二灰土用作路面底基層材料的應(yīng)用研究

趙 鋒

（山西路橋集團 榆和高速公路有限公司，山西 晉中 030600）

火力發(fā)電是我國主要發(fā)電方式，發(fā)電廠每年會產(chǎn)生大量的粉煤灰，若處治不及時將會浪費土地資源來存放廢棄粉煤灰，同時造成環(huán)境污染。二灰穩(wěn)定土是將石灰與粉煤灰作為膠凝材料摻入到土體中，三者相互作用形成一定強度的整體。目前二灰土多用于路面的底基層材料中，不僅較好解決了粉煤灰的污染，又提高了道路基層的強度與耐久性，可謂一舉兩得[1-2]。

國外自20世紀(jì)60年代開始對二灰土進行相關(guān)研究，對二灰土強度形成的原因及影響因素進行了分析，同時通過一系列的試驗推薦了二灰的摻入比[3]。我國的相關(guān)研究起于20世紀(jì)70年代，丁庭[3]通過試驗對二灰土作地基填料的配合比進行了設(shè)計；孔繁龍與王新明[4-5]結(jié)合各自的工程經(jīng)驗分別提出了二灰土作為底基層材料施工時應(yīng)注意的技術(shù)要求及質(zhì)量控制要點。但目前，國內(nèi)外對于二灰土作為道路底基層材料時的工程特性尚不明確，同時在工程應(yīng)用中二灰摻入比多采用經(jīng)驗法確定，缺乏理論支撐。

本文對二灰土作道路底基層材料的工程特性進行了研究，并依托工程實際對鋪筑效果進行了驗證。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

a）石灰 二灰土中的石灰選用消石灰，其作用是利用自身堿性特性激發(fā)混合料反應(yīng)。消石灰的細度為2 mm（過2 mm方孔篩，廢棄不能過篩的石灰），其相關(guān)化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1。

b）粉煤灰 粉煤灰就近選用某發(fā)電廠生產(chǎn)的三級干灰，化學(xué)組成見表2。

c）土 試驗所用黃土取自工地施工現(xiàn)場，為擾動黃土，表觀顏色為淡黃色，較為松散。在路基范圍內(nèi)按照1 m、3 m、5 m的深度分別取10個土樣，去除雜質(zhì)后檢測相關(guān)性質(zhì)如表3所示。

1.2 二灰土配合比

以往相關(guān)研究成果表明二灰土中，石灰∶粉煤灰=1∶2～1∶4時可以取得較好的強度與穩(wěn)定性[3]。結(jié)合工程經(jīng)驗，該次研究二灰土的體積配合比分別取石灰∶粉煤灰∶土=1∶2∶7或1∶3∶6或1∶4∶5。

1.3 試驗方案

參照相關(guān)規(guī)范[6]，按確定的3種二灰土配合比分別制備相關(guān)試件進行室內(nèi)試驗，試驗方案見表4。

表4 室內(nèi)試驗方案及條件

2 試驗結(jié)果分析

2.1 擊實試驗結(jié)果分析

土體的壓實度是控制土體強度和整體性能的重要指標(biāo)，而壓實度又在一定程度上取決于土體的含水量。由擊實試驗結(jié)果得到二灰土干密度與含水量的關(guān)系如圖1所示，由此確定不同配比下二灰土最大干密度與最佳含水量如表5所示。

圖1 擊實試驗結(jié)果

表5 不同配比下二灰土的最佳含水量、最大干密度

由圖1可知，一方面，3種配合比下的二灰土含水量與干密度的關(guān)系曲線變化趨勢基本一致，在達到最佳含水率前，曲線的上升幅度均不明顯，呈緩慢上升趨勢，但是當(dāng)含水量達到最佳后，曲線下降幅度開始增大，下降趨勢明顯，表明在工程應(yīng)用中應(yīng)控制含水量，控制在最佳含水量附近以達到較好的強度。另一方面，二灰土的干密度與含水量均在粉煤灰摻量增大后出現(xiàn)了降低，這是因為相比于黃土顆粒，粉煤灰顆粒的親水性相對較差，比重也相對較小。3種配合比相比，1∶2∶7配合比的二灰土干密度受含水量的影響最為明顯，當(dāng)加大粉煤灰摻量后，這種影響開始變得平緩，工程應(yīng)用中應(yīng)對此現(xiàn)象引起重視。

2.2 滲透試驗結(jié)果分析

滲透試驗結(jié)果如圖2，由圖2可知3種配合比二灰土的滲透系數(shù)均在齡期增加的情況下出現(xiàn)了一定程度的降低，這是因為粉煤灰前期難以在水中溶解生成較多數(shù)量的膠凝物，但隨著時間的增加，二灰土中的Ca2+與OH-促進了粉煤灰的反應(yīng)生成足夠的膠凝物填補了二灰土中空隙使得滲透性降低。另一方面，3種配合比下的二灰土均屬于低滲透性土，在粉煤灰摻量增大的情況下，二灰土的滲透系數(shù)逐漸出現(xiàn)一定程度降低。

圖2 滲透試驗結(jié)果

2.3 壓縮試驗結(jié)果

二灰摻入到黃土中后，使得土體的孔隙率降低，整體強度增強，土體壓縮性減小，能夠有效控制黃土的濕陷性。壓縮試驗結(jié)果得到壓縮模量與齡期的關(guān)系如圖3所示。

圖3 壓縮試驗結(jié)果

由圖3可知，不同齡期下，不同配合比下的二灰土的壓縮模量均大于20 MPa，土體抗壓性能較強屬于低壓縮性材料。3種配合比下二灰土的早期壓縮模量基本一致，且均隨著齡期的增長壓縮模量逐漸增大，其中1∶3∶6配合比的二灰土后期壓縮模量最大，抗壓縮性能最好。

2.4 抗剪強度試驗結(jié)果

不同配合比下二灰土的抗剪強度試驗得到內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與齡期的關(guān)系分別如圖4、圖5所示，不同配比下二灰土在50 d齡期時的剪切應(yīng)力與位移關(guān)系如圖6所示。

圖4 二灰土內(nèi)聚力與齡期的關(guān)系

圖5 二灰土內(nèi)摩擦角與齡期的關(guān)系

由圖4、圖5可知，在齡期增加的情況下，不同配比下二灰土的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角均得到了明顯提高，其中以1∶3∶6配合比下二灰土增長最為明顯。由圖6可知，50 d齡期時，1∶3∶6配合比下二灰土的抗剪強度最大，最大達到了3.3 MPa，具有一定的塑性變形能力，而1∶4∶5配合比下二灰土抗剪強度最差。

圖6 二灰土剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系（50 d齡期）

3 工程實例

3.1 工程概況

某新建高速公路全長約122 km，采用瀝青路面，該道路K56+834—K102+643段跨越濕陷性黃土區(qū)域，黃土表面顏色呈淡黃色，較為松散。該K56+834—K102+643段路面底基層設(shè)計采用二灰穩(wěn)定土，現(xiàn)場所用石灰與粉煤灰均同室內(nèi)試驗，二灰土配合比為石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6。采用路拌法進行施工，粉煤灰現(xiàn)場路面底基層鋪筑過程中嚴(yán)格控制施工工藝與施工質(zhì)量并及時做好試驗檢測。

3.2 壓實度檢測

待K56+834—K102+643段底基層鋪筑完成后，參照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG 3450—2019）[7]《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80-1—2017）[8]采用灌砂法對該路段壓實度進行檢測，檢測結(jié)果表明現(xiàn)場二灰穩(wěn)定土底基層的最小壓實度為98.1%，最大壓實度為99.5%，平均壓實度為98.5%，滿足設(shè)計要求，現(xiàn)場壓實效果較好。

3.3 彎沉檢測

路面底基層施工完成后，參照標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，選取具有代表性的斷面，采用貝克曼梁法對K56+834—K102+643段底基層的彎沉值進行檢測，以檢驗該路段二灰土底基層的強度，檢測結(jié)果見表6。

表6 二灰土底基層的彎沉檢驗結(jié)果

表6所示檢測結(jié)果表明二灰土底基層的彎沉值滿足相應(yīng)要求。

3.4 鉆芯取樣檢測

試驗段二灰土底基層施工完成養(yǎng)護28 d后，對其進行了鉆芯取樣檢測，檢測得到試驗段路面底基層50 d平均抗剪強度為3.2 MPa，與室內(nèi)試驗結(jié)果吻合度較好。

3.5 長期監(jiān)測

該高速公路建成通車后，對K56+834—K102+643段進行了持續(xù)兩年的觀測，觀測結(jié)果表明該路段路基無沉陷、位移等病害產(chǎn)生，瀝青路面沒有反射裂縫出現(xiàn)，表明二灰土作為路面底基層材料的實際應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)語

a）二灰土的最大干密度與最佳含水量均隨粉煤灰摻量增加而降低。

b）二灰土的壓縮性能、抗?jié)B性能、抗剪強度良好，均隨齡期的增加而增加。

c）3種配合比相比，1∶3∶6配合比下二灰土的抗剪強度最大，具有一定的塑性變形能力;而1∶4∶5配合比下二灰土抗剪強度最差。

d）綜合考慮二灰土的工程特性與經(jīng)濟效益，建議工程應(yīng)用中二灰土的配合比取石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6。

e）工程實例表明：路面底基層選用二灰土材料后具有較好的強度與穩(wěn)定性，應(yīng)用效果良好。