土凝巖穩(wěn)定沿黃地區(qū)路基粉砂土應(yīng)用研究

常燦華,殷衛(wèi)永,褚付克,袁征,尚康寧

摘 要：為研究土凝巖在道路工程中應(yīng)用可行性，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、鋪筑試驗(yàn)段及工后檢測(cè)，分析了土凝巖穩(wěn)定粉砂土的路用性能。結(jié)果表明：在摻量為3%～6%范圍內(nèi)，隨著土凝巖摻量的提高，土凝巖穩(wěn)定粉砂土的CBR和抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。當(dāng)土凝巖摻量為4%時(shí)，在壓實(shí)度為98%時(shí)，土凝巖穩(wěn)定粉砂土的CBR可達(dá)58.2%，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.59 MPa，性能指標(biāo)優(yōu)于相同摻量的水泥穩(wěn)定粉砂土，說(shuō)明土凝巖穩(wěn)定粉砂土總體路用性能良好，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：道路材料;土凝巖;路用性能;應(yīng)用

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)工業(yè)固體廢棄物堆存總量約758億噸，按照每萬(wàn)噸堆存平均占用0.5畝土地計(jì)算，工業(yè)固體廢棄物堆存占用土地面積達(dá)375萬(wàn)畝。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了大量鋼渣、赤泥、粉煤灰等工業(yè)廢渣并大量堆存，產(chǎn)生了環(huán)境、安全、資源、土地等一系列問(wèn)題，提高大宗工業(yè)固體廢棄物資源化利用水平已成為緩解資源約束、減少?gòu)U棄物排放、減輕環(huán)境污染的必然和有效手段。

土凝巖是以煤矸石、鋼渣、尾礦粉煤灰等固體廢渣為原材料，利用地質(zhì)成巖原理，借助清潔化工藝制備而成水硬性膠凝材料，具有力學(xué)強(qiáng)度高、耐久性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可穩(wěn)定各種類型的細(xì)粒土、砂礫土和碎石等工程材料，適用于公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)和水利等領(lǐng)域[1]。

本文以某國(guó)道鄭州境改建工程為依托工程，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，選取工程中使用的粉砂土為原材料，進(jìn)行土凝巖穩(wěn)定粉砂土室內(nèi)試驗(yàn)及工程應(yīng)用研究。

1 原材料

1.1 粉砂土

粉砂土為某國(guó)道鄭州境改建工程現(xiàn)場(chǎng)取樣。

1.2 土凝巖

土凝巖材料是由粉煤灰、電石渣、鋼渣、煤矸石、鋁土礦等工業(yè)廢料經(jīng)一定工藝制備的新型材料，其主要成分與水泥類似，但各成分含量不同。土凝巖材料的主要化學(xué)成分分析如表1所示。

土凝巖材料根據(jù)被穩(wěn)定材料的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，生產(chǎn)工藝參數(shù)也有所不同，但生產(chǎn)工藝流程均相似。

2 土凝巖穩(wěn)定粉砂土性能

2.1 粉砂土性能

2.1.1 界限含水率測(cè)定

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）中T0115和T0118試驗(yàn)方法，取五組粉砂土樣分別進(jìn)行篩分稱量，測(cè)試各顆粒組含量，同時(shí)測(cè)試各土樣的塑限和液限。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，土樣粒徑級(jí)配不良，1～5號(hào)土樣中小于0.075 mm的顆粒占比均超過(guò)90%。根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于土的工程分類規(guī)定，此五組粉砂土樣均為粉質(zhì)土或黏質(zhì)土。

《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定細(xì)粒土應(yīng)按照如圖1所示塑性圖進(jìn)行分類，土樣1的液限wL為33.8%，小于50%;塑限wP為26.2%，塑性指數(shù)為7.6，當(dāng)液限為33.8%時(shí)，A線Ip=10.074。土樣的塑性指數(shù)位于A線以下，液限位于B線以左，根據(jù)細(xì)粒土塑性圖確定土樣1為低液限粉土（ML）。按照同樣方法計(jì)算可知，2～5號(hào)土樣同樣為低液限粉土。這些土樣水穩(wěn)定性較差，不能固結(jié)，不可直接作為公路路基工程填土。

2.1.2 承載比（CBR）試驗(yàn)

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的試驗(yàn)方法，取土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，從而得出土樣的含水率和干密度數(shù)據(jù)繪制擊實(shí)曲線，如圖2所示。

由圖2可知，擊實(shí)曲線大致為開(kāi)口向下的拋物線，隨含水率的增加，干密度先增大后減小，干密度存在峰值（即最大干密度）。由曲線得試驗(yàn)粉砂土樣的最大干密度為1.723 g/cm3，最佳含水率為11.86%。

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的承載比試驗(yàn)方法，在粉砂土最大干密度和最佳含水率的條件下進(jìn)行不同壓實(shí)度下的承載比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3分析可知，粉砂土的CBR值較低，在3.5左右，低于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）上路床CBR大于8%的要求。

2.2 土凝巖性能

土凝巖作為一種新型膠凝材料，參考水泥質(zhì)量評(píng)價(jià)的技術(shù)指標(biāo)，凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度是影響穩(wěn)定土施工工藝流程和工程質(zhì)量的重要指標(biāo)，其測(cè)試方法參照水泥的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，土凝巖7 d抗壓強(qiáng)度為8.7 MPa，而28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到21.5 MPa。土凝巖由多種工業(yè)廢渣復(fù)合而成，保證各組分比例得當(dāng)，其礦物成分可發(fā)生有效的水化反應(yīng)，表現(xiàn)出明顯的水化活性。此外，由于土凝巖材料凝結(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)，對(duì)土凝巖材料穩(wěn)定土的施工控制有利。

2.3 土凝巖穩(wěn)定粉砂土性能

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，對(duì)不同土凝巖摻量的穩(wěn)定粉砂土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)用水泥穩(wěn)定粉砂土作為對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5所示。

由表5可知，土凝巖材料穩(wěn)定粉砂土的最大干密度和最佳含水量分別約為1.73 g/cm3及12.4%，與水泥穩(wěn)定土的ρdmax值和wop值接近。土凝巖固化粉砂土的CBR值均隨著土凝巖材料摻量的增加而不斷提高，不同壓實(shí)度下CBR值均在30%以上，遠(yuǎn)超《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30-2015）中規(guī)定的上路床CBR大于8%的要求。當(dāng)土凝巖材料摻量增加至4%時(shí)，其在98%壓實(shí)度下的CBR值已超過(guò)水泥穩(wěn)定土試件;隨著土凝巖材料摻量繼續(xù)增加，其固化土試件在不同壓實(shí)度下的CBR值進(jìn)一步增大，比水泥穩(wěn)定土的CBR值高20%～30%左右。

隨著復(fù)合膠凝材料摻量的提高，穩(wěn)定土7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增大;在7 d到28 d齡期階段，土凝巖穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)比水泥穩(wěn)定土明顯，當(dāng)土凝巖摻量增加至4%時(shí)，土凝巖穩(wěn)定粉砂土7 d、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于水泥穩(wěn)定粉砂土。綜合來(lái)看，4%土凝巖穩(wěn)定粉砂土的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于4%水泥穩(wěn)定粉砂土，說(shuō)明土凝巖穩(wěn)定粉砂土具有良好的路用性能，能夠滿足高速公路路基施工技術(shù)要求。

土凝巖較水泥更適宜用于粉砂土的穩(wěn)定處治，這是由于復(fù)合膠凝材料是根據(jù)土的相關(guān)理化性質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性的配方組成設(shè)計(jì)，既能通過(guò)自身的水化反應(yīng)在土壤顆?？障堕g形成強(qiáng)度骨架，也可以通過(guò)土凝巖中的活性成分與土壤產(chǎn)生膠凝效應(yīng)，提高穩(wěn)定土的強(qiáng)度。隨著土凝巖穩(wěn)定土的養(yǎng)護(hù)齡期不斷增加，土凝巖的協(xié)同水化作用不斷增強(qiáng)，從而使得穩(wěn)定土的后期強(qiáng)度隨著穩(wěn)定增長(zhǎng)。

3 土凝巖穩(wěn)定粉砂土工程應(yīng)用

3.1 土凝巖穩(wěn)定粉砂土路用性能影響因素

影響土凝巖穩(wěn)定粉砂土路用性能的因素主要有膠凝材料摻量、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、含水率、壓實(shí)度等。

（1）膠凝材料摻量。對(duì)于同一種原材料，穩(wěn)定土強(qiáng)度隨著膠凝材料摻量的增加而顯著增加，說(shuō)明膠凝材料摻量是影響穩(wěn)定混合料強(qiáng)度最關(guān)鍵的因素。

（2）養(yǎng)護(hù)環(huán)境。養(yǎng)護(hù)環(huán)境主要是指養(yǎng)護(hù)的溫度和濕度。合適的養(yǎng)護(hù)溫度和濕度，有助于加快復(fù)合再生膠凝材料穩(wěn)定材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

（3）含水率。含水率應(yīng)接近最佳含水率，過(guò)大或過(guò)小的含水率都會(huì)影響穩(wěn)定土路基的壓實(shí)效果，從而影響穩(wěn)定土的強(qiáng)度。研究表明，隨含水率的增加，穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在含水率達(dá)到最佳含水率時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值;隨后隨著含水率的繼續(xù)增加而快速減小[3]。在施工過(guò)程中應(yīng)控制好含水量，保證壓實(shí)效果及強(qiáng)度。

（4）壓實(shí)度。根據(jù)前期已有研究成果，復(fù)合再生膠凝穩(wěn)定粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的提高而增加。

3.2 土凝巖穩(wěn)定粉砂土施工工藝

通過(guò)借鑒水泥穩(wěn)定材料的施工工藝，結(jié)合國(guó)內(nèi)已有類似工程應(yīng)用的調(diào)查研究，確定土凝巖穩(wěn)定粉砂土施工工藝如下：在工作區(qū)進(jìn)行布土、粗平、初壓、撒布土凝巖、拌和后，檢查拌和深度、含水率和灰劑量等指標(biāo)，然后進(jìn)行粗平、穩(wěn)壓、精平，最后進(jìn)行碾壓成型，進(jìn)行壓實(shí)度檢查、養(yǎng)生。

施工過(guò)程中，應(yīng)注意天氣和溫度變化，當(dāng)氣溫較高時(shí)，為減少含水率損失，應(yīng)適當(dāng)縮短施工時(shí)間，從開(kāi)始拌和至碾壓結(jié)束的整個(gè)過(guò)程不宜超過(guò)8小時(shí)，最好控制在6小時(shí)之內(nèi)。碾壓工藝為：精平后雙鋼輪壓路機(jī)穩(wěn)壓一遍，再?gòu)?qiáng)振兩遍，然后弱振兩遍，最后靜壓一遍。碾壓完成后，灑適量水（表面濕潤(rùn)即可），立即覆蓋土工布進(jìn)行養(yǎng)生。

3.3 土凝巖穩(wěn)定粉砂土施工質(zhì)量檢測(cè)

本研究在某國(guó)道鄭州境改建工程鋪筑長(zhǎng)260 m下路床試驗(yàn)路段，工后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，CBR達(dá)41.5%（下路床要求≥5%），現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度96.2%（下路床要求≥96%），滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)收要求，工程應(yīng)用效果良好。

4 工程造價(jià)分析

土凝巖材料工程造價(jià)與水泥基本相當(dāng)，由于復(fù)合再生膠凝材料良好的力學(xué)性能，復(fù)合再生膠凝材料摻量可與水泥摻量相當(dāng)或略低于水泥，可進(jìn)一步降低工程造價(jià)。同時(shí)，復(fù)合再生膠凝材料原材料為工業(yè)廢渣，制備工藝簡(jiǎn)單，用復(fù)合再生膠凝材料代替水泥、石灰，可消耗大量固廢資源，產(chǎn)生極大的社會(huì)環(huán)境效益。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)土凝巖穩(wěn)定粉砂土內(nèi)試驗(yàn)及工程應(yīng)用，可得出以下結(jié)論：（1）本項(xiàng)目粉砂土中小于0.075 mm的顆粒占比均在90%以上，結(jié)合界限含水率測(cè)定結(jié)果，按照塑性圖分類為低液限粉土。（2）未處理的粉砂土承載比試驗(yàn)的CBR值約為3.5%，不能直接作為路基填料。（3）土凝巖砂漿的凝結(jié)高于小于P.O 42.5水泥，28 d抗壓強(qiáng)度約為20 MPa，低于P.O 42.5水泥。（4）在摻量為3%～6%范圍內(nèi)，隨著土凝巖摻量的提高，土凝巖穩(wěn)定粉砂土的CBR和抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。當(dāng)土凝巖摻量為4%時(shí)，在壓實(shí)度為98%時(shí)，土凝巖穩(wěn)定粉砂土的CBR可達(dá)58.2%，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.59 MPa，性能指標(biāo)優(yōu)于相同摻量的水泥穩(wěn)定粉砂土。（5）土凝巖穩(wěn)定粉砂土工程應(yīng)用后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，CBR達(dá)41.5%（下路床要求≥5%），現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度96.2%（下路床要求≥96%），滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)收要求，工程應(yīng)用效果良好。（6）土凝巖穩(wěn)定粉砂土總體路用性能良好，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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