竖向压力过程中，玻璃纤维管的最大横向应变为其管材极限应变50％。
[0068]
当本实施例制作的压实型约束水泥土柱达到28天龄期后，进行抗压承载力检测，测得其抗压承载力可达到2500kn以上，相比未经压实且无侧向约束的水泥土极大地提升了其受压力学性能。
[0069]
实施例3
[0070]
本实施例制备一种压实型约束水泥土柱，压实型约束水泥土柱的整体结构如图1(右) 所示，横向剖面截面图如图2(右)所示，纵向剖面截面图如图3所示，图中，1-经过压实的水泥土；2-钢管或frp管3-高强水泥砂浆。
[0071]
本实施例中所述水泥土按照质量份数计，包括以下原料：
[0072]
扣除所含水分之后的工程渣土
ꢀꢀꢀꢀꢀ
120份；
[0073]
水泥
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
5份；
[0074]
水(包括工程渣土所含水分)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
15份；
[0075]
本实施例中水泥土外围管约束采用方形碳纤维管(此碳纤维管为所述frp管的其中一种)，碳纤维管外边长为300mm，管壁厚为5mm，高度为900mm。
[0076]
本实施例中压实处理所使用的压力设备为反力架与千斤顶，其中方形压头边长比碳纤维管内边长小6mm。
[0077]
本实施例的具体施工方法，包括以下步骤：
[0078]
(1)取扣除所含水分之后的工程渣土132kg、水泥5.5kg、水(包括工程渣土所含水分) 16.5kg，放入搅拌机内充分搅拌混合，得到水泥土(本实施例未掺纤维)；
[0079]
(2)将水泥土填入碳纤维管内，直至水泥土与碳纤维管的上端开口齐平；
[0080]
(3)使用反力架与千斤顶给管中的水泥土施加竖向压力，所施加的压强大小为40mpa；
[0081]
(4)管内水泥土经过压实后高度下降，重复上述步骤(2)与步骤(3)水泥土的填入与压实操作，最后一次压实完成后，经过压实后的水泥土上表面与碳纤维管的上端开口距离为 8mm；
[0082]
(5)最后采用抗压强度为55mpa的高强水泥砂浆进行封口和找平处理。
[0083]
使用反力架与千斤顶对管内的水泥土施加竖向压力过程中，碳纤维管的最大横向应变为其管材极限应变60％。
[0084]
当本实施例制作的压实型约束水泥土柱达到28天龄期后，进行抗压承载力检测，测得其抗压承载力可达到4000kn以上，相比未经压实且无侧向约束的水泥土极大地提升了其受压力学性能。
[0085]
实施例4
[0086]
本实施例制备一种压实型约束水泥土柱，压实型约束水泥土柱的整体结构如图1(右) 所示，横向剖面截面图如图2(右)所示，纵向剖面截面图如图3所示，图中，1-经过压实的水泥土；2-钢管或frp管；3-高强水泥砂浆。
[0087]
本实施例中所述水泥土按照质量份数计，包括以下原料：
[0088]
扣除所含水分之后的工程渣土
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
120份；
[0089]
水泥
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8份；
[0090]
水(包括工程渣土所含水分)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12份；
[0091]
本实施例中水泥土柱体外围管约束采用q345b方形无缝钢管，钢管外边长为300mm，钢管壁厚为8mm，高度为900mm。
[0092]
本实施例中压实处理所使用的压力设备为反力架与千斤顶，其中方形压头边长比钢管内边长小8mm。
[0093]
本实施例的具体施工方法，包括以下步骤：
[0094]
(1)取扣除所含水分之后的工程渣土132kg、水泥8.8kg、水(包括工程渣土所含水分) 13.2kg和玻璃纤维0.33kg，放入搅拌机内充分搅拌混合，得到水泥土；
[0095]
(2)将水泥土填入钢管内，直至水泥土与钢管的上端开口齐平；
[0096]
(3)使用反力架与千斤顶给管中的水泥土施加竖向压力，所施加的压强大小为45mpa；
[0097]
(4)管内水泥土经过压实后高度下降，重复上述步骤(2)与步骤(3)水泥土的填入与压实操作，最后一次压实完成后，经过压实后的水泥土上表面与钢管的上端开口距离为7mm；
[0098]
(5)最后采用抗压强度为60mpa的高强水泥砂浆进行封口和找平处理。
[0099]
使用反力架与千斤项对管内的水泥土施加竖向压力过程中，钢管的最大横向应变为钢材屈服应变85％。
[0100]
当本实施例制作的压实型约束水泥土柱达到28天龄期后，进行抗压承载力检测，测得其抗压承载力可达到4500kn以上，相比未经压实且无侧向约束的水泥土极大地提升了其受压力学性能。
[0101]
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。