西非塞內(nèi)加爾紅土粒料的承載特性研究

孟會(huì)林， 金海兵， 劉雄偉， 謝國瑞

(1.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 河北 石家莊 050091； 2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備行業(yè)研發(fā)中心；3.中國路橋工程有限責(zé)任公司；4.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)創(chuàng)新中心；5.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院)

1 前言

紅土粒料是非洲地區(qū)廣泛存在的一種天然筑路材料，已有資料普遍認(rèn)為其是在非洲特殊的旱濕兩季循環(huán)交替的氣候條件下形成的，與弱酸性雨水的下滲、粒料原巖中不溶性鐵、鋁、硅等氧化物的膠結(jié)、復(fù)合、脫水等過程相關(guān)。顏色有紅褐色、黑褐色、土黃色等多種類別，但一般均由圓球狀的鐵質(zhì)鋁硅結(jié)合物、破碎微孔塊石及碎屑和粉質(zhì)黏性土組成。

非洲地區(qū)公路工程設(shè)計(jì)施工中，紅土粒料主要用在墊層與底基層結(jié)構(gòu)，經(jīng)水泥或石灰處治后也用于基層結(jié)構(gòu)。張瑞菊等研究認(rèn)為天然紅土粒料的CBR值普遍偏低，通常為30%～70%，經(jīng)水泥或石灰處治后紅土粒料的CBR值可達(dá)到150%以上；紀(jì)更占等對(duì)西非馬里地區(qū)紅土粒料的基本物理性能、礦物質(zhì)組成及路用性能進(jìn)行了全面分析，認(rèn)為在96%壓實(shí)度前提下，紅土粒料飽水4 d的CBR接近80%，回彈模量變化范圍為190～300 MPa，可滿足西非地區(qū)路面底基層的使用要求。

紅土粒料的組成復(fù)雜、種類較多，其工程性質(zhì)與組成有很大關(guān)系，特別是受其中的粉質(zhì)黏性土的影響。該文依托塞內(nèi)加爾Thies-Touba高速公路建設(shè)，在塞內(nèi)加爾境內(nèi)西部地區(qū)取得8種不同的紅土粒料土樣，對(duì)其進(jìn)行級(jí)配分析和擊實(shí)試驗(yàn)，并完成不同壓實(shí)度水平下的CBR試驗(yàn)，分析不同紅土粒料的承載特性。對(duì)典型樣品，在承載特性研究之外，還進(jìn)行物理性質(zhì)分析。試驗(yàn)結(jié)果可供塞內(nèi)加爾及其他西非地區(qū)國家的公路建設(shè)提供參考。

2 紅土粒料

2.1 形貌特征

該文所獲取的8種紅土粒料基本信息如表1所示。采用水洗法觀察不同紅土粒料的組成及其中粒料的具體形貌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，絕大部分紅土粒料中均不含砂，由粒料及其碎屑和粉土組成，其中TT-1、TT-4及TT-5共3種紅土粒料的組成及形貌比較接近，粒料強(qiáng)度相對(duì)較高；TT-2及TS-1紅土粒料中的粒料均為輕質(zhì)、吸水性較強(qiáng)的材料；TT-3紅土粒料中所含粒料為強(qiáng)度較低的多孔材料，孔內(nèi)充滿粉性黏土。而TT-6與MK-1紅土粒料外觀形貌及組成均接近，與其他6種具有顯著不同，由高強(qiáng)度粒料、白砂及黏性較大的粉料組成。各種紅土粒料的顏色與其中所含粉土的顏色密切相關(guān)。圖1、2分別為代表性TT-1、TT-6兩種紅土粒料水洗后的外觀狀態(tài)。

圖2 TT-6紅土粒料外觀

2.2 級(jí)配組成

曹長偉等對(duì)馬里境內(nèi)BAMAKO-SEGOU公路沿線的不同紅土粒料進(jìn)行了級(jí)配特征分析，結(jié)果表明：紅土粒料的天然級(jí)配較差，中間粒徑普遍缺失，細(xì)粒土含量普遍較大。圖3為8種紅土粒料級(jí)配曲線。從圖3可見：所取8種紅土粒料的粒徑均在50 mm以下，0.08 mm篩孔的通過率為12%～35%，按照NF P11-300標(biāo)準(zhǔn)中的粒徑分類均屬B級(jí)礫質(zhì)土壤。級(jí)配組成方面：天然紅土粒料的級(jí)配整體較差，主要表現(xiàn)為粒徑分布不均勻；細(xì)粒土含量普遍較高且個(gè)別存在斷檔的情況(如TT-6與MK-1樣品)；多數(shù)樣品中粗粒料含量少，如TT-1、TT-3、TT-5、TT-6及TS-15幾種紅土粒料>16 mm粒料的含量不到10%。因此，天然紅土粒料用于基層時(shí)必須進(jìn)行處理。

圖3 紅土粒料級(jí)配曲線

圖4為8種紅土粒料不同篩孔通過率的變異系數(shù)范圍，整體上4.0 mm及以下篩孔通過率變異系數(shù)較大，該粒徑范圍內(nèi)TT-6樣品的變異系數(shù)最大， MK-1樣品的變異系數(shù)最小；10.0 mm以上篩孔通過率的變異系數(shù)較小，均不足10%，其中TT-4樣品的變異系數(shù)最大，TT-3樣品變異系數(shù)最小。

圖4 各篩孔通過率變異區(qū)間

3 擊實(shí)特性

按照法國NF P94-093標(biāo)準(zhǔn)對(duì)8種紅土粒料進(jìn)行兩平行擊實(shí)試驗(yàn)，采用直徑150 mm的大筒，粒料分5層擊實(shí)，每層擊實(shí)56次，擊實(shí)錘的質(zhì)量為4 535 g，落距為457 mm，擊實(shí)功約為2 678.7 kJ/m3，與中國T0131方法中的重型擊實(shí)基本一致。兩平行的控制標(biāo)準(zhǔn)為最大干密度平行偏差不大于0.02 g/cm3，最佳含水率平行偏差不大于0.5%。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 紅土粒料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：

(1) 8種紅土粒料的最大干密度差異明顯，主要表現(xiàn)在TT-2紅土粒料最大干密度明顯偏小，而TT-5、TT-6及MK-1紅土粒料的最大干密度明顯偏大，其他4種紅土粒料的最大干密度相差不大。

(2) 8種紅土粒料之間存在較大差異，其中，TT-2與TS-1紅土粒料的最佳含水率明顯偏大，這與其含吸水性較強(qiáng)的輕質(zhì)石料有關(guān)；TT-6與MK-1紅土粒料的最佳含水率明顯偏小，這與其含有黏性較大的粉料及其粒料表面致密光滑且吸水性差有關(guān)；其他4種紅土粒料的最佳含水率均為11%左右。顯然，最佳含水率的差異與0.08 mm篩孔以下粉土的含量及性質(zhì)有關(guān)。

擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果充分說明所取的8種紅土粒料的組成成分存在差異，且擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果與形貌分析及篩分結(jié)果在反映材料差異性方面具有一致性。

4 承載特性

4.1 紅土粒料的膨脹性

已有研究認(rèn)為，非洲天然紅土粒料浸水后變形量相對(duì)較低，最小值僅0.3，最大值一般不超過1，因此整體水穩(wěn)定性能較好，甚至馬里巴杜谷-圖科多-巴弗拉貝公路工程項(xiàng)目試驗(yàn)表明紅土粒料的線膨脹率為0。對(duì)于上述8種紅土粒料，CBR試驗(yàn)浸水過程中試件的膨脹量均非常小，最大為TS-1紅砂土，膨脹量為71(0.01 mm)，線膨脹率為0.6%。但考慮到CBR制件前紅土粒料已在試驗(yàn)含水率下放置較長時(shí)間(24 h)，在此過程中膨脹可能已經(jīng)完成，從而導(dǎo)致浸水過程中膨脹量較小。為驗(yàn)證這一猜測，采用儲(chǔ)量豐富的TT-4紅土粒料進(jìn)行膨脹量及回縮量的觀測試驗(yàn)。

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段將紅土粒料自然風(fēng)干，并篩除40 mm以上粒料，不測風(fēng)干后的含水，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接加水10%拌勻后進(jìn)行擊實(shí)，成型后連同試模迅速浸水，架設(shè)百分表觀測膨脹量；浸水總時(shí)間為48 h后膨脹量基本穩(wěn)定，取出試件，測吸水量，然后連同試模放入60 ℃烘箱中烘干，觀測失水過程中是否存在回縮及回縮量。

浸水總時(shí)間為48 h，浸水結(jié)束后紅土粒料的含水率較試驗(yàn)含水率進(jìn)一步提高約4.4%，烘干144 h，烘干后紅土粒料的含水率較試驗(yàn)含水率平均降低約1.6%，浸水及烘干過程中試件總的含水率變化約為6.0%，變形率見圖5。

圖5 紅土粒料的浸水與失水變形率

由圖5可見：紅土粒料在浸水初期12 h內(nèi)迅速吸水膨脹，膨脹率可達(dá)到2.0%以上，12 h后逐漸飽水，膨脹率趨于穩(wěn)定。而烘干失水48 h內(nèi)回縮不明顯，回縮率不足0.2%，48～96 h內(nèi)出現(xiàn)明顯回縮，總回縮率可達(dá)1.0%以上，此期間的回縮量占總回縮量的80%以上，96 h后回縮率趨于穩(wěn)定。浸水與烘干失水過程中總的變形率差值在1.0%以上。

綜合分析，塞內(nèi)加爾地區(qū)的紅土粒料具有一定膨脹特性，因此，作為墊層、底基層施工完成后應(yīng)及時(shí)覆蓋，以保持結(jié)構(gòu)層含水率基本穩(wěn)定，避免出現(xiàn)因失水導(dǎo)致的縮裂，雨季施工更應(yīng)注意這一點(diǎn)。

4.2 CBR試驗(yàn)

按照確定的最大干密度及最佳含水率，采用靜壓成型的方法制備圓柱體試件，進(jìn)行CBR試驗(yàn)，分析不同紅土粒料的承載特性，每種材料均對(duì)比100%、95%及90%共3個(gè)壓實(shí)度水平，試件制備完成浸水4 d后進(jìn)行貫入試驗(yàn)。

表3為不同紅土粒料在不同壓實(shí)度水平下的CBR試驗(yàn)結(jié)果，圖6為不同紅土粒料CBR值隨壓實(shí)度的變化曲線對(duì)比。

表3 不同壓實(shí)度水平時(shí)紅土粒料的CBR值

圖6 紅土粒料CBR值隨壓實(shí)度的變化曲線

從表3、圖6可見：

(1) 不同紅土粒料之間的CBR值差異非常顯著，甚至達(dá)到數(shù)倍以上，95%壓實(shí)度時(shí)，TT-2～TT-5紅土粒料的CBR明顯高于另外4種材料，均可達(dá)到80%以上。

(2) TT-6與MK-1紅土粒料的表現(xiàn)依然非常特殊，兩者CBR值在同一水平，均顯著低于其他對(duì)比材料，100%壓實(shí)度時(shí)其CBR值仍不足40%，僅為TT編號(hào)其他紅土粒料的1/4～1/6，顯然這一結(jié)果與其含有黏性粉料及級(jí)配間斷有關(guān)。

(3) 從CBR隨壓實(shí)度的變化曲線斜率看，除TT-1、TT-2與TT-3外，其他5種紅土粒料的CBR與壓實(shí)度之間均有較好的線性相關(guān)性。TT-1與TT-3紅土粒料的CBR受壓實(shí)度影響最顯著，而TT-6與MK-1的CBR受壓實(shí)度影響最不明顯。

CBR試驗(yàn)結(jié)果表明：不同紅土粒料的承載能力差異顯著，大部分紅土粒料95%壓實(shí)度時(shí)的CBR均不小于40%，滿足非洲地區(qū)天然紅土粒料用于路面底基層的技術(shù)要求，但少部分天然紅土粒料承載能力較差，僅能用于墊層。此外，部分紅土粒料的承載能力受壓實(shí)度影響顯著，作為底基層鋪筑材料時(shí)，建議采取必要保證措施，確保壓實(shí)度不低于95%。

5 結(jié)論

(1) 西非塞內(nèi)加爾紅土粒料種類多樣，形貌、礦質(zhì)成分及粒徑組成差異明顯，僅從篩分結(jié)果分析，所取各種紅土粒料按照NF P11-300標(biāo)準(zhǔn)的粒徑分類方法均屬于B級(jí)礫質(zhì)土壤。

(2) 紅土粒料中粒料及粉料的性質(zhì)是影響其擊實(shí)試驗(yàn)特性的關(guān)鍵因素，成分基本相同時(shí)，最佳含水率與0.08 mm篩孔以下的粉料含量對(duì)擊實(shí)特性產(chǎn)生重要影響。

(3) 紅土粒料中粒料的級(jí)配組成及粉料的性質(zhì)對(duì)承載特性具有顯著影響，天然級(jí)配相對(duì)連續(xù)、粉料黏性較差的紅土粒料具有相對(duì)更好的工程應(yīng)用性質(zhì)。

(4) 塞內(nèi)加爾部分種類紅土粒料具有一定的吸水膨脹性，浸水12 h內(nèi)膨脹基本穩(wěn)定，膨脹率可達(dá)2.0%以上，失水48～96 h內(nèi)出現(xiàn)明顯回縮，回縮率可達(dá)1.0%以上，96 h后回縮基本穩(wěn)定。

(5) 塞內(nèi)加爾大部分紅土粒料95%壓實(shí)度的CBR不低于40%，可用于底基層，但部分紅土粒料的CBR受壓實(shí)度影響顯著，作為底基層鋪筑材料時(shí)，壓實(shí)度應(yīng)保證不低于95%，或采取必要的改良措施。