回收石膏粉末改良路基軟黏土試驗(yàn)研究

羅進(jìn)鋒， 丁健峻，高 瓊，呂文舒

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015;2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100020)

1 概述

隨著建設(shè)成本的增加和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在公路建設(shè)中使用回收利用材料越來(lái)越受到重視，煤灰、廢塑料、廢輪胎、廢石膏板、稻殼灰、垃圾焚燒渣等先后被利用在路基填筑過(guò)程中[1]。石膏制品是一種重要的建筑材料，我國(guó)建筑也產(chǎn)生了大量的建筑石膏廢料，將石膏廢料露天堆放，不僅占用大量土地，在潮濕環(huán)境中還會(huì)釋放硫化氫等有害氣體和有害氟化物，對(duì)周邊環(huán)境造成污染[2]。若能充分利用石膏的化學(xué)特性，將其作為公路沿線不良填料的改良添加劑，則既能降低公路路基建設(shè)中外購(gòu)換填優(yōu)質(zhì)填料的成本，又可以有效緩解石膏廢料固體污染問題[3]。

回收石膏粉末具有用作土體穩(wěn)定劑的潛力，因?yàn)榭梢耘c黏土顆粒發(fā)生脫水、碳酸化、絮凝等一系列化學(xué)反應(yīng)，從而改善土的性質(zhì)[4]。關(guān)于石膏用于公路路基建設(shè)，國(guó)內(nèi)外均做過(guò)一些嘗試性研究。AHMED[5]等發(fā)現(xiàn)，在軟黏土中若僅摻入石膏粉末，改良土的水穩(wěn)定性較差，因?yàn)槭嗫扇苡谒牧纪良词乖诟稍餇顟B(tài)下具有可靠的強(qiáng)度，一旦遇到潮濕環(huán)境強(qiáng)度將嚴(yán)重衰減。KEMI[6]等將石膏改良土放置于環(huán)境控制室內(nèi)，通過(guò)調(diào)整養(yǎng)護(hù)時(shí)間來(lái)分析抗剪強(qiáng)度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度的增長(zhǎng)在養(yǎng)護(hù)早起較為明顯，超過(guò)36 h后抗剪強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。國(guó)內(nèi)方面，李章峰[7]對(duì)不同配合比的石膏改良土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，論證了石膏改良路基填料的可行性，并指出純石膏由于水穩(wěn)定性差和親水性強(qiáng)度，不適合直接用于不良填料改良，應(yīng)當(dāng)采用別的固化材料(水泥等)進(jìn)行配合使用。沈衛(wèi)國(guó)[8]等通過(guò)大量的石膏-土配合比試驗(yàn)，提出了根據(jù)體積分析進(jìn)行石膏改良土配合比設(shè)計(jì)的方法。茍勇[9]在對(duì)軟土的改良中，在水泥改良劑中摻入了適量的工業(yè)石膏廢料，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合改良比單一水泥改良具有更明顯強(qiáng)度提升效果。

本文以南方某湖區(qū)高速公路為依托，在現(xiàn)場(chǎng)2處點(diǎn)位采取了軟黏土，并制備了不同石膏粉末摻量的軟黏土試樣，開展了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)等，探討強(qiáng)度、CBR、膨脹性等隨改良劑摻量的變化規(guī)律，以論證改良軟黏土用于下路堤填筑的可行性，并確定改良的最佳配比，為路基填筑施工提供參考。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

本研究使用了3種不同類型的材料，包括軟黏土、回收石膏粉末和水泥。軟黏土取自南方某湖區(qū)高速公路2處建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，其主要的黏土礦物為高嶺石。于地面以下0.5～1.0 m進(jìn)行取土，封閉運(yùn)輸至試驗(yàn)室內(nèi)，然后烘干進(jìn)行級(jí)配試驗(yàn)(見圖1)，以及其他物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。軟黏土的物理力學(xué)性質(zhì)見表1，可見2種土的CBR值分別為1.1%和0.9%，均低于下路堤填料的CBR要求(3.0%)，而且天然含水率也遠(yuǎn)大于最優(yōu)含水率，難以壓實(shí)。

圖1 試驗(yàn)用土篩分試驗(yàn)

表1 試驗(yàn)用土的基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of tested soil編號(hào)液限/%塑限/%CBR值/%天然含水率/%干重度/(kN·m-3)最優(yōu)含水率/%礫粒/%砂粒/%粉粒/%黏粒/% 土I51.326.51.335.613.917.30.64.539.755.2 土Ⅱ69.336.10.940.110.218.10034.365.7

表1中，黏粒粒徑范圍為d≤0.005 mm，粉粒粒徑范圍為0.005 mm2 mm。圖2為試驗(yàn)用土的級(jí)配曲線。

圖2 試驗(yàn)用土的級(jí)配曲線Figure 2 The grading curve of tested soil

本研究中使用的水泥選用普通硅酸鹽水泥，由湖南南方水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，燒失量為0.95%，初凝時(shí)間為180 min，28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度大于42.5 MPa，化學(xué)成分主要為CaO和SiO2。使用的回收石膏來(lái)自湖北省某垃圾填埋場(chǎng)，白色固體，化學(xué)成分主要為半水硫酸鈣(CaSO4·1/2H2O)， 此外還含有少量的二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)和硫酸鈣(CaSO4)，將其風(fēng)干粉碎作為改良添加劑。

2.2 試樣制備

對(duì)于土I，石膏粉末的摻量分別為50、100、150 kg/m3，對(duì)于土II，石膏粉末的摻量分別為70、140、210 kg/m3，如50 kg/m3代表在每1 m3軟黏土中摻入50 kg石膏粉末。根據(jù)以往研究，單獨(dú)在土中加入石膏粉末改良效果并不理想，因?yàn)槭嗳菀兹苡谕林械乃虼诵枰c水泥等固化膠凝材料配合使用，因此本試驗(yàn)中還按與石膏粉末1∶1的比例同時(shí)摻入水泥，然后采用自動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行約30 min的攪拌，使配置的改良土結(jié)構(gòu)和含水程度均勻。試樣制樣過(guò)程根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康膮⒄铡豆饭こ虩o(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[10]和《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[11]，壓實(shí)度控制在93%，為了提高研究成果的可靠度，每個(gè)試驗(yàn)條件下設(shè)置了3組平行試樣。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)(劈裂試驗(yàn))過(guò)程參照采用《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[10]，在無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)中，試樣位移速率為1 mm /min，荷載施加至試樣破壞或應(yīng)變達(dá)到15%，同時(shí)記錄應(yīng)力和應(yīng)變，繪制顯示應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系的曲線，取曲線的“峰值”為抗壓強(qiáng)度；劈裂試驗(yàn)加載速率也為1mm/min，記錄試樣破壞時(shí)的最大壓力Pmax，并通過(guò)下式計(jì)算劈裂強(qiáng)度：

(1)

式中：h為浸水后試樣的高度，mm。

CBR室內(nèi)試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[11]，在此不做詳述。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干密度和含水率

石膏粉末的摻入對(duì)干密度和含水率的影響如圖3和圖4所示，可以明顯看出隨著改良劑摻量的增加，干密度有所增加，含水率有所減小。對(duì)于土Ⅱ，含水率減小趨勢(shì)最為明顯，當(dāng)改良劑摻量從0變化為210 kg/m3時(shí)，含水率減小了近12%，可以縮短改良路基土壓實(shí)前的翻曬時(shí)間。改良導(dǎo)致干密度增加主要是因?yàn)槭喾勰┑闹泻写罅繋в?個(gè)正電荷的鈣離子，與含有負(fù)電荷的黏土顆粒相互吸引從而產(chǎn)生絮凝，絮凝使土顆粒更緊密地黏結(jié)在一起，從而導(dǎo)致土總體的體積縮小，干密度增加；而含水率降低是因?yàn)槭喾勰┚哂形墓δ?，大量的半水硫酸鈣(CaSO4·1/2H2O)獲取水分子后轉(zhuǎn)化為二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)，從而降低了土中的自由水含水率。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，密度的增加和含

圖3 改良土的干密度Figure 3 The dry density of stabilized soil

圖4 改良土的含水率Figure 4 The water content of stabilized soil

水率的減小都是對(duì)工程性質(zhì)的提升有益的。

3.2 強(qiáng)度

圖5顯示了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中改良土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以看出隨著摻量的增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)生了明顯的變化，峰值強(qiáng)度明顯增加，該現(xiàn)象一部分是由前述的絮凝和脫水作用造成的，另一部分是由于石膏粉末中含有一定的氧化鈣CaO，吸收水分后可形成氫氧化鈣Ca(OH)2，暴露在空氣中的Ca(OH)2又與二氧化碳反應(yīng)生成堅(jiān)硬的碳酸鈣CaCO3，從而提高了土的強(qiáng)度。

(a) 土Ⅰ

(b) 土Ⅱ

可以看出，盡管土Ⅱ的改良劑摻量更大，但土Ⅰ的峰值強(qiáng)度提高更加明顯，這可能是由于土Ⅱ中黏粒含量和含水率更高。土Ⅰ在增加了少量的改良劑就取得了明顯的改良效果，隨著改良劑的增加，試樣破壞時(shí)的軸向應(yīng)變?cè)絹?lái)越小，這表明試樣逐漸向脆性材料轉(zhuǎn)變。

圖6顯示了2種改良土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，可以看出抗壓強(qiáng)度的提高程度比劈裂強(qiáng)度更加明顯，由于同時(shí)摻入了水泥，這跟水泥制品的抗壓

(a) 土Ⅰ

(b) 土Ⅱ

強(qiáng)度往往遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)以往文獻(xiàn)[12]，水泥改良土劈裂強(qiáng)度通常是抗壓強(qiáng)度的0.2倍左右，從本文來(lái)看，對(duì)于土Ⅰ和土Ⅱ該值分別為0.27和0.31，高于文獻(xiàn)報(bào)道值，可見摻入石膏粉末對(duì)提高劈裂強(qiáng)度也起到了作用。

3.3 CBR值

CBR試驗(yàn)通常是針對(duì)路基填土最重要的試驗(yàn)之一，因?yàn)樵诼坊盍线x取中首先應(yīng)考慮CBR指標(biāo)。如表1所述，2種土的初始CBR值分別為1.3%和0.9%，遠(yuǎn)低于下路堤填土的要求(3%)。圖7給出了CBR值與改良劑摻量的關(guān)系，可以看出隨著摻量的增加CBR值得到了明顯提升，達(dá)到CBR值為3%時(shí)，所需的改良劑為81和109 kg/m3。對(duì)于土I，當(dāng)改良劑摻量從0變化為150 kg/m3時(shí)，CBR值提高了5.9倍，對(duì)于土Ⅱ，當(dāng)改良劑摻量從0變化為210 kg/m3時(shí)，CBR值提高了9.6倍。抗壓強(qiáng)度與CBR值兩者的相關(guān)關(guān)系見圖8，CBR值提高程度遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度。

圖7 改良土的CBR值Figure 7 The CBR of stabilized soil

圖8 抗壓強(qiáng)度與CBR值的關(guān)系Figure 8 Compressive strength-CBR relationship of stabilized soil

3.4 膨脹性

圖9顯示了土Ⅰ在進(jìn)行CBR試驗(yàn)時(shí)，裝樣至貫入加載前這段過(guò)程中試樣的軸向位移變化，選擇了非飽和與飽和2種條件進(jìn)行對(duì)比，非飽和條件即將試樣置于環(huán)境控制室中，溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為80%，飽和條件即將試樣浸水，其中向下位移為負(fù)(收縮)，向上位移為正(膨脹)。對(duì)于非飽和條件[見圖9(a)]，可以看出位移在最初的10h內(nèi)向下位移快速增長(zhǎng)，超過(guò)10 h后位移增長(zhǎng)速率減小，位移趨于穩(wěn)定，改良劑摻量越大，向下位移越小，這是由于強(qiáng)度和承載能力的增加所導(dǎo)致。相反，在飽和條件下[見圖9(b)]，改良土試樣具有一定的膨脹趨勢(shì)，位移隨著石膏摻量地增加而上升，當(dāng)摻量為150 kg/m3時(shí)，向上位移達(dá)到了0.42 mm，遠(yuǎn)大于摻量為100 kg/m3時(shí)的向上位移，這是石膏粉末大量吸水造成的，盡管如此，飽和膨脹量也僅為0.35%左右，膨脹性較弱，這是因?yàn)樵囼?yàn)用土中幾乎不含有膨脹性較強(qiáng)的黏土礦物，例如伊利石和蒙脫石，此外還與改良劑中含有水泥作為固化膠凝材料有關(guān)。

(a) 非飽和條件

(b) 飽和條件

圖10顯示了土Ⅱ在進(jìn)行CBR試驗(yàn)時(shí)，裝樣至貫入加載前這段過(guò)程中試樣的軸向位移變化?？梢钥闯?，在非飽和條件下，土Ⅱ的向下位移比土I略大；而在飽和情況下，改良劑摻量為70 kg/m3和140 kg/m3時(shí)，向上位移幾乎為0，而當(dāng)改良劑摻量為210 kg/m3時(shí)，向上位移最大也僅為0.14 mm左右，隨后逐漸減少接近于0。綜上所述，采用石膏粉末改良軟黏土的同時(shí)配入水泥，所得的改良土在非飽和條件下幾乎沒有膨脹，而在飽和條件下膨脹量也較小，表明其具有一定的水穩(wěn)定性，能作為下路堤填料使用。

3.5 應(yīng)用情況

建立了試驗(yàn)段進(jìn)行路拌改良土路基的填筑施工，路拌法在初平碾壓后，根據(jù)素土單位面積重量和既定石膏、水泥摻入量，進(jìn)行打方格和人工攤鋪改良劑，再用路拌機(jī)拌和，其平均單價(jià)為約為39.6元/m3，在一定程度上緩解了該工程缺少路基填料的工程難題。目前，試驗(yàn)段已投入運(yùn)營(yíng)2 a，根據(jù)后續(xù)跟蹤觀測(cè)，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，未出現(xiàn)較大變形和裂縫。

(a) 非飽和條件

(b) 飽和條件

4 結(jié)論

本文通過(guò)改良軟黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR等一系列室內(nèi)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

a.隨著回收石膏粉末摻量增加，土的干密度增加，含水率減小，這主要是由于絮凝作用和脫水作用引起的，其中對(duì)于土Ⅱ，含水率減小趨勢(shì)最為明顯，可以縮短改良路基土壓實(shí)前的翻曬時(shí)間。

b.隨著回收石膏粉末摻量的增加，改良土試樣破壞時(shí)的軸向應(yīng)變?cè)絹?lái)越小，改良土逐漸向脆性材料轉(zhuǎn)變，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和CBR值都有所提高，其中CBR值的提高效果最為明顯。

c.根據(jù)本文試驗(yàn)，為達(dá)到下路提填筑的CBR值要求，對(duì)于2種軟黏土所需的石膏粉末改良劑摻量應(yīng)達(dá)到81 kg/m3和109 kg/m3。

d.采用石膏粉末改良軟黏土的同時(shí)配入水泥，所得的改良土在非飽和條件下幾乎沒有膨脹，而在飽和條件下膨脹量也較小，從而具有一定的水穩(wěn)定性。

e.根據(jù)試驗(yàn)段驗(yàn)證，采用本文改良方法的平均單價(jià)為約為39.6元/m3，在一定程度上緩解了該工程缺少路基填料的工程難題，試驗(yàn)段目前運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。