硼灰土應(yīng)用于道路底基層的力學(xué)強度試驗分析

王 穎，馬紅全，陳鐵林

（1.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江公路工程質(zhì)量監(jiān)理咨詢公司，黑龍江 哈爾濱 150008）

硼灰，是利用硼鎂礦生產(chǎn)硼砂后排出的廢料。據(jù)統(tǒng)計生產(chǎn)1t的硼砂會產(chǎn)生3～4t的硼灰，硼灰堿性極強，其排放之處，寸草不生，大片農(nóng)田受到污染，使得生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。工業(yè)廢料硼灰主要應(yīng)用于鎂化工產(chǎn)品、農(nóng)業(yè)用肥料和除草劑，還被用做污水處理和煉鋼用添加劑等。

為了保護環(huán)境，降低環(huán)境污染，也為了使廢物資源得到合理有效利用，嘗試把硼灰材料和粉煤灰材料做對比，測定二者的相似性及差異性，然后運用到道路結(jié)構(gòu)中，作為一種新型的道路底基層結(jié)構(gòu)材料。對降低公路工程造價和促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展都具有重要的意義。

1 試驗方法和力學(xué)指標(biāo)

無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)特性包括應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系、疲勞特性、收縮特性。在車輪荷載的反復(fù)作用下，道路底基層結(jié)構(gòu)既不會產(chǎn)生大量的殘余變形，也不會發(fā)生剪切破壞或疲勞彎拉破壞現(xiàn)象。因此，為了達到這一目的，道路底基層結(jié)構(gòu)不僅要有一定的厚度要求，而且組成結(jié)構(gòu)層本身的材料強度也很關(guān)鍵。

硼灰通過加入固體固化劑可以改善其水穩(wěn)性差的缺點，但是長期以來，石灰穩(wěn)定類材料作為道路的基層和底基層結(jié)構(gòu)一直處于主導(dǎo)地位，發(fā)揮著重要作用，不僅由于其來源廣、施工方式簡單，而且石灰穩(wěn)定土具有較高的抗壓強度和抗彎強度。考慮到石灰土的成熟施工技術(shù)，本次試驗研究了在硼灰穩(wěn)定土中加入石灰，目的是為了更好的提高硼灰水穩(wěn)性，因此，本論文把硼灰穩(wěn)定土和石灰穩(wěn)定硼灰土做了對比試驗，重點觀察二者的力學(xué)性能指標(biāo)。

1.1 硼灰穩(wěn)定土和石灰穩(wěn)定硼灰土的應(yīng)力——應(yīng)變特性

道路底基層材料的應(yīng)力——應(yīng)變特性試驗方法有粘貼法、頂面法、夾具法和承載板法等。試件形狀有圓柱體和梁式，試驗內(nèi)容有抗壓強度及抗壓回彈模量、劈裂強度及劈裂模量、抗彎拉強度和抗彎拉模量。本試驗研究對二者的應(yīng)力—應(yīng)變特性分別做了力學(xué)指標(biāo)對比。

根據(jù)JTJ E51－2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，在無側(cè)限抗壓強度試驗中將材料制成尺寸為50mm×50mm 的圓柱體試件，分別養(yǎng)生7d、28d、60d和90d，然后，檢測其無側(cè)限抗壓強度。雖然純粹的硼灰穩(wěn)定土中加入了固化劑，但其水穩(wěn)性仍然很差，因此，養(yǎng)生期間沒有將其浸泡在水中，而是直接測定其無側(cè)限抗壓強度。在測定回彈模量值時，主要采用了承載板法，制成尺寸為100mm×100mm 的圓柱體試件，試驗中應(yīng)注意使頂板與試件間有足夠的接觸面積，通常采用細(xì)砂抹平試件頂面。對于浸水（此時硼灰穩(wěn)定土試件不浸水）后的試件，如果表面的自由水較多，應(yīng)用軟布拭去。劈裂強度試驗采用徑向劈裂法測試，試件尺寸、每組試件個數(shù)、養(yǎng)生齡期均與抗壓強度方法一致。在劈裂強度試驗前，也要浸水一晝夜（硼灰穩(wěn)定土試件不浸水）進行劈裂試驗。在抗彎拉強度試驗中，采用小梁試件，每組3個試件，試件均在最佳含水量、最大干密度下靜壓成型。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 硼灰穩(wěn)定土與石灰穩(wěn)定硼灰力學(xué)指標(biāo)

由表1可以看出硼灰穩(wěn)定土和石灰穩(wěn)定硼灰都具有較高的抗壓強度。在《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中對石灰穩(wěn)定類材料的7d無側(cè)限抗壓強度在底基層（輕交通）中要求達到0.7 MPa以上，因此，就抗壓強度而言，石灰穩(wěn)定硼灰可以運用于道路底基層。二者的抗壓回彈模量隨著養(yǎng)生時間的增長，其回彈模量逐漸增大，而硼灰穩(wěn)定土的回彈模量在養(yǎng)生初期增加比較明顯，常用于道路底基層二灰土和石灰土，抗壓模量分別為600～900MPa和400～700 MPa，試驗表明，就抗壓回彈模量而言，硼灰穩(wěn)定土與石灰穩(wěn)定硼灰完全可以運用于道路底基層。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，石灰穩(wěn)定硼灰的7d劈裂強度明顯高于不浸水硼灰土的7d劈裂強度，并且二者的劈裂強度值均隨著養(yǎng)生時間的增長而增大。從表1中還可以看出石灰穩(wěn)定硼灰土和固化劑硼灰穩(wěn)定土的彎拉強度也在隨著養(yǎng)生時間的增長而提高，但從試驗數(shù)據(jù)來看，固化劑硼灰穩(wěn)定土的彎拉強度更低一些，而石灰穩(wěn)定硼灰具有較強的彎拉強度，7d就可達到0.44MPa，到90d時彎拉強度可以高達1.07MPa，說明摻加石灰之后的硼灰穩(wěn)定土在道路底基層中具有優(yōu)勢。

1.2 石灰穩(wěn)定硼灰與硼灰穩(wěn)定土的干縮性能

路面開裂的原因很多，裂縫的形式也有很多種，但其中由于半剛性基層材料的干縮而造成路面的開裂是形成面層反射裂縫的主要原因。干縮變形的測試中采用小梁試件，試驗中制作了6組，每組分別制作了3個小梁，到預(yù)訂齡期后分別測試干縮開裂指標(biāo)和內(nèi)含水量的損失。試驗時每個試件均在最佳含水量、最大干密度下靜壓成型，結(jié)果如表2所示。

表2 石灰穩(wěn)定硼灰和硼灰穩(wěn)定土的干縮抗裂性

從表2可以看出硼灰結(jié)合料具有較強的抗干縮開裂性，雖然石灰穩(wěn)定土有較強的抗彎拉強度，但其干縮系數(shù)也比較大。隨著養(yǎng)生時間的增長，石灰穩(wěn)定硼灰抗彎拉強度和剛度都有所提高，而干縮系數(shù)在降低，開裂指標(biāo)也隨之減小，說明隨著養(yǎng)生時間的增長，其抵抗干縮開裂性能有所增強。相比之下，硼灰穩(wěn)定土雖然隨著養(yǎng)生時間的增長干縮系數(shù)在降低，但由于其抗彎拉強度較低，養(yǎng)生期60d時干縮開裂指標(biāo)達到了0.98，充分說明其抵抗干縮開裂性能有所降低。

2 結(jié)論

硼灰作為結(jié)合料，其應(yīng)用于底基層結(jié)構(gòu)中的強度很高，但水對強度的增長有很大影響，尤其表現(xiàn)在對硼灰穩(wěn)定土的強度影響上。因此，倘若在干燥地區(qū)，可以考慮將硼灰穩(wěn)定土應(yīng)用于道路底基層。綜上所述，在低等級道路底基層結(jié)構(gòu)中，由于石灰穩(wěn)定硼灰土的抗壓強度、回彈模量均很高，其他力學(xué)指標(biāo)也能達到底基層技術(shù)要求，所以，在硼灰資源豐富的東北地區(qū)可以因地制宜地將石灰穩(wěn)定硼灰運用于道路底基層結(jié)構(gòu)中。

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