高原荒漠地區(qū)公路路基氯鹽漬土改良試驗(yàn)研究

周清福 ， 許正璇

(1.中鐵建城市建設(shè)投資有限公司，江蘇 南京 210000；2.青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，青海 西寧 810000)

1 概述

鹽漬土是鹽土、堿土和各種鹽化、堿化土的總稱，我國(guó)公路領(lǐng)域中對(duì)鹽漬土的定義為：巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的土[1]。鹽漬土主要分布于沿海與內(nèi)陸干旱、半干旱地區(qū)，其中陜、甘、寧、青、蒙、新六省區(qū)共有內(nèi)陸鹽漬土2 506.33×104km2，占全國(guó)鹽漬土總面積的 69.03%[2]。隨著西部大開發(fā)建設(shè)的推進(jìn)，許多公路建設(shè)不可避免地需要穿越鹽漬土地區(qū)，如果簡(jiǎn)單地利用當(dāng)?shù)佧}漬土作為筑路材料，容易發(fā)生鹽脹、翻漿、溶陷、開裂、坑洼等路基路面病害，從而影響公路的正常運(yùn)營(yíng)。若能對(duì)鹽漬土進(jìn)行改良而充分利用，可以大大縮減鹽漬土地區(qū)公路路基建設(shè)中外購(gòu)換填優(yōu)質(zhì)填料的成本。

國(guó)內(nèi)外眾多研究者對(duì)鹽漬土改良后的物理力學(xué)性質(zhì)開展了一系列研究，采用的改良劑種類較多。MILBURN[3]等對(duì)研究了三灰-石灰、火山灰和水泥對(duì)鹽漬土耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)三者都可以降低土的塑性，其中石灰的效果最為明顯；在改善強(qiáng)度方面，石灰則更應(yīng)用于細(xì)粒土，水泥則更適用于粗粒土。CELIK[4]等使用礦渣微粉改良硫酸鹽漬土，發(fā)現(xiàn)而摻加高爐礦渣微粉配合石灰，可以有效抑制鹽漬土的吸水鹽脹效應(yīng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者柴壽喜[5]采用石灰+SH土壤固化劑聯(lián)合改良的方法，提高了鹽漬土的水穩(wěn)性和強(qiáng)度。蒲昌瑜[6]等發(fā)現(xiàn)電石灰能代替石灰成為較好的改良劑，可以有效提高鹽漬土的水穩(wěn)性、抗凍融性，而且NaCl可以作為硫酸鹽漬土的鹽脹抑制劑。肖利明[7]通過(guò)研究指出了“三灰”改良時(shí)各種改良劑的作用，例如粉煤灰提高了鹽漬土的強(qiáng)度和回彈模量，水泥提高了鹽漬土的早期強(qiáng)度。在改良配比研究方面，李芳[8]發(fā)現(xiàn)采用4% SH固化劑和8%石灰的配合比對(duì)濱海鹽漬土進(jìn)行改良后，可以滿足路基填筑的要求。張誠(chéng)[9]等將響應(yīng)曲面法用于沿海某地區(qū)鹽漬土改良方案的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)摻入4%水泥時(shí)能夠在滿足CBR值要求的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。

水泥窯粉塵(Cement Kiln Dust)是普通水泥生產(chǎn)過(guò)程中的一種副產(chǎn)品，一般情況下被排放至大氣中，容易造成大氣污染。由于水泥窯粉塵在化學(xué)成分上與水泥有一定相似性，而且相比普通水泥使用成本極低，若將其用于鹽漬土改良具有一定的潛在推廣價(jià)值；加之內(nèi)陸干旱地區(qū)中許多鹽漬土中Cl-含量過(guò)大，容易削弱水泥改良效果，單獨(dú)采用水泥改良并不經(jīng)濟(jì)。本文在某公路建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)采取了鹽漬土樣本，制備了不同水泥和水泥窯粉塵配比的改良土試樣，開展了擊實(shí)試驗(yàn)、UCS(無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)等，獲取了不同改良劑摻量下改良土物理力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，并分析了干濕循環(huán)和凍融循環(huán)對(duì)力學(xué)指標(biāo)的影響，探討了采用水泥窯粉塵改良此地區(qū)鹽漬土的可行性，并確定改良的合理配比，為高原荒漠地區(qū)鹽漬土路基填筑施工提供參考。

2 工程概況

該一級(jí)公路建設(shè)工程穿越地區(qū)屬暖溫帶高原荒漠干旱氣候，少雨、多風(fēng)、干旱，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季涼爽短促，降雨量年平均僅41.5 mm，蒸發(fā)量卻高達(dá)3 000 mm以上。日照時(shí)間長(zhǎng)，年平均高達(dá)3 358 h，光熱資源充足，降水過(guò)程主要集中在每年的5—9月間，占全年降水量的70%以上。年平均氣溫4.14 ℃。最冷月為1、2月，平均氣溫-20.6 ℃，極端最低氣溫-29.5 ℃；最熱月8月平均氣溫20.4 ℃，極端最高氣溫34.6 ℃。

區(qū)域內(nèi)鹽漬土廣泛分布，以粉細(xì)砂土、粉土為主，大部分鹽漬土路段地下水位0～3 m，蘆葦茂盛，地表結(jié)有隆起鹽殼，全線鹽漬土路段共計(jì)118.923 km/130段，均為氯鹽漬土，如圖1所示。

圖1 區(qū)域內(nèi)氯鹽漬土

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)材料

對(duì)采取的素土(未摻入改良劑)進(jìn)行了篩分試驗(yàn)(見圖2)，其級(jí)配曲線如圖3所示，從粒徑角度屬于粉砂土。試驗(yàn)中用于改良的水泥為普通硅酸鹽水泥P42.5，主要成分為CaO和SiO2，兩者含量約占89%，燒失量為0.95%。使用的水泥窯粉塵來(lái)自某水泥生產(chǎn)廠，由于沒(méi)有充分燃燒，相對(duì)水泥，水泥窯粉塵的化學(xué)成分更加復(fù)雜，CaO含量為48.8%，SiO2含量為18.1%，其他化學(xué)成分為Al2O3(4.25%)、Fe2O3(2.76%)、K2O(2.13%)、Na2O(3.77%)、SO3(3.78%)。

圖2 試驗(yàn)用土篩分試驗(yàn)

圖3 試驗(yàn)用土的級(jí)配曲線

3.2 試樣制備與試驗(yàn)過(guò)程

按照表1的方案對(duì)素土中摻入一定比例的改良劑，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁员Ｕ暇鶆蛐?。首先開展擊實(shí)試驗(yàn)以確定各個(gè)改良土試樣的最優(yōu)含水率，參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[10]。 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)參照《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)[11]，改良土被制成直徑100 mm、高200 mm的圓柱體試樣，在最優(yōu)含水率下壓實(shí)，本文主要研究改良鹽漬土填筑路堤的可行性，因此壓實(shí)度控制在94%左右(上路堤要求)，加載時(shí)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；CBR試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[10]，在此不做詳述。所有試樣均放置在環(huán)境控制室中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件[溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度95%以上]下養(yǎng)護(hù)7 d。

表1 改良土試樣制備方案Table 1 Preparation scheme of the improved soil sample改良劑摻量(與素土質(zhì)量比)/%水泥3、6、9水泥窯粉塵10、20、30水泥+水泥窯粉塵3+10、20、30

由于現(xiàn)場(chǎng)水位高度呈一定的季節(jié)性變化，路基土在毛細(xì)作用下吸入地下水，又通過(guò)蒸發(fā)作用散失水分，致使路基所處環(huán)境條件不斷變化。為了進(jìn)一步研究改良土填筑路基的耐久性，開展了改良鹽漬土的干濕循環(huán)試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)。土的耐干濕循環(huán)能力是指其抵抗自然環(huán)境中水分變化而發(fā)生性能衰減的能力，是衡量改良鹽漬土耐久性的重要指標(biāo)，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后的試件放于20 ℃的蒸餾水中浸泡24 h，再放入同溫度的烘箱中烘干24 h，以此為一次干濕循環(huán)，如此進(jìn)行4次干濕循環(huán)后再進(jìn)行UCS試驗(yàn)，并分析UCS的變化規(guī)律；而凍融循環(huán)試驗(yàn)則用于判斷改良鹽漬土抵抗自然環(huán)境中融凍破壞的能力，凍融循環(huán)試驗(yàn)共采用3次循環(huán)，并以試樣的最終質(zhì)量損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 擊實(shí)干密度和含水率

圖4(a)顯示了不同水泥摻量下改良鹽漬土的擊實(shí)曲線?？梢钥闯觯S著水泥摻量的增加，擊實(shí)曲線向左上方偏移，最大干密度持續(xù)升高，水泥摻量為0%(素土)、3%、6%、9%條件下的最大干密度分別為1.94、1.96、1.98、1.99 g/cm3。最大干密度的增加可能是水泥的比重(約3.11)高于鹽漬土的比重(約2.70)所致。此外，最優(yōu)含水率隨著水泥摻量的增加而略有下降，4種水泥摻量條件下最優(yōu)含水率分別為10.8%、10.4%、10%和9.7%，總體來(lái)看，水泥摻量變化對(duì)擊實(shí)曲線影響不大。

圖4(b)顯示了不同水泥窯粉塵(CKD)摻量下改良鹽漬土的擊實(shí)曲線?？梢钥闯?，隨著CKD摻量增加，改良鹽漬土的最大干密度略有降低，CKD摻量為10%、20%和30%時(shí)的最大干密度分別為1.93、1.89和1.88 g /cm3，這是CKD的密度較低所致。此外，CKD摻量越大，最優(yōu)含水率也越高，CKD摻量為10%、20%和30%時(shí)的最優(yōu)含水率分別為11.0%、12.6%和12.9%。

圖4(c)顯示了同時(shí)摻入水泥和CKD時(shí)改良鹽漬土的擊實(shí)曲線，其中水泥的摻量固定為3%?？梢钥闯觯牧纪磷畲蟾擅芏入S著CKD摻量的增加而總體減小，CKD摻量為10%、20%、30%時(shí)最大干密度分別為1.91、1.84和1.85 g /cm3。在摻入3%水泥的前提下，CKD摻量增加對(duì)最優(yōu)含水率的影響規(guī)律性不明顯。

(a) 摻入水泥

4.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)

圖5(a)顯示了不同水泥摻量下改良鹽漬土的UCS，每個(gè)相同試驗(yàn)條件下開展了2組平行試驗(yàn)。數(shù)據(jù)表明，UCS隨水泥摻量的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，水泥摻量為0%、3%、6%、9%條件下的UCS均值分別為156、349、513和1 474 kPa。水泥用于鹽漬土改良主要是通過(guò)水化反應(yīng)，例如水泥中硅酸三鈣在常溫下可通過(guò)水化反應(yīng)[見式(1)]生成水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)和氫氧化鈣，而C-S-H凝膠可以起到固化膠凝的作用，從而提高強(qiáng)度和承載力。

(a) 摻入水泥

3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+

(3-x)Ca(OH)2

(1)

圖5(b)顯示了不同CKD摻量下改良鹽漬土的UCS。如圖所示，CKD摻量為10%、20%和30%時(shí)的UCS均值分別為261、511和968 kPa，單獨(dú)摻入CKD的改良效果不如單獨(dú)摻入水泥，這是由于相對(duì)水泥，CKD的成分更加復(fù)雜，可參與水化反應(yīng)的CaO、SiO2等成分含量較低，雜質(zhì)更多。圖5(c)顯示了同時(shí)摻入水泥和CKD時(shí)改良鹽漬土的UCS，其中水泥摻量控制在3%，可以看出，摻入CKD為10%、20%和30% 時(shí)UCS均值分別為530、892和1 519 kPa。其中，摻入水泥3%+10%CKD時(shí)的UCS接近摻入水泥6%時(shí)的UCS，摻入水泥3%+30%CKD時(shí)的UCS接近摻入水泥9%時(shí)的UCS，可見CKD在提升無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度方面可以在一定程度上替代水泥。

4.3 CBR值

CBR試驗(yàn)是針對(duì)路基填料最重要的試驗(yàn)之一，因?yàn)樵诼坊盍线x取中首先應(yīng)考慮CBR值，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[12]，弱氯鹽漬土可以用于填筑一級(jí)公路的下路堤和上路堤，而下路堤的CBR要求值為3%，上路堤的CBR要求值為4%。圖6顯示了CBR值與水泥摻量的關(guān)系，從中可以看出，素土的CBR值并不能滿足路堤填筑要求，而隨著水泥摻量的增加，CBR值基本呈線性增長(zhǎng)，在摻入3%、6%、9%的水泥后，CBR值增長(zhǎng)率分別為46.5%、128.2%、237.3%。當(dāng)水泥摻量達(dá)到4.2%左右和6.3%左右，改良土的CBR值可以分別滿足下路堤和上路堤的填筑要求。

圖6 摻入水泥時(shí)改良土的CBR值

圖7顯示了同時(shí)摻入水泥和CKD時(shí)改良土的CBR值，其中水泥摻量固定在3%?？梢钥闯?，隨著CKD的增加，CBR值呈指數(shù)增長(zhǎng)，CKD摻量為10%、20%、30%時(shí)，CBR值增長(zhǎng)率分別為53.9%、76.5%和113.8%。在摻入水泥3%的前提下，加入9.1%左右的CKD可以使改良土的CBR值達(dá)到下路堤填筑的要求，而加入17.2%左右的CKD可以使改良土的CBR值達(dá)到上路堤填筑的要求?？梢姡尤隒KD可以減少水泥用量，而且CKD的成本遠(yuǎn)低于水泥的成本，因此采用水泥+CKD進(jìn)行聯(lián)合改良具有一定的可行性。

圖7 摻入水泥+CKD時(shí)改良土的CBR值

表2總結(jié)了改良鹽漬土的UCS和CBR試驗(yàn)結(jié)果。

表2 試驗(yàn)用土的UCS和CBR值Table 2 UCS and CBR of the tested soil土類型UCS/kPaCBR值/%試樣Ⅰ試樣Ⅱ均值素土1561.51.61.55素土+3%水泥3492.172.372.27素土+6%水泥5133.453.633.54素土+9%水泥1 4745.095.365.23素土+3%水泥+10%CKD5303.053.123.09素土+3%水泥+20%CKD8923.484.524.50素土+3%水泥+30%CKD1 5195.785.915.85

4.4 耐久性

干濕循環(huán)作用對(duì)改良土UCS的影響如表3所示。從表3可以看出，素土的水穩(wěn)性較差，干濕循環(huán)4次后強(qiáng)度損失率非常高，達(dá)到了32.1%，這對(duì)于路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性保持是十分不利的。而摻入改良劑后，強(qiáng)度損失率快速降低，而吸水率僅有小幅提升，采用3%水泥+10%CKD配比時(shí)強(qiáng)度損失率已低于20%，采用3%水泥+20%CKD配比時(shí)強(qiáng)度損失率已低于10%，說(shuō)明采用水泥+CKD的改良方法可以有效提高水穩(wěn)性。

凍融循環(huán)作用對(duì)改良土質(zhì)量的影響如表4所示。可以看出，素土的抗凍融性較差，質(zhì)量損失率達(dá)到了48.3%，加入水泥之后，質(zhì)量損失率仍然高達(dá)30.7%，表明隨著凍融循環(huán)進(jìn)行，一些易溶成分出現(xiàn)流失。而摻入CKD后，質(zhì)量損失率大幅降低。

表3 干濕循環(huán)對(duì)UCS的影響Table 3 Influence of dry-wet cycle on UCS類型正常養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度/kPa浸泡1 d的吸水率/%干濕循環(huán)4次后強(qiáng)度/kPa強(qiáng)度損失率/%素土15624.310632.1素土+3%水泥34921.527122.3素土+3%水泥+10%CKD53029.142619.7素土+3%水泥+20%CKD89228.68049.9素土+3%水泥+30%CKD1 51929.714236.3

表4 凍融循環(huán)對(duì)質(zhì)量的影響Table 4 The influence of freezing-thawing cycle on quality類型質(zhì)量損失率/%素土48.3素土+3%水泥30.7素土+3%水泥+10%CKD13.2素土+3%水泥+20%CKD8.7素土+3%水泥+30%CKD6.3

圖8為改良土耐久性對(duì)比柱狀圖，其中①號(hào)土代表?yè)饺?%水泥改良土，②號(hào)土、③號(hào)土、④號(hào)土均代表在上述基礎(chǔ)上再摻入10%、20%、30%CKD時(shí)的改良土。可以看出，摻入CKD后，抗凍融性的比水穩(wěn)性的提高更加顯著，而吸水率變化不大。綜合表3、表4和圖8，采用3%水泥+10%CKD配比時(shí)，強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率分別為19.7%和13.2%，相對(duì)素土耐久性得到了明顯提高。

圖8 改良土耐久性對(duì)比柱狀圖

5 結(jié)論

本文對(duì)某公路路基改良鹽漬土進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)，得到如下主要結(jié)論：

a.同時(shí)摻入水泥和CKD時(shí)，隨著CKD摻量增加，改良鹽漬土的最大干密度總體呈減小趨勢(shì)，而最優(yōu)含水率的變化缺少規(guī)律性。

b.單獨(dú)摻入CKD時(shí)，對(duì)于UCS的提升效果不如單獨(dú)摻入水泥；但摻入水泥3%+10%CKD時(shí)的UCS接近摻入水泥6%時(shí)的UCS，摻入水泥3%+30%CKD時(shí)的UCS接近摻入水泥9%時(shí)的UCS，可見CKD在提升UCS方面可在一定程度上替代水泥。

c.單獨(dú)摻入水泥時(shí)，當(dāng)水泥摻量達(dá)到4.2%左右和6.3%左右時(shí)，改良土的CBR值可以分別滿足下路堤和上路堤的填筑要求；而在摻入水泥3%的前提下，加入9.1%和17.2%的CKD，改良土的CBR值可以分別達(dá)到下路堤和上路堤的填筑要求。

d.對(duì)鹽漬土摻入CKD后，抗凍融性比水穩(wěn)性的提高更加顯著，而吸水率變化不大。采用3%水泥+10%CKD配比時(shí)，強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率分別為19.7%和13.2%，相比素土耐久性有了明顯提高。

e.綜合一系列試驗(yàn)分析的結(jié)果，摻入CKD可以節(jié)約改良時(shí)的水泥用量，成本更低，對(duì)該標(biāo)段可嘗試采用3%水泥+9.1%～10%CKD配比對(duì)鹽漬土進(jìn)行改良以填筑下路堤，采用3%水泥+17.2%CKD的配比進(jìn)行改良以填筑上路堤。