水泥改良炭質(zhì)泥巖路用性能試驗研究

張澤豐，肖俊杰，何 淋，嚴(yán) 勇

湖南省通泰工程有限公司，湖南 長沙 410018

炭質(zhì)泥巖其因富含炭質(zhì)常表現(xiàn)出易崩解、遇水易軟化膨脹、受載條件下承載力偏低等諸多不良特性[1]，對此，高速公路等工程建設(shè)中多采用繞道避行或棄土換填等處理措施。隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，通過直接取土或開山采石等方式獲取的天然優(yōu)質(zhì)填料已不能滿足路基填筑的緊迫需求，資源匱乏使得利用炭質(zhì)泥巖這一不良填料修筑路基勢在必行。

近年來，已有學(xué)者意識到炭質(zhì)泥巖的特殊性能，并針對沉降變形及邊坡失穩(wěn)等常見問題進(jìn)行了探索。陳羽等[2]通過室內(nèi)試驗對炭質(zhì)泥巖填料的路用性能進(jìn)行了考察，綜合考慮多項指標(biāo)后指出炭質(zhì)泥巖僅適用于93區(qū)及以下位置的路基填筑。曾鈴等[3]對干濕循環(huán)影響下炭質(zhì)泥巖的裂隙發(fā)展規(guī)律開展了試驗研究，發(fā)現(xiàn)裂隙數(shù)量等指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而擴大，并建立裂隙率與抗剪強度指標(biāo)的回歸關(guān)系為炭質(zhì)泥巖路基邊坡的穩(wěn)定性計算提供了理論依據(jù)。葉朝良等[4]進(jìn)行的系統(tǒng)性室內(nèi)試驗，結(jié)果表明，炭質(zhì)泥巖因具有較強的親水能力而導(dǎo)致遇水軟化后沉降變形大幅增大，隨后提出路基施工時應(yīng)嚴(yán)格防控填料浸水軟化以避免施工后及運營期沉降過大而危害行車安全。敖亦兵等[5]通過強度折減法探討了降雨情況下炭質(zhì)泥巖的邊坡狀態(tài)，得出降雨使其安全系數(shù)顯著減小，而控制路堤壓實度不低于93%則可保證路堤邊坡不發(fā)生失穩(wěn)滑塌的重要結(jié)論。

綜上所述，已有成果多關(guān)注炭質(zhì)泥巖本身的多項特性與演化規(guī)律，并為工程實際提供了大量有益參考，但少有關(guān)于改良炭質(zhì)泥巖路用性能的研究?；诖?，文章對實際高速公路炭質(zhì)泥巖路基填料進(jìn)行水泥改良，通過室內(nèi)試驗考察其崩解情況、CBR及抗壓強度等路用性能，以期為類似工程實踐提供參考依據(jù)。

1 天然炭質(zhì)泥巖工程性質(zhì)

1.1 基本物理性能

文章所用炭質(zhì)泥巖取自湖南省，依照土工試驗規(guī)程要求的測定方法，對其進(jìn)行室內(nèi)基本物理性能試驗。顆粒分析結(jié)果如圖1所示，計算可知不均勻系數(shù)為Cu=3.9＜5且曲率系數(shù)Cc=0.8＜1，據(jù)此判定該炭質(zhì)泥巖具有不良級配，難以充分壓實。此外，擊實試驗與界限含水率測定結(jié)果如表1所示。

圖1 炭質(zhì)泥巖顆粒級配曲線

表1 基本物理性能測試結(jié)果統(tǒng)計

1.2 崩解與無側(cè)限抗壓強度試驗

前期研究顯示，炭質(zhì)泥巖因崩解而強度衰減是導(dǎo)致其填筑的路基易發(fā)生病害的關(guān)鍵問題。為此，對炭質(zhì)泥巖試樣開展崩解試驗以考察其崩解特性，試驗方法與潘藝等[6]的研究一致。結(jié)果顯示，試樣質(zhì)量的崩解損失量隨干濕循環(huán)的增長而增大，直至經(jīng)歷7次循環(huán)后崩解基本穩(wěn)定，造成的質(zhì)量損失率約為11.07%。

干燥、自然、飽水條件下炭質(zhì)泥巖的單軸抗壓強度分別為23.2MPa、17.7MPa、11.9MPa，即隨濕度水平的提高而明顯降低。綜合崩解性試驗結(jié)果，可知當(dāng)所處環(huán)境的濕度較大時，炭質(zhì)泥巖會崩解裂化為粒徑更小的顆粒，導(dǎo)致強度驟減而引發(fā)路基災(zāi)變。

1.3 CBR與膨脹率試驗

CBR值可反映填料強度，故對此次研究中的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行CBR測試，同時，也關(guān)注其膨脹率，試驗時試件壓實度選定為96%。數(shù)據(jù)顯示，該炭質(zhì)泥巖的膨脹率為0.87%，低于《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）中以40%為界限值的判斷依據(jù)。此外，CBR值為7.74%，不滿足高速公路和一級公路路基填料的CBR值不得低于8%的要求。顯然，此天然炭質(zhì)泥巖路基填料需進(jìn)行改良處治以提高路用性能。

2 水泥改良炭質(zhì)泥巖路用性能

2.1 擊實試驗

對不良填料進(jìn)行化學(xué)處治時，水泥改良的方法因取材容易而被廣泛采用。根據(jù)朱自強等[7]開展的干濕循環(huán)作用對水泥改良泥質(zhì)板巖土路基動力響應(yīng)影響的模型試驗，分別在天然炭質(zhì)泥巖加入3%、4%、5%及6%的32.5號波特蘭水泥。隨后，對水泥改良填料進(jìn)行重型擊實，試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 水泥改良炭質(zhì)泥巖擊實結(jié)果

由表2可知，水泥的加入提高了炭質(zhì)泥巖的最佳含水率，降低了其最大干密度。這可能是因為水泥中含有的硅酸三鈣等礦質(zhì)與炭質(zhì)泥巖內(nèi)部的水反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化鈣等化合物，有助于水泥顆粒重新暴露于表面，再次發(fā)生水化反應(yīng)，出現(xiàn)更多的化合物將泥巖顆粒包裹，使其形成膠體繼而與其他顆粒出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象。

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

根據(jù)表2中的各水泥摻量對應(yīng)的炭質(zhì)泥巖技術(shù)參數(shù)，制備最佳含水率和96%壓實度下的試件并按規(guī)范養(yǎng)護7d，隨后測定無側(cè)限抗壓強度。試驗結(jié)果表明，7d無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量的增多而持續(xù)變大，且當(dāng)水泥摻量介于3%～4%時其值超過0.8MPa。這是因為水泥水化所得的水化物不僅與水泥顆粒共同形成堅硬骨架，還使炭質(zhì)泥巖顆粒穩(wěn)定成團。對于高速公路而言，應(yīng)采取0.8MPa作為路床填料的強度控制指標(biāo)。全面考慮上述試驗結(jié)果以及經(jīng)濟成本，認(rèn)為4%可作為改良炭質(zhì)泥巖的最佳水泥摻量。

2.3 改良效果驗證

采用體現(xiàn)路基抗變形性質(zhì)的指標(biāo)，即回彈模量以檢測水泥改良炭質(zhì)泥巖的實用效果。將添加4%水泥的炭質(zhì)泥巖按要求在路基現(xiàn)場填筑試驗段，隨后壓實并進(jìn)行養(yǎng)生處理。通過便攜式落錘彎沉儀測定路基頂面回彈模量，承載板直徑為30cm。路基現(xiàn)場回彈模量實測結(jié)果如表3所示。分析現(xiàn)場實測結(jié)果，9個測點的回彈模量值最低為60.7MPa，平均值為82.5MPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，路基頂面回彈模量不得小于50MPa，因此摻入4%水泥的炭質(zhì)泥巖滿足路基填筑要求，路用性能較好。

表3 路基現(xiàn)場回彈模量實測結(jié)果 單位：MPa

3 結(jié)論

（1）炭質(zhì)泥巖在干濕循環(huán)下發(fā)生崩解，此過程帶來的崩解損失約為總質(zhì)量的11%。此外，炭質(zhì)泥巖的抗壓強度在干燥狀態(tài)下高于吸水狀態(tài)。

（2）對天然炭質(zhì)泥巖開展的CBR試驗結(jié)果表明，其強度較低，不滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值?；诖耍鑼ζ浞€(wěn)定性和強度給予高度重視。

（3）炭質(zhì)泥巖的無側(cè)限抗壓強度經(jīng)水泥改良后顯著增強，滿足強度標(biāo)準(zhǔn)，4%的水泥摻量可使路基現(xiàn)場的回彈模量實測值達(dá)到要求。從經(jīng)濟性角度出發(fā)，4%可作為炭質(zhì)泥巖改良時的最佳水泥用量。