煤系地層高速公路路基石灰改性試驗研究

摘 要：為了研究煤系地層高速公路路基石灰改性工程性質(zhì)并確定最佳配比方案，以廣東省新博高速公路為研究對象，制備不同摻量配比的改性試樣，并對煤系邊坡穩(wěn)定程度進行了數(shù)值試驗。試驗結(jié)果表明，摻入生石灰和粉煤灰后，煤系邊坡穩(wěn)定程度明顯變大；在相同的生石灰用量下，粉煤灰摻量的增加，煤系邊坡穩(wěn)定程度先變大后變小；在相同粉煤灰用量下，生石灰摻量增加，煤系邊坡穩(wěn)定。通過改性試驗獲取粉煤灰15%+生石灰10%摻量的最佳配比方案，提高了煤系邊坡穩(wěn)定程度。

關(guān)鍵詞：煤系地層；石灰改性；數(shù)值試驗；粉煤灰；生石灰

中圖分類號：TU44;U412.36+6

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0080-04

Experimental study on lime modification of expressway subgrade in coal measure strata

DENG Mingchao

（GuangdongNanyue Transportation Xiongxin Highway Management Office，Nanxiong 512445，Guangdong China

）

Abstract：In order to study the engineering properties of lime modification of expressway subgrade in coal measures strata and to determine the optimal proportionscheme，Xinbo Expressway in Guangdong Province was taken as the research object，modified samples with different mix proportions were prepared，and numerical tests were carried out o determine the degree of stability of coal slopes.The test results showed that the stability of coal measures slope was obviously increased after mixingquicklime and fly ash; Under the same amount of quick lime，the stability of coal measures slope first increasedand then decreasedwith the increase of fly ash content; Under the same amount of fly ash，the addition of quicklime increasedand the coal measure slope was stable.The best proportion scheme of 15% fly ash+10% quicklime was obtained through modification test，which improved the stability of coal measures slope.

Key words：coal measure strata;lime modification;numerical test;fly ash;quick lime

廣東高速公路沿線有軟土、煤系地層及花崗巖的球形風化殘積土，煤系地層是一種很普遍的地層，煤系土質(zhì)具有軟硬不勻、土層與土層之間粘接性不強、遇水容易軟化、路基不穩(wěn)定、容易被沖刷的特點，暴雨時會造成大量水土流失，出現(xiàn)大量溝槽，不能滿足工程質(zhì)量要求。另一方面，項目建設(shè)時，將產(chǎn)生大量煤系棄土，受地形條件制約，垂直方向的土石方調(diào)運難度較大，將邊坡或路基挖除的煤系土通過改良利用作路基填料，具有較大的經(jīng)濟效益，也有利于環(huán)境保護。因此在廣東省新博高速公路修建之際，開展煤系土填筑利用及路塹高邊坡處治技術(shù)研究工作，為廣東省高速公路煤系土層填筑利用及路塹邊坡設(shè)計和施工關(guān)鍵技術(shù)提供理論支持。根據(jù)煤系地層工程特性和煤系邊坡穩(wěn)定需求，改性高速公路路基石灰，對工程進展具有重要的實際意義。

1 項目簡況

廣東省新博高速公路是武（漢）深（圳）高速公路的一部分，該公路為雙向6車道，項目起點位于韶關(guān)市新豐縣，與大廣高速公路相接，途經(jīng)惠州市龍門縣，跨廣河高速公路，終于博羅縣與博深高速公路順接，并與廣惠高速公路相接，本項目全長107.781 km，采用雙向6車道高速公路標準，設(shè)計速度分段采用100 km/h、120 km/h（會前樞紐至龍?zhí)锘ネú捎?00 km/h，其余段落采用120 km/h），路基寬度分別為33.5 m、34.5 m，主線橋梁23 212.1m/76座（其中，特大橋2 576.6 m/2座、大橋19 481.6 m/56座、中橋1 153.9 m/18座）；隧道8 269.5 m/3座，其中，特長隧道5 480 m/1座，長隧道2 789.5 m/2座；互通立交11座（會前樞紐互通、新豐南互通、藍田互通、龍?zhí)锘ネ?、龍門互通、龍江互通、蒲田樞紐互通、官山互通、平安互通、湖鎮(zhèn)互通、博羅樞紐互通），服務(wù)區(qū)2處（龍門服務(wù)區(qū)、平安服務(wù)區(qū)），停車區(qū)2處（藍田停車區(qū)、響水停車區(qū)），管理中心1處。

2 試驗材料、原理及方案

開展煤系地層工程性質(zhì)研究，進行煤系地層高速公路路基石灰改性試驗，通過摻入不同比例石灰、水泥等加固材料，對煤系邊坡穩(wěn)定程度進行了優(yōu)化，并給出了最佳配比方案。

2.1 試驗材料和儀器

（1）試驗選取了典型軟土區(qū)域樣品，該土樣為距離地表2.0 m的深度土壤［2］。所選取的土樣顏色較深，是一種淤泥質(zhì)粘土，該粘土物理力學性質(zhì)如表1所示。

（2）試驗選取了某火電廠的粉煤灰，其化學組成成分是SiO2和Al2O3，占總含量的78%；其他組分含量低，只有1.35%的CaO，說明選取的粉煤灰是具有一定活性的［3-4］。粉煤灰化學組成成分，如表2所示。

（3）生石灰選用市面上常見的生石灰，其化學成分為鈣質(zhì)生石灰，經(jīng)粉碎處理后，可達一級等級［5］。

（4）使用的水泥也是C32.5等級的礦渣水泥。使用CeR6de 掃描電鏡，為試驗結(jié)果提供銳利的SEM成像。掃描電鏡的高能電子束經(jīng)過聚焦后，集中在試樣上，經(jīng)過掃描后獲取試樣物理成分［6］。

2.2 試驗原理

2.2.1 粉煤灰的水解和水化反應(yīng)

粉煤灰遇水后，其顆粒表面的礦物質(zhì)能快速水解水合，并產(chǎn)生活性SiO2和Al2O3，二者經(jīng)過化學反應(yīng)生成鈣化物，這種物質(zhì)是一種水硬性化合物，經(jīng)過一段時間后粉煤灰玻璃體表逐步結(jié)晶，使泥土中的微粒相互結(jié)合［7-8］。

2.2.2 離子交換和團粒化作用

普通軟粘土表面存在Na+、K+、Fe2+、Mg2+等離子，當粉煤灰摻入軟粘土后，經(jīng)過硫化反應(yīng)更小的土粒形成更大的團塊［9］。它具有較高的表面能，可以使更大的土塊聚集物進一步聯(lián)合形成粘結(jié)物，從而使每個土塊的孔隙都被封住。二者間有較強的連接，使土壤強度得到進一步改善［10］。

2.2.3 硬凝反應(yīng)

當粉煤灰遇水后，產(chǎn)生了水解和水化反應(yīng)，大量鈣離子從溶液中析出。在堿性環(huán)境下，活性SiO2和Al2O3與普通軟粘土產(chǎn)生了化學反應(yīng)，化學反應(yīng)方程式為：

SiO2+Ca（OH）2+nH2O→CaO·SiO2·（n+1）H2O

Al2O3+Ca（OH）2+nHH2O→CaO·Al2O3·（n+1）H2O

粉煤灰在軟土中逐步形成穩(wěn)定的晶體，不能溶解于水中。隨著水分和大氣的作用，粉煤灰土的硬度不斷提高［11］。從以上機制分析可知，粉煤灰水解和水化是離子交換、團聚和硬化基本條件，同時也是影響其反應(yīng)主要因素。盡管粉煤灰的強弱取決于離子交換和凝聚，但它們會使土塊間的空隙與空氣、水分的流通受阻，從而延緩了粉煤灰的固化。因此，后期粉煤灰土的強度得到了顯著提高［14］。

2.3 試驗方案

2.3.1 粉煤灰摻量比方案

作為數(shù)值對比試驗，設(shè)置了100 d齡期，制作生石灰摻灰比5%和10%，在這兩個級別下，分別制作不同齡期下?lián)饺?%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%的粉煤灰。然后將其與不同水分的粘土混合，制作出不同試驗塊。此外，由于粉噴樁施工特殊性，粉體加固材料最大用量與施工機械性能、施工質(zhì)量、土體性質(zhì)等因素有關(guān)［15］。因此，在施工過程中，最大噴粉量不能超過60 kg/m。通常的噴粉量是50 kg/m，噴粉樁的直徑是500 mm。

2.3.2 生石灰摻量比方案

作為數(shù)值對比試驗，在齡期為100 d下，制作生石灰摻灰比5%，摻入0%、5%、10%、15%、20%、 25%、30%、35%、40%的粉煤灰;生石灰摻灰比10%，摻入0%、5%、10%、15%、 20%、 25%、30%、35%、40%的粉煤灰兩組試樣。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 粉煤灰摻量比對煤系邊坡穩(wěn)定程度影響

在煤系地層中，當生石灰用量為5%、10%時，不同齡期的固化土試樣與煤系邊坡穩(wěn)定程度關(guān)系如圖1所示。

由圖1（a）可知，生石灰摻量為5%時，煤系邊坡穩(wěn)定程度在粉煤灰摻量小于10%時，隨著粉煤灰摻量增加而變大；當粉煤灰摻量超過10%后，煤系邊坡穩(wěn)定程度逐漸降低，說明粉煤灰摻量10%為該試驗情況下的最優(yōu)值，一旦摻量超過該值，在飽水狀態(tài)下出現(xiàn)較大的軟化現(xiàn)象，造成煤系邊坡穩(wěn)定程度較低。

由圖1（b）可知，生石灰摻量為10%時，與生石灰摻量為5%時變化規(guī)律一致。只是該摻量下不同齡期，煤系邊坡穩(wěn)定程度比生石灰摻量為5%的煤系邊坡穩(wěn)定。

通過上述分析可知，在粉煤灰摻量比不變情況下，煤系邊坡穩(wěn)定程度隨齡期增長而變大；在摻入生石灰和粉煤灰后，煤系邊坡穩(wěn)定程度明顯變大；在相同的生石灰用量下，各齡期的煤系邊坡穩(wěn)定程度呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨著粉煤灰摻量的增加，煤系邊坡穩(wěn)定程度先變大后變小。通過粉煤灰摻量比對煤系邊坡穩(wěn)定程度影響可知，粉煤灰摻量比一定情況下，10%的生石灰摻量比5%的生石灰摻量煤系邊坡更加穩(wěn)定。

3.2 生石灰摻量比對煤系邊坡穩(wěn)定程度影響

對100 d齡期不同生石灰摻量的粉煤灰與煤系邊坡穩(wěn)定程度的關(guān)系進行了對比分析，如表3所示。

由表3可知，當粉煤灰摻量相同時，10%生石灰摻量的煤系邊坡穩(wěn)定程度比5%生石灰摻量的煤系邊坡穩(wěn)定程度更大。在粉煤灰摻量為15%時，加入10%生石灰的煤系邊坡穩(wěn)定程度比加入5%生石灰的煤系邊坡穩(wěn)定程度高30%。

通過上述分析結(jié)果可知，加入10%生石灰可以提高煤系邊坡穩(wěn)定程度。

3.3 齡期對煤系邊坡穩(wěn)定程度影響

根據(jù)上述實驗結(jié)果，當粉煤灰摻量為15%時，煤系邊坡穩(wěn)定程度達到最大，因此，對15%粉煤灰摻入不同的生石灰摻量進行了研究，如表4所示。

由表4可知，通過與未添加石灰的素土穩(wěn)定程度進行比較，發(fā)現(xiàn)5%生石灰的煤系邊坡穩(wěn)定程度隨齡期增長而遞增，但增長幅度較小。由此說明，添加10%生石灰后，其煤系邊坡穩(wěn)定程度比素土要大。隨著齡期的增長，加入適量生石灰后，會逐漸產(chǎn)生消化作用，吸收孔隙間的自由水，從而減少顆粒間水膜，強化結(jié)合，并與粉煤灰反應(yīng)，形成堅固結(jié)合，從而提高其穩(wěn)定程度。通過齡期對煤系邊坡穩(wěn)定程度影響可知，摻量配比為粉煤灰15%+生石灰10%時，煤系邊坡更加穩(wěn)定。

3.4 掃描電鏡試驗結(jié)果分析

使用CeR6de 掃描電鏡，在300倍透鏡下通過聚焦電子束掃描試樣表面，得到了不同摻量煤系邊坡內(nèi)部土粒特性，如圖2所示。

由圖2可知，素土時，土壤粒子緊密地接觸，無特殊摻量結(jié)合，具有更大孔隙率；在粉煤灰15%+生石灰5%摻量配比下，土壤粒子間有石灰粘合，而石灰則充滿了部分孔隙；在粉煤灰15%+生石灰10%摻量配比下，孔隙率降低，顯著改善了土壤粒徑，更多的石灰層被填入土壤微粒。

4 結(jié)語

（1）摻入生石灰和粉煤灰后，煤系邊坡穩(wěn)定程度明顯變大；

（2）在相同的生石灰用量下，粉煤灰摻量的增加，煤系邊坡穩(wěn)定程度先變大后變小；

（3）在相同粉煤灰用量下，生石灰摻量增加，煤系邊坡穩(wěn)定；

（4）獲取最佳摻量配比方案，即粉煤灰15%+生石灰10%，改善土壤粒徑，煤系邊坡更加穩(wěn)定。

通過對不同配比摻量分析，確定了煤系邊坡穩(wěn)定程度的最佳配比方案，為邊坡穩(wěn)定性提供了技術(shù)保障。

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收稿日期：2023-06-16；修回日期：2023-09-16

作者簡介：鄧明超（1989-），男，工程師，主要從事高速公路建設(shè)相關(guān)研究；E-mail：358349522@qq.com。

基金項目：廣東省交通廳2015年度科技計劃項目（項目編號：201502008）。

引文格式：鄧明超.煤系地層高速公路路基石灰改性試驗研究［J］.粘接，2023，50（11）：80-83.