石灰處治炭質(zhì)泥巖路用性能研究

魏 密，李雪芹，余承喜

(1.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

炭質(zhì)泥巖于我國廣西及西南山區(qū)等地廣泛分布，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]，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，施工成本大幅增加[2]。而隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，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。隨之而來的是，施工及服役期內(nèi)炭質(zhì)泥巖的工程表現(xiàn)已被相關(guān)研究人員持續(xù)關(guān)注。

近年來，已有學者意識到炭質(zhì)泥巖的特殊性能并針對沉降變形及邊坡失穩(wěn)等常見問題進行探索。鄧輝等[3]通過室內(nèi)試驗對炭質(zhì)泥巖填料的路用性能進行考察，綜合考慮多項指標后指出炭質(zhì)泥巖僅適用于93區(qū)及以下位置的路基填筑。馬慧君等[4]以廣西境內(nèi)的廢棄炭質(zhì)泥巖為研究對象，建立了四參數(shù)多元回歸模型對其沉降特性進行預估分析，并借助實測數(shù)據(jù)驗證了模型的合理性。莫凱等[5]以實際工程為依托，借助數(shù)值計算軟件，分析了半正弦荷載下不同工況對應(yīng)的炭質(zhì)泥巖路堤動力變形響應(yīng)。葉朝良等[6]進行的系統(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)嚴格防控填料浸水軟化以避免工后及運營期沉降過大而危害行車安全。班鷹[7]深入分析了實際工程中炭質(zhì)泥巖邊坡滑塌的本質(zhì)原因并提出了保障工程安全的施工要點。劉新喜等[8]基于蠕變本構(gòu)模型，討論了考慮炭質(zhì)泥巖的蠕變特性對其邊坡安全系數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)若考慮蠕變特性，邊坡位移量較不考慮蠕變特性有明顯增大而安全系數(shù)則降低約20%，可見在分析炭質(zhì)泥巖邊坡穩(wěn)定性時應(yīng)重點關(guān)注其蠕變特性。

綜上所述，已有成果多關(guān)注于炭質(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，但關(guān)于化學處治炭質(zhì)泥巖路用性能的研究卻鮮見報導?；诖?，本文對炭質(zhì)泥巖路基填料進行石灰處治，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)分析

1.1 基本物理性能

本文所用炭質(zhì)泥巖取自廣西壯族自治區(qū)，依照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2017)中所要求的測定方法，對其進行室內(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=3.7<5且曲率系數(shù)Cc=0.9<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)果列于表1。

圖1 炭質(zhì)泥巖顆粒級配曲線圖

表1 基本物理性能測試結(jié)果統(tǒng)計表

隨后，對炭質(zhì)泥巖試樣開展X射線分析以探究礦物成分對其路用性能的影響。由表2結(jié)果可知，該試樣中長石含量達16.21%，復雜環(huán)境條件及降雨入滲等因素共同作用導致長石變?yōu)槊擅撌扔H水物質(zhì)，比表面積增大且顆粒間結(jié)合水膜變厚，進一步削弱了顆粒間的連接力，進而易出現(xiàn)崩解現(xiàn)象。

表2 炭質(zhì)泥巖成分分析表

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，試驗方法參考已有文獻[9]，結(jié)果如圖2所示。分析可知，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6次循環(huán)后崩解趨于穩(wěn)定，造成的質(zhì)量損失率約為10.3%。

圖2 炭質(zhì)泥巖崩解試驗結(jié)果曲線圖

從表3不難看出，炭質(zhì)泥巖的單軸抗壓強度隨其濕度水平的增加而明顯降低。綜合圖2所示崩解性試驗結(jié)果，可知當所處環(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，導致強度驟減而引發(fā)路基災變。

表3 炭質(zhì)泥巖單軸抗壓強度數(shù)值表

1.3 CBR與膨脹率試驗

CBR值可反映填料強度，故對本研究炭質(zhì)泥巖進行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0.91%，不及《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTGD30-2015)中以40%作為界限值的判斷依據(jù)。此外，CBR值為7.35%，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)泥巖路基填料需改良處治以提高路用性能。

2 石灰處治炭質(zhì)泥巖路用性能

2.1 擊實試驗

對不良填料進行化學處治時，添加石灰的方法因取材容易而被廣泛采用。參考已有文獻關(guān)于改良土石灰摻量的相關(guān)說明[10]，分別對天然炭質(zhì)泥巖加入4%、6%、8%及10%的生石灰(含70%氧化鈣)。隨后，對石灰處治填料進行重型擊實，試驗結(jié)果匯總于表4。

表4 石灰處治炭質(zhì)泥巖擊實結(jié)果表

觀察表4，發(fā)現(xiàn)石灰的加入提高了炭質(zhì)泥巖的最佳含水率，降低了炭質(zhì)泥巖最大干密度?？赡艿脑蚴巧抑泻械难趸}等礦質(zhì)與炭質(zhì)泥巖內(nèi)部的水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化鈣等化合物，且反應(yīng)過程中持續(xù)放熱消減了泥巖水分，導致最佳含水率有所升高。同時，反應(yīng)過程中帶來的氫氧化鈣與炭質(zhì)泥巖中的石英等硅酸鹽物質(zhì)反應(yīng)生成硅酸鈣等膠體繼而與其他顆粒出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，使得炭質(zhì)泥巖密實效果降低，干密度出現(xiàn)衰減。

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

根據(jù)表4給出的各石灰摻量對應(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7 d，隨后測定無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 炭質(zhì)泥巖7 d無側(cè)限抗壓強度曲線圖

圖3表明，7 d無側(cè)限抗壓強度隨石灰摻量的增多而持續(xù)變大，且當石灰摻量為8%時其值超過0.8 MPa。這是因為石灰水化所得的水化物不但與石灰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，通常采取0.8 MPa作為路床填料的強度控制指標[6]，因此，全面考慮上述試驗結(jié)果以及經(jīng)濟成本，認為8%可作為改良炭質(zhì)泥巖的最佳石灰摻量。

2.3 改良效果驗證

采用體現(xiàn)路基抗變形性質(zhì)的指標即回彈模量，以檢測石灰處治炭質(zhì)泥巖的實用效果。將添加8%石灰的炭質(zhì)泥巖按要求在路基現(xiàn)場填筑試驗段。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30 cm。分析表5中現(xiàn)場實測結(jié)果，12個測點的回彈模量值最低為60.7 MPa，平均值為79.2 MPa。根據(jù)現(xiàn)行的2017版瀝青路面設(shè)計規(guī)范要求，路基頂面回彈模量≥50 MPa，因此，摻入8%石灰的炭質(zhì)泥巖滿足路基填筑要求，路用性能較好。

表5 路基現(xiàn)場回彈模量實測結(jié)果表(MPa)

3 結(jié)語

本研究通過對炭質(zhì)泥巖的基本物理性能、崩解情況、抗壓強度及CBR等指標進行室內(nèi)試驗，得到如下關(guān)于其路用性能的主要結(jié)論：

(1)炭質(zhì)泥巖內(nèi)部因石英與長石含量較高，外界環(huán)境下長期風化作用使得其逐漸產(chǎn)生蒙脫石等親水物質(zhì)并持續(xù)積累，導致干濕循環(huán)下炭質(zhì)泥巖發(fā)生崩解，且此過程帶來的崩解損失約為總質(zhì)量的10.3%。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?，需對其穩(wěn)定性和強度給予高度重視。

(3)經(jīng)石灰處治后炭質(zhì)泥巖的無側(cè)限抗壓強度與最佳含水率有所提高，最大干密度出現(xiàn)降低。同時，以滿足強度為標準，發(fā)現(xiàn)8%的石灰摻量可使路基現(xiàn)場的回彈模量實測值達到要求。進而，從經(jīng)濟性角度出發(fā)，8%可作為炭質(zhì)泥巖改良時的最佳石灰用量。