淤泥質(zhì)土改良后路用性能的研究

侯鳳健

（山東交通學(xué)院，山東 濟南 250032）

1 引言

隨著環(huán)境綜合治理體系的提出，河道的治淤越來越受到重視。通過對河道淤泥性能指標(biāo)的研究，發(fā)現(xiàn)淤泥質(zhì)土具有高含水率、高孔隙率、低強度的特點[1，2]。目前，淤泥質(zhì)土的治理主要集中在三方面，一是采用傳統(tǒng)方式直接將淤泥質(zhì)土挖出，就近堆放晾曬[3，4]，但此方法會造成土地的占用和污染；二是通過物理或化學(xué)方法進行河底固化處理，固化后的淤泥繼續(xù)充當(dāng)河床的一部分，但河底淤泥固化過程操作難度大，固化后會對河道造成二次污染；三是將淤泥挖出后摻加無機結(jié)合料進行改良，用作路基工程的建設(shè)[5-7]。國內(nèi)外對摻加無機結(jié)合料進行淤泥質(zhì)土的改良研究較多，但都局限在單一或是兩種組合的改良材料中，改良材料多為水泥、石灰、粉煤灰[8-10]，且只研究應(yīng)用于路面單一結(jié)構(gòu)層中的性能。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，采用正交試驗方法，通過室內(nèi)試驗研究摻加不同摻量鋼渣或水泥后，改良的淤泥質(zhì)土應(yīng)用于公路路基和路面基層的路用性能，并提出鋼渣或水泥的最佳摻量，作為工程參考。

2 試驗方案

2.1 試驗原材料

為了更好地研究改良后淤泥質(zhì)土應(yīng)用于公路路基和路面基層的路用性能，綜合考慮《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610-2019）和《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20-2015）中對所選水泥、石灰、粉煤灰及鋼渣粉的技術(shù)要求，本次水泥選用P·O 42.5 的普通硅酸鹽水泥，石灰選用磨細的Ⅱ類鈣質(zhì)生石灰粉，粉煤灰選用硅鋁粉煤灰，鋼渣選用破碎后堆存超過半年的鋼渣，水選用生活飲用水，淤泥選用某湖泊湖底開挖的淤泥質(zhì)土。各項性能指標(biāo)見表1～表6。

表1 水泥性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表2 Ⅱ類鈣質(zhì)生石灰粉性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表3 粉煤灰性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表4 鋼渣性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表5 鋼渣顆粒組成檢測結(jié)果

表6 淤泥質(zhì)土性能指標(biāo)檢測結(jié)果

由表1～表5可知，水泥、石灰、粉煤灰及鋼渣粉的各項性能指標(biāo)均符合《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610-2019）和《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20-2015）中相應(yīng)的技術(shù)要求。其中，水泥還滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）的技術(shù)要求，鋼渣還滿足《道路用鋼渣》（GB/T 25824-2010）中石灰粉煤灰穩(wěn)定鋼渣混合料用于基層懸浮密實型的技術(shù)要求。

由表6及《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430-2020）可知，該淤泥質(zhì)土為低液限黏土。

2.2 試驗方案的選取

當(dāng)粉煤灰和生石灰（以下簡稱“二灰”）外摻分別為15%和10%混合后對淤泥質(zhì)土的加固效果明顯[8]。基于該外摻摻配比例，分別加入20%、30%和40%的鋼渣，以及分別加入4%、6%和8%的水泥，研究改良后淤泥質(zhì)土性能的變化，以A～G 對7 種不同摻配比例的改良混合料依次編號，摻配比例見表7。

表7 各種摻配比例（%）匯總表

3 性能研究

3.1 室內(nèi)擊實試驗

為了保證路基及基層材料的強度、不透水性及強度穩(wěn)定性，減少因壓實不足導(dǎo)致的裂縫、沉陷和水損害等病害的發(fā)生，工程中常采用室內(nèi)擊實試驗進行最大干密度和最佳含水量的測定，以保證壓實效果，依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）中T 0804-1994，選用甲法進行試樣的制備及擊實。試驗結(jié)果見表8。

表8 最大干密度和最佳含水量試驗結(jié)果

由表8 可以得出，相比淤泥質(zhì)土，當(dāng)加入10%石灰粉和15%粉煤灰（編號A）后，最佳含水量增加1.2%，最大干密度減小0.112g/cm3。這是由于石灰粉和粉煤灰加入后與水發(fā)生一系列的反應(yīng)，需要消耗大量的水分，使得最佳含水量增加；但是水分的增加，使得內(nèi)部顆粒之間的摩擦力增加，擊實難度增加，最大干密度減小。

當(dāng)摻入鋼渣后，隨著鋼渣摻量的增加，最大干密度逐漸增大，最佳含水量卻呈減小趨勢，當(dāng)鋼渣摻量為20%（編號B）、30%（編號C）和40%（編號D）時，相較于僅加入10%石灰粉和15%粉煤灰（編號A），最大干密度分別增長9.2%、12.3%和13.4%，最佳含水量卻以0.5%～1.0%的趨勢減少。這是由于鋼渣屬于粒徑較大的粗骨料，密度大，使得干密度增加，且顆粒間分子引力小而使其結(jié)合水厚度小，結(jié)合力差，親水性小[1]。

當(dāng)摻入水泥后，隨著水泥摻量的增加，最大干密度和最佳含水量均增長，當(dāng)水泥摻量為4%（編號E）、6%（編號F）和8%（編號G）時，相較于僅加入10%石灰粉和15%粉煤灰（編號A），最大干密度分別增長4.0%、6.0%和7.9%，最佳含水量分別增加0.2%、0.5%和0.8%。水泥發(fā)生水化反應(yīng)，需要吸收部分水，使得最佳含水量增加，水泥中的游離鈣與淤泥中的SiO2和Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)晶物質(zhì)，使得最大干密度增大。

3.2 室內(nèi)承載比（CBR）試驗

工程中常用室內(nèi)承載比（CBR）試驗反映路基材料的承載能力，《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610-2019）中對路基填料的最小承載比做了明確的技術(shù)要求，依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430-2020）中T 0134-2019的試驗方法，采用表8中測定的最大干密度和最佳含水量成型CBR試件，泡水4d后對淤泥質(zhì)土及改良后的混合料進行承載比試驗，試驗結(jié)果見表9。

表9 CBR試驗結(jié)果

由表9 可以得出，淤泥質(zhì)土中加入二灰（編號A）后，CBR值較淤泥質(zhì)土增加5.8%。這是由于石灰、粉煤灰與淤泥質(zhì)土之間發(fā)生了離子交換，產(chǎn)生了提高土體堅固性和強度的鈣物質(zhì)，使得CBR值增大。

二灰改良淤泥質(zhì)土（編號A）后再加入鋼渣，使得CBR值明顯提高，當(dāng)鋼渣摻量為20%（編號B）、30%（編號C）及40%（編號D）時，與二灰改良淤泥質(zhì)土（編號A）相比，CBR 值分別增加29.1%、44.0%及58.4%，原因是加入鋼渣后，鋼渣與土顆粒之間的空隙變小，土體更加密實，CBR值增大。

隨著二灰改良淤泥質(zhì)土中加入水泥（編號E、F、G），CBR值也在逐漸增大，說明水泥摻量對改良后淤泥質(zhì)土的CBR有積極作用。

3.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度是無機結(jié)合料穩(wěn)定材料配合比設(shè)計以及現(xiàn)場施工質(zhì)量檢測的主要參數(shù)?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)細則》（JTG/T F20-2015）中對不同無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的無側(cè)限抗壓強度作了技術(shù)要求，依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）中T 0805-1994 的試驗方法，進行養(yǎng)生齡期分別為7d、14d和28d的無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見表10。

表10 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

由表10 可以得出，對于淤泥質(zhì)土，不管是加入二灰，還是在二灰的基礎(chǔ)上摻加鋼渣或水泥，都能明顯提高淤泥質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度。

淤泥質(zhì)土中僅加入二灰（編號A），7d 無側(cè)限抗壓強度就可滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20-2015）中對石灰粉煤灰穩(wěn)定材料底基層的技術(shù)要求；在二灰穩(wěn)定淤泥質(zhì)土的基礎(chǔ)上，摻加6%的水泥（編號F），7d 無側(cè)限抗壓強度可滿足規(guī)范中對水泥粉煤灰穩(wěn)定材料底基層的技術(shù)要求。

摻入20%鋼渣（編號B）與摻入6%水泥（編號F）的混合料7d 無側(cè)限抗壓強度數(shù)值相同，但摻入鋼渣的混合料較摻入水泥的混合料14d和28d的強度增長更快。

隨鋼渣摻量的增加，7d、14d和28d的無側(cè)限抗壓強度均出現(xiàn)增長的趨勢，當(dāng)養(yǎng)護7d 時，30%的摻量（編號C）較20%的摻量（編號B）增長24.1%，40%的摻量（編號D）較30%的摻量（編號C）增長16.7%；當(dāng)養(yǎng)護14d 時，30%的摻量較20%的摻量增長21.4%，40%的摻量較30%的摻量增長5.9%；當(dāng)養(yǎng)護28d 時，30%的摻量較20%的摻量增長23.8%，40%的摻量較30%的摻量增長3.8%，從經(jīng)濟和強度的增長趨勢考慮，鋼渣的摻量應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟和強度的增長趨勢。

隨著水泥摻量的增加（編號E、F、G），無側(cè)限抗壓強度出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，說明存在最佳水泥摻量。

4 結(jié)語

①對于淤泥質(zhì)土，不管是僅加入二灰，還是在二灰的基礎(chǔ)上摻加鋼渣或水泥，都能滿足《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610-2019）中對各種公路路基所有部位所用填料最小承載比的技術(shù)要求，施工中要根據(jù)實際CBR設(shè)計值進行選用。

②對于二灰改良淤泥質(zhì)土，摻加鋼渣或水泥均能很大程度提高無側(cè)限抗壓強度，根據(jù)基層或底基層的施工需要選擇合適的摻配比例，考慮經(jīng)濟性和強度增長趨勢，鋼渣摻量宜控制在30%，水泥摻量應(yīng)不超過6%。