非洲天然紅土粒料改良與施工研究

李善超，梁羽平，蔣云輝

(江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司，鎮(zhèn)江 212133)

紅土粒料是一種由粘性土和不同粒徑的碎礫石組成的混合料，主要分布于非洲熱帶或亞熱帶地區(qū)。經(jīng)過眾多研究者的研究表明[1]，紅土粒料是在特殊的旱濕兩季循環(huán)交替的氣候條件下形成的，通過弱酸雨水的淋溶，母巖中的易溶物質(zhì)被分解帶走，留下不溶性的鐵鋁硅等金屬氧化物，然后在干旱氣候的蒸騰作用和毛細(xì)水上升作用下，不溶物通過不斷膠結(jié)、復(fù)合、脫水等作用形成粒徑大小不一的碎礫石，而母巖逐漸演變成粘性土。

天然紅土粒料是一種特殊的道路填筑材料，由于其儲量豐富、開采方便且價格低廉，被廣泛用于道路工程中。另由于當(dāng)?shù)氐乃槭Y源有限，且開采成本較高，作為當(dāng)?shù)胤植甲顝V泛的紅土粒料也成為道路填筑材料的優(yōu)先選擇。但由于不同國家及地區(qū)的紅土粒料性能差異較大，從級配組成、塑性指數(shù)到CBR強度都有明顯的地域性,因此在實際使用過程中需對紅土粒料進(jìn)行鑒定，必要時需對不滿足要求的紅土粒料進(jìn)行改良使用。

本文以喀麥隆昆巴-芒非(NFAITOCK-BACHUO AKAGBE段)道路工程紅土粒料為研究對象，通過沿線天然紅土粒料的級配特征、液塑限和CBR等指標(biāo)檢測分析，鑒定了天然紅土粒料的性能，提出了采用級配碎石改良方案，同時總結(jié)出了合理的路拌碾壓施工工藝，為非洲類似工程提供了參考。

1 工程概況

喀麥隆昆巴-芒非(NFAITOCK-BACHUO AKAGBE段)道路工程項目為喀麥隆公共工程部為改善西南省8號國道昆巴-芒非段現(xiàn)有道路狀況而招標(biāo)新建，線路長44.854 km。該項目道路設(shè)計等級T3，結(jié)構(gòu)層形式為：5 cm瀝青面層+20 cm級配碎石基層+30 cm紅土粒料底基層+路基(S3)；路面形式為2×3.5 m瀝青混凝土路面+2×1.5 m雙表處路肩，總寬10 m。該工程位于喀麥隆西南省，地處南部丘陵地帶，屬熱帶雨林氣候。線路從喀麥隆沿海森林平原過渡到西部山區(qū)，年降雨量達(dá)3 000多毫米。

2 天然紅土粒料特性

2.1 級配分析

通過對該項目沿線三處代表性的紅土粒料取土場(PK109+500、PK121+300、PK123+300)取樣并進(jìn)行篩分檢測，得到天然紅土粒料級配數(shù)據(jù)表(表1)和級配曲線(圖1中實測值曲線)。

表1 天然紅土粒料級配數(shù)據(jù)表

圖1 天然紅土粒料級配曲線

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，一般作為路面墊層、底基層填料的天然紅土粒料的最大粒徑通常為20～40 mm，0.075 mm 篩孔通過率10%～30%，0.5 mm篩孔通過率15%～40%，2.36 mm篩孔通過率20%～65%，4.75 mm篩孔通過率35%～75%，圖1中上限值曲線和下限值曲線之間范圍，即為合格路面墊層、底基層填料的天然紅土粒料級配曲線范圍。

從圖1中可以看出，該項目天然紅土粒料各篩孔通過率實測值曲線偏離于上限值曲線，說明其天然紅土粒料的中值及以上粒徑缺失較多，細(xì)集料含量偏高，天然紅土粒料級配差，不宜直接作為路面墊層、底基層填料。

2.2 物理性能分析

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)標(biāo)準(zhǔn)，對該項目沿線三處代表性取土場的天然紅土粒料物理性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表2。

通過表2數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，沿線天然紅土粒料的最大干密度、液限、CBR值等指標(biāo)不滿足本項目CCTP技術(shù)要求。

表2 天然紅土粒料檢測結(jié)果表

注：CCTP為該項目專用技術(shù)規(guī)范的簡稱

綜上所述，通過分析鑒定天然紅土粒料的級配組成、最大干密度、液限、CBR值等性能指標(biāo)，該項目天然紅土粒料偏向于黏性紅土，不宜直接用于路面底基層填料，需對天然紅土粒料進(jìn)行改良。

3 紅土粒料改良方法

結(jié)合國內(nèi)外同類工程經(jīng)驗[3-4]，擬定兩種紅土粒料改良方法：一是摻加固化劑(石灰、水泥等)，改善土質(zhì)性能，提高紅土粒料的強度和CBR值；二是摻拌級配碎石，改變天然紅土粒料的級配，使之達(dá)到合格紅土粒料的性能指標(biāo)。

因喀麥隆國內(nèi)石灰和水泥產(chǎn)量很少，價格昂貴，若采用石灰或水泥作為固化劑，其供應(yīng)難以保證，成本較高。通過費用和施工對比，確定采用摻拌級配碎石的方式進(jìn)行改良。

3.1 改良設(shè)計步驟

(1) 根據(jù)項目實際情況，級配碎石選用路面基層同類材料，即0/25級配碎石。

(2) 分別對項目沿線三處取土坑紅土粒料進(jìn)行摻拌試驗，級配碎石摻拌比例分別為20%、25%、30%、35%、40%五種。

(3) 試驗確定各種摻拌混合料的最佳含水量和最大干密度，液限和塑性指數(shù)，膨脹率和CBR值，見表3。

(4) 根據(jù)混合料試驗結(jié)果和項目CCTP技術(shù)要求，選擇合適的級配碎石摻配方案。

3.2 級配碎石摻量確定

由表3可知，級配碎石摻拌量30%、35%、40%的三種方案能滿足CCTP規(guī)范(表2中數(shù)據(jù))要求。故選用30%級配碎石摻量的紅土粒料進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

表3 摻拌混合料物理性能試驗結(jié)果匯表

3.3 級配驗證

對三處取土坑30%級配碎石摻量的紅土粒料進(jìn)行篩分通過率檢測，形成篩分通過率表(表4)，級配曲線(圖2)，從圖2可以看出，30%級配碎石摻量的紅土粒料級配滿足路面底基層紅土粒料的級配要求。

表4 30%級配碎石摻量的紅土粒料級配數(shù)據(jù)

圖2 30%級配碎石摻量的紅土粒料級配曲線

3.4 改良方案確定

根據(jù)摻拌試驗結(jié)果分析，30%級配碎石摻配方案能滿足CCTP技術(shù)規(guī)范的要求，其級配亦達(dá)到了路面底基層紅土粒料的要求。通過綜合論證，選用級配碎石摻量30%的配比作為紅土粒料改良方案。

4 紅土粒料改良施工

4.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→攤鋪紅土粒料→攤鋪級配碎石→拌和→整形→碾壓成型。

4.2 施工要點

4.2.1 施工準(zhǔn)備

(1) 路基的平整度、壓實度以及彎沉值應(yīng)滿足項目技術(shù)規(guī)范(CCTP)的要求。

(2) 在路基表面恢復(fù)中線，直線段每15～25 m設(shè)一樁，平曲線段每5～15 m設(shè)一樁，并在兩側(cè)路肩邊緣外設(shè)指示樁。在指示樁上用明顯標(biāo)記標(biāo)出結(jié)構(gòu)層邊緣的設(shè)計標(biāo)高，以便于底基層施工。

4.2.2 攤鋪天然紅土粒料

(1) 根據(jù)底基層寬度、厚度及紅土粒料摻拌比例計算需要天然紅土粒料的數(shù)量。施工中根據(jù)取土場紅土粒料的密度和所用運料車輛的噸位，計算每車料的堆放距離。

(2) 利用平地機(jī)均勻攤鋪天然紅土粒料，跟蹤檢測攤鋪寬度和厚度，符合預(yù)計要求。

(3) 使用振動壓路機(jī)輕振碾壓1～2遍(必要時可用膠輪收光)，使其表面平整并有一定的壓實度，能夠滿足自卸車運輸碎石通行。

4.2.3 攤鋪級配碎石

(1) 級配碎石數(shù)量計算及堆料方式同紅土粒料。

(2) 利用平地機(jī)將級配碎石均勻的攤鋪在預(yù)定的寬度和厚度，表面平整形成路拱。

4.2.4 拌和

(1) 拌和前應(yīng)分別檢測紅土粒料和級配碎石含水量。如含水量不足，可先使用推土機(jī)后斗齒翻耕，犁出縱向滲水帶。再根據(jù)段落計算出需補充水量，用噴管式灑水車補充灑水。含水量宜略大于最佳含水量1%～2%。

(2) 采用穩(wěn)定土拌和機(jī)拌和兩遍以上。拌和深度應(yīng)達(dá)該層底并宜侵入墊層5～10 mm，以利上下層粘結(jié)施工過程中，安排專人跟蹤檢查拌和深度。

(3) 在拌和過程中應(yīng)配合人工揀出超尺寸顆粒，及時清理拌和邊緣堆積碎石，防止粗骨料成“窩”，以及局部潮濕或干燥。

(4) 混合料拌和均勻后應(yīng)色澤一致，無明顯粗細(xì)集料離析現(xiàn)象，且水分合適和均勻。

4.2.5 整形

(1) 混合料拌和均勻后，用平地機(jī)初步整形。在直線段，由兩側(cè)向路中心進(jìn)行刮平；在平曲線段，由內(nèi)側(cè)向外側(cè)進(jìn)行刮平。

(2) 整形后應(yīng)達(dá)到規(guī)定的坡度和路拱。

(3) 在整形過程中，嚴(yán)禁任何車輛通行，并保持無明顯的粗細(xì)集料離析現(xiàn)象，必要時進(jìn)行換填或重新拌和處理。

4.2.6 碾壓成型

(1) 整形后，立即用光輪振動壓路機(jī)或輪胎壓路機(jī)進(jìn)行碾壓。直線和不設(shè)超高的平曲線段，由兩側(cè)路肩向路中心碾壓；在設(shè)超高的平曲線段，由內(nèi)側(cè)路肩向外側(cè)路肩進(jìn)行碾壓，碾壓過程中應(yīng)使各部分碾壓到的次數(shù)盡量相同，直至達(dá)到要求的密實度。

(2) 在碾壓結(jié)束前，用平地機(jī)再終平一次，使其縱向順適，路拱和超高符合設(shè)計要求。終平應(yīng)精細(xì)操作，必須將局部高出部分刮除并掃出路外；對局部低洼之處，不再進(jìn)行找補，可留待級配碎石基層補平。

4.3 施工質(zhì)量評價

改良紅土粒料底基層施工完成后進(jìn)行彎沉值檢測，其檢測結(jié)果見表5。

表5 改良紅土粒料底基層彎沉值檢測表

經(jīng)檢測，全路段底路基彎沉值全部合格，評定值為76.8 mm/100,滿足CCTP底基層彎沉驗收標(biāo)準(zhǔn)≤100 mm/100的要求。

5 結(jié)論

(1) 由于非洲地區(qū)的天然紅土粒料性能差異很大，不能照搬歐洲等國家的碎石基層標(biāo)準(zhǔn)或國內(nèi)類似標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)重視項目所在地的天然紅土粒料的級配、CBR值研究，保證紅土粒料的路用性能。

(2) 采用摻拌級配碎石紅土粒料改良方案之所以奏效，主要原因是改善了紅土粒料顆粒級配，減弱了填料的親水性，形成了合理的骨架結(jié)構(gòu)，增加了紅土粒料的強度，提高了填料的CBR值。

(3) 摻拌級配碎石紅土粒料改良施工工藝簡單、穩(wěn)定、快速，施工質(zhì)量可靠，具有可復(fù)制性。為非洲部分地區(qū)改善紅土粒料路用性能，提供了一種新的方法,為非洲類似工程施工提供了參考。