水泥改良風(fēng)化千枚巖棄渣作路基填料性能分析

程曉飛 白玉祥 姜大勇 王躍虎

摘要 在廣泛分布千枚巖的山嶺重丘地區(qū)修筑高速公路會(huì)面臨土地資源匱乏、填料運(yùn)進(jìn)困難、棄土占用農(nóng)田等問(wèn)題，為節(jié)約投資，同時(shí)達(dá)到生態(tài)環(huán)保的要求，通常會(huì)選用隧道千枚巖棄渣作路堤填料?；趶?qiáng)風(fēng)化千枚巖原料的礦物分析、液塑限、顆粒分析及CBR試驗(yàn)結(jié)果判定其為不良劣質(zhì)填料，認(rèn)為千枚巖棄渣無(wú)法直接用于填筑施工，需摻入適量水泥以改善其壓實(shí)特性與力學(xué)性能。文章通過(guò)比對(duì)試驗(yàn)，分析了不同摻量對(duì)填料壓實(shí)特性與CBR的改良效果，論證改良填料用于路堤填筑的可行性。研究表明：改良填料的最大干密度隨水泥劑量的增加而增大，最佳含水率逐漸減小;3%、4%摻量的水泥改良效果不佳，5%的水泥摻量條件下改良填料可滿(mǎn)足路堤填筑要求。

關(guān)鍵詞 路基填料;千枚巖棄渣;水泥改良;CBR

中圖分類(lèi)號(hào) U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）02-0165-04

0 引言

隨著高速公路通車(chē)?yán)锍碳捌皆⑶鸬貐^(qū)高速覆蓋率的不斷刷新，新建高速公路已逐步轉(zhuǎn)向山嶺重丘地區(qū)，而山嶺重丘地區(qū)地形地貌極為復(fù)雜，大面積的土地高低參差，縱橫起伏，在此地形條件下修筑高速公路，橋隧結(jié)合是最為理想、可行的方式。以寧石高速為例，項(xiàng)目位處秦巴腹地，山勢(shì)陡峻，全線橋隧比高達(dá)87.24%，伴隨著隧道洞挖與路塹削坡，大量棄渣隨之產(chǎn)生，因棄渣多為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，千枚巖屬典型變質(zhì)軟巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，水理性質(zhì)較差，遇水、風(fēng)化后強(qiáng)度急劇降低[1]，無(wú)法縱向利用實(shí)現(xiàn)移挖作填用于路基填筑，又因沿線土地資源匱乏，可用填料緊缺，棄渣場(chǎng)選址與征地極為困難，加之山區(qū)道路崎嶇，填料運(yùn)進(jìn)困難且成本較高，因此，如何利用千枚巖棄渣用于路基填筑，實(shí)現(xiàn)就地取材、物盡其用成為亟須解決的工程難題。

相較于常規(guī)路基填料，風(fēng)化千枚巖極易受干濕交替與工程擾動(dòng)影響發(fā)生軟化、崩解，其顆粒尺寸受制于碾壓遍數(shù)、風(fēng)化程度、濕度狀態(tài)等因素，致使填筑碾壓前后的級(jí)配變動(dòng)較大。其次，在行車(chē)荷載及地下水遷移的不斷影響下，路基強(qiáng)度與穩(wěn)定性也無(wú)法得到保證[2]。基于風(fēng)化千枚巖較差的工程特性與路用性能，諸多學(xué)者探討了風(fēng)化千枚巖作為路基填料的可行性，羅強(qiáng)[3]等基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)，運(yùn)用換算后的飽和單軸抗壓強(qiáng)度區(qū)分風(fēng)化千枚巖的軟化程度，通過(guò)物理、水理及力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，探討了軟質(zhì)千枚巖用于填料的可行性，得到了鐵路路基各層位千枚巖填料的指標(biāo)建議值。雷永智[4]等基于X射線衍射儀法半定量分析千枚巖粉晶X衍射物相，得到了礦物組成及含量分布，而后通過(guò)CBR、回彈模量、泡水膨脹量等參數(shù)論證了千枚巖用于路基填筑的適用性。上述研究雖探討了千枚巖用于路基填筑的可行性，但因不同區(qū)位的變質(zhì)千枚巖性能差異較大，其結(jié)論并不具有普適性，為此，學(xué)者們嘗試摻入水泥改善其力學(xué)性能、抗水性，使其達(dá)到路基各層位的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。毛雪松[5]等以十天高速安康東段千枚巖填料為研究對(duì)象，基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及規(guī)范要求，判定風(fēng)化千枚巖原巖無(wú)法滿(mǎn)足填筑要求，并依據(jù)CBR值提出了不同水泥摻量的千枚巖改良方案。李健[6]以不同摻量的水泥、石灰為改良材料，探討了不同水泥、石灰摻量對(duì)千枚巖填料壓實(shí)特性的改良效果，同時(shí)論證了相同摻量下水泥與石灰改良的優(yōu)劣性，并得出了水泥與石灰的最佳摻量。

綜上，就風(fēng)化千枚巖填料而言，現(xiàn)有研究成果已論證水泥可作為優(yōu)質(zhì)改良材料，一者水泥自身的水化反應(yīng)可產(chǎn)生膠結(jié)能力極強(qiáng)的水化產(chǎn)物，可相互搭接于千枚巖孔隙中，改善其壓實(shí)特性和力學(xué)性能，再者摻入水泥后的改良填料具有較好的彈塑性特征，提高了路基整體的穩(wěn)定性[7]。因此，該文以寧石高速四分部K38+450處千枚巖棄渣為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定風(fēng)化千枚巖原巖的物理力學(xué)性質(zhì)，利用水泥改良不達(dá)填筑要求的千枚巖棄渣，通過(guò)比對(duì)試驗(yàn)，探討改良技術(shù)及改良方案的最優(yōu)解。

1 工程概況

寧石高速北依秦嶺，南枕巴山，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，受地質(zhì)構(gòu)造與巖性控制，嶺脊多為北西走向，山嶺峻峭，溝底狹窄深邃，寬谷平壩較少，高低懸殊大。沿線穿行于揚(yáng)子陸塊、南秦嶺造山帶和位于其間的月河斷裂、饒峰-麻柳壩-鐘寶斷裂構(gòu)造結(jié)合帶等構(gòu)造單元，地質(zhì)歷史漫長(zhǎng)，地層、構(gòu)造組成復(fù)雜獨(dú)特。

沿線出露的基巖包括絹云母石英片巖、大理巖、鈣質(zhì)片巖、花崗閃長(zhǎng)巖、花崗斑巖、千枚巖等。其中，四分部標(biāo)段內(nèi)地層主要為志留系大貴坪組（S1d）與梅子?jì)I組（S1-2m），巖性以云母石英片巖與強(qiáng)風(fēng)化千枚巖為主，巖質(zhì)較軟弱，風(fēng)化層較厚。填方路基位于K28+220.5～K39+900段內(nèi)，共計(jì)7段，總填方量為32.2萬(wàn)m3，因沿線填料緊缺，運(yùn)輸便道路窄且有多處急彎，填料運(yùn)進(jìn)較為困難，設(shè)計(jì)要求采用標(biāo)段內(nèi)銅錢(qián)峽隧道洞渣作路堤填料。

2 強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料工程性質(zhì)

2.1 原巖礦物成分

礦物成分是決定千枚巖原巖力學(xué)性質(zhì)的重要因素，該文選取寧石高速公路四分部K38+450處千枚巖棄渣及強(qiáng)風(fēng)化碎屑物進(jìn)行X射線行衍射試驗(yàn)，經(jīng)礦物成分分析可知，該千枚巖棄渣中白云母含量約為49%，石英約占44%，白云母含量及所處狀態(tài)對(duì)千枚巖性質(zhì)影響較大，常態(tài)下白云母嵌于巖體，浸水后則處于游離態(tài)，易從巖體剝離，致使千枚巖風(fēng)化后易崩解，若采用其作為路基填料，則路基在降雨及地下水遷移的影響下易發(fā)生松弛，路基穩(wěn)定性及耐久性無(wú)法得到保證[8]。

2.2 液限和塑限

采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行三組平行試驗(yàn)，其結(jié)果取平均值。經(jīng)計(jì)算，填料的液限wl=19.7%，塑限wp=15.8%，即塑性指數(shù)Ip=3.9，依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）可知，強(qiáng)風(fēng)化千枚巖中粒徑小于0.5 mm的細(xì)粒土屬低液限粉土ML。

低液限粉土中粘粒含量較低且塑性指數(shù)較小，與水膠結(jié)能力較差，保水性不強(qiáng)，土體易于滲水，僅依靠壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)很難達(dá)到壓實(shí)要求，屬不良劣質(zhì)填料。

2.3 顆粒分析

選取寧石高速四分部隧道千枚巖棄渣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，因爆破開(kāi)挖后的千枚巖渣塊體積較大，無(wú)法直接進(jìn)行篩分，為確保棄渣的最大粒徑不大于60 mm，試驗(yàn)前先對(duì)樣本進(jìn)行碾壓破碎處理，同時(shí)為避免篩分過(guò)程中細(xì)粒抱團(tuán)或依附于粗粒表面，致使篩分結(jié)果不準(zhǔn)確，對(duì)破碎后的渣塊進(jìn)行烘干處理，而后進(jìn)行篩分，級(jí)配曲線如圖1所示。

經(jīng)計(jì)算，d60=57.1，d30=36.2，d10=13.9，不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為4.11、1.65，屬級(jí)配不良。因級(jí)配不良的土體在外力條件下細(xì)小顆粒無(wú)法對(duì)空隙進(jìn)行有效填充，細(xì)小顆粒持續(xù)受力使得土體進(jìn)一步破碎，進(jìn)一步說(shuō)明了千枚巖棄渣無(wú)法直接作為路基填料。

2.4 風(fēng)化千枚巖填料的CBR

加州承載比（CBR）可表征路基路面材料的強(qiáng)度與抗承載變形能力，《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）[9]限定了路堤路床填料的最小承載比，如表1所示，對(duì)風(fēng)化千枚巖棄渣進(jìn)行室內(nèi)CBR測(cè)試，依據(jù)擊實(shí)次數(shù)分為3組，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)表2所示結(jié)果，擊實(shí)次數(shù)為30次時(shí)填料的CBR值僅為2.17%，小于下路堤最小承載比要求，更無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范限定的上路堤承載比要求，擊實(shí)98次后CBR值才達(dá)3.25%，略高于最小承載比，需對(duì)其進(jìn)行處置以提高CBR值。

3 水泥改良千枚巖填料性能分析

根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)要求，千枚巖等強(qiáng)度較低、易風(fēng)化、遇水易崩解的變質(zhì)巖不得直接作為路基填料，需進(jìn)行改良，考慮到項(xiàng)目當(dāng)?shù)夭牧瞎?yīng)情況，選取西鄉(xiāng)堯柏普通硅酸鹽42.5的緩凝水泥。

3.1 水泥改良千枚巖填料加固原理

普通硅酸鹽水泥的礦物組成主要包括C2S、C3S、C3A及C4AF，水泥摻拌風(fēng)化千枚巖填料后，在水泥的水化作用下形成C3S2H3和C3AH6等膠結(jié)力較強(qiáng)的水化物，并裹附在千枚巖棄渣顆粒表面，形成早期骨架，其次，在水化產(chǎn)物與千枚巖的離子交換作用下，千枚巖細(xì)粒形成致密土團(tuán)，因C2S、C3S的水化產(chǎn)生大量吸附活性較強(qiáng)的Ca（OH）2，使得部分土團(tuán)粒結(jié)合起來(lái)形成穩(wěn)定鏈條狀結(jié)構(gòu)，伴隨著水化作用的持續(xù)，Ca（OH）2與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3，起到了粗?；饔?，使得改良填料具有足夠強(qiáng)度，水泥水化的主要化學(xué)式如下所示：

3.2 擊實(shí)特性分析

擊實(shí)試驗(yàn)可獲取水泥改良千枚巖填料的最佳含水率與最大干密度，依據(jù)預(yù)設(shè)水泥摻量方案，該文選取3%、4%、5%的水泥摻量做對(duì)照試驗(yàn)，依據(jù)四分法取料，試樣的初始含水率設(shè)置為7%，不同摻量下?lián)魧?shí)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由圖2可知，最大干密度隨水泥摻量增加呈線性增大，最佳含水率則呈線性減小趨勢(shì)，其中，摻加3%與4%水泥后改良填料的最大干密度與最佳含水率的波動(dòng)范圍較小，當(dāng)摻量由4%調(diào)整為5%時(shí)，最大干密度增大了0.156 g/cm3，最佳含水率減小了4.1%，上下浮動(dòng)明顯，由此可初步判斷水泥摻量為5%時(shí)，改良效果較為顯著。

3.3 CBR

依據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得的最佳含水率制作CBR試件，試件需養(yǎng)護(hù)7 d后浸水4個(gè)晝夜，而后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

依據(jù)表4可知不同水泥摻量下改良填料的CBR值與干密度的變化曲線圖，如圖3所示。

由圖3可知，摻加水泥后改良填料的CBR均達(dá)到了規(guī)范要求的下路堤最小承載比要求，即CBR均不小于3%，可見(jiàn)經(jīng)水泥改良后，千枚巖的力學(xué)性能有所提高，其中，摻量為3%時(shí)，CBR的浮動(dòng)范圍為3.4%～4.6%，相較于未改良填料，僅增大了約1.3%，無(wú)法用于填筑上路堤，改良效果不佳，當(dāng)摻量為4%時(shí)，CBR的浮動(dòng)范圍為4.6%～7.3%，同規(guī)范限定的上路堤最小CBR差距過(guò)小，用于現(xiàn)場(chǎng)填筑時(shí)可能受填料粒度或水泥拌和不均勻影響，使得CBR不達(dá)最小要求的4%，導(dǎo)致路基強(qiáng)度不夠，而摻量提升至5%時(shí)，CBR較3%摻量提高了6%，較4%摻量提高了約4%，且浮動(dòng)下限為8.9%，滿(mǎn)足規(guī)范要求的路堤填料CBR界限值。其次，圖3中的擬合曲線可推導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)干密度對(duì)應(yīng)的CBR值。

由圖3可知，摻量為3%、4%時(shí)改良效果欠佳，若采用上述水泥摻量存在可能不滿(mǎn)足規(guī)范要求的潛在風(fēng)險(xiǎn)，由此確定改良填料的水泥摻量為5%，且僅用于路堤填筑。

4 結(jié)論

（1）基于千枚巖原料的礦物分析、液塑限、顆粒分析及CBR試驗(yàn)可知，未經(jīng)改良的千枚巖原料白云母含量較高，水穩(wěn)性較差，且屬低液限粉土，初始級(jí)配不良，CBR也無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范限定的路堤填料要求。

（2）水泥用于改良千枚巖原料是行之有效的，摻入水泥的改良填料最大干密度隨水泥劑量的增加而增大，最佳含水率則隨之減小，其中，3%、4%水泥摻量的改良填料對(duì)干密度的增幅分別為0.162 g/cm3、0.167 g/cm3，密實(shí)程度提升不顯著，水泥劑量增加至5%時(shí)，最大干密度的增幅為0.323 g/cm3，約為4%摻量的2倍。

（3）摻加水泥后改良填料的CBR值提升明顯，由不滿(mǎn)足規(guī)范要求的承載比下限提升至可滿(mǎn)足路堤填筑要求，通過(guò)比對(duì)不同水泥摻量下改良填料的CBR曲線圖，摻量為3%與4%時(shí)CBR增幅較小，改良效果欠佳，用于填筑路堤有不達(dá)規(guī)范要求的潛在風(fēng)險(xiǎn)，水泥摻量達(dá)5%時(shí)CBR可滿(mǎn)足上、下路堤的填筑要求。

（4）千枚巖用作路堤填料時(shí)需摻拌水泥以改良其物理、力學(xué)性能，建議水泥摻量以5%為宜。

參考文獻(xiàn)

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