磷石膏穩(wěn)定紅黏土路基施工技術(shù)研究

張凱 陳開圣

摘 要：為了充分利用磷石膏固廢資源，同時改善紅黏土工程特性，依托國道G210都勻陽安至影山公路改擴建工程，以磷石膏穩(wěn)定紅黏土作路基填料，基于現(xiàn)場試驗，對水泥磷石膏穩(wěn)定紅黏土路基施工技術(shù)、施工過程和含水率、水泥含量、壓實度3個重要參數(shù)的控制與檢測進行了研究。針對材料特性，通過規(guī)范取土場地拌和、廠伴法拌和的流程，采用覆蓋嚴密運輸、特定鋪攤、整平與碾壓的方法來解決條件受限、質(zhì)量難以控制的問題。結(jié)果表明，試驗路段路基質(zhì)量良好，彎沉量、平整度、沉降量都滿足標準要求，水泥∶磷石膏∶紅黏土=5∶47.5∶47.5的混合料可以用作路基填料。

關(guān)鍵詞：磷石膏；紅黏土；施工工藝；質(zhì)量控制

中圖分類號：TU446；TU435

文獻標志碼：A

紅黏土廣泛分布于我國云貴高原及廣西等地，具有高含水率、高液限、高孔隙比等工程特性，難以直接應(yīng)用到公路建設(shè)中［1］。貴州省擁有開陽、甕福2個大型富磷礦，年總生產(chǎn)能力己達10萬t。目前，磷石膏的綜合利用率尚不足25%，大部分需要堆放和填埋［2-3］。為了充分利用磷石膏固廢資源，同時改善紅黏土工程特性，研究磷石膏穩(wěn)定紅黏土路基施工技術(shù)具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。馬超［4］通過現(xiàn)場試驗得出在道路路面基層施工中采用磷石膏水泥穩(wěn)定碎石基層具有可行性，并給出了有效的磷石膏穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)。丁建文等［5］通過現(xiàn)場試驗得出可以大量使用磷石膏穩(wěn)定土作路基的填充材料。唐慶黔等［6］通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)磷石膏遇水飽和后不容易壓實，但外摻一定量的磷石膏能夠提高石灰粉煤灰基層的早期強度。李俊鵬等［7］通過試驗路修筑論證磷石膏用于路基工程的可行性，發(fā)現(xiàn)磷石膏用作路基填料時并不會污染周圍環(huán)境，且試驗路周圍植被長勢良好。胡彪等［8］將生石灰改性的磷石膏應(yīng)用到公路工程中，結(jié)果表明：改性磷石膏用于工程實際是具有良好的安全環(huán)保性和結(jié)構(gòu)功能性，對生態(tài)環(huán)境影響較小，能夠提升磷石膏的綜合利用率。

綜上所述，關(guān)于磷石膏穩(wěn)定紅黏土路基施工技術(shù)尚不多見。本文依托國道G210都勻陽安至影山公路改擴建工程為試驗路，通過理論分析、現(xiàn)場試驗，提出磷石膏穩(wěn)定紅黏土路基施工工藝和質(zhì)量控制技術(shù)，為磷石膏穩(wěn)定紅黏土路基施工推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 配合比設(shè)計

1.1 原材料性能

紅黏土取自貴州省都勻市，土質(zhì)均勻，具有結(jié)構(gòu)致密、天然含水率高、黏聚力大等特點。紅黏土基本物理指標見表1。

磷石膏來自貴州省甕福磷礦，含有磷、氟、有機物等有害雜質(zhì)。對磷石膏進行重金屬含量檢測，檢測結(jié)果符合國家標準要求。磷石膏基本參數(shù)如表2所示。綜合考慮混合料力學(xué)強度及經(jīng)濟效益，水泥采用PC32.5普通硅酸鹽水泥，固化劑采用OTS-2。

1.2 配合比設(shè)計

基于課題組研究成果［9-10］，使用高摻量磷石膏時，水泥摻量推薦范圍為4%～6%，配比為磷石膏∶紅黏土=1∶1、1∶2、1∶3，磷石膏摻量范圍為23.25%～48.50%。固化劑均推薦采用OTS-2固化劑，水泥摻量5%。通過擊實試驗、水穩(wěn)定性、CBR值一系列室內(nèi)試驗確定表3的2個推薦配合比。

2 磷石膏穩(wěn)定土路基施工技術(shù)

2.1 工程概況

試驗路位于國道G210都勻陽安至影山公路改擴建工程ZK29+020—ZK29+120處（獨山縣影山鎮(zhèn)境內(nèi)），采用一級公路標準，設(shè)計速度100 km/h，地基寬度采用26 m，雙向六車道。施工長度100 m，寬度3 m，高度0.9 m。試驗路平面鋪筑示意圖如圖1所示。

2.2 施工工藝

2.2.1 施工準備

水泥和磷石膏摻拌前應(yīng)堆放成堆，并用篷布和土覆蓋做好排水，防止水泥和磷石膏水化影響混合料的強度。施工前應(yīng)對原地面進行復(fù)測、核對或補充橫斷面。

2.2.2 下承層處理

對下承層進行整平，根據(jù)地形條件選擇碾壓、強夯或換填，使用壓路機來回靜壓2 次，低頻震動壓實2 次，高頻震動壓實2 次，再低頻震動壓實2次，最后靜壓2 次，直至原地基表面無明顯痕跡，確保達到設(shè)計要求。對不滿足承載要求設(shè)計又未提出處理方法的路段，應(yīng)及時向監(jiān)理工程師及設(shè)計院報告，確定原路基處理方案。

2.2.3 鋪設(shè)土工膜/土工布

下承層處理完畢后，在其上鋪筑土工膜，再進行磷石膏穩(wěn)定土的填筑，目的是將磷石膏穩(wěn)定土層中的滲流液引流至積水池中，便于定期地對滲流液進行磷、氟和重金屬含量檢測。

2.2.4 拌和

1）取土場拌和

（1）嚴禁在大風天氣或陰雨天氣進行摻灰作業(yè)。

（2）在取土場范圍內(nèi)挖設(shè)探坑，按斗深分層測定取土層的含水量。

（3）取土地塊要求平整，按含水量分布劃分地塊。地塊長度一般取100～200 m，寬度取30～50 m。

（4）根據(jù)混合料配合比計算水泥、磷石膏、固化劑和土樣的用量，使用裝載機及自卸式汽車運送所需材料至拌和場地，采用挖掘機按斗深翻拌。

（5）下雨時，未能及時運走的混合料應(yīng)用篷布及時苫蓋。

2）廠拌法拌和

（1）對于高速公路和一級公路，宜根據(jù)項目需求采用專用穩(wěn)定土集中廠拌機械進行拌制。

（2）石灰/水泥土廠拌設(shè)備的拌和能力與攤鋪能力應(yīng)相匹配，拌合設(shè)備產(chǎn)量宜大于500 t/h。

（3）拌和廠應(yīng)安置在地勢相對較高的位置，并做好排水設(shè)施。

（4）拌和廠場地應(yīng)平整并具有足夠的承載能力。高速公路和一級公路的拌和廠，場地應(yīng)采用混凝土硬化，混凝土強度等級應(yīng)不低于C15，厚度應(yīng)不小于200 mm。

（5）水泥、磷石膏和土等原材料在存放過程中嚴禁混入其他雜質(zhì)，應(yīng)分檔隔倉堆放，設(shè)置明顯標志，并應(yīng)苫蓋。對于高速公路和一級公路，上述材料嚴禁露天堆放，應(yīng)放置于專門搭建的防雨棚內(nèi)或庫房內(nèi)。

（6）集中拌和時，土塊應(yīng)粉碎，最大尺寸應(yīng)不大于15 mm。

（7）廠拌設(shè)備的各個料倉之間的擋板高度應(yīng)不小于1 m。

（8）廠拌設(shè)備的每個料斗與料倉下面應(yīng)安裝稱量精度達到±0.5%的電子秤。

（9）采用廠拌法施工前應(yīng)先調(diào)試拌和設(shè)備，找出各料斗閘門的開啟刻度（簡稱開度），測定各種原材料的流量—開度曲線，以確保按設(shè)計配合比拌和。

（10）在正式拌制混合料之前，應(yīng)先調(diào)試所用的設(shè)備，使水泥摻量符合配合比設(shè)計的規(guī)定要求。

（11）在拌和過程中，實時監(jiān)測磷石膏和土料倉的生產(chǎn)計量，對高速公路和一級公路，應(yīng)每6 h打印各檔料倉的使用量。當水泥實際摻加量與設(shè)計要求值相差超過20%時，應(yīng)立即停機檢查原因，正常后方可繼續(xù)生產(chǎn)。

2.2.5 運輸

（1）對高速公路和一級公路，應(yīng)對拌合好水泥、磷石膏穩(wěn)定土取料，每隔5 h測定一次含水率，每隔10 h測定一次生水泥劑量，并做好記錄。

（2）根據(jù)工程量的大小和運輸距離的長短，配備足夠數(shù)量的運輸車。

（3）運輸車裝料前應(yīng)清理干凈車廂，不得存有雜物。

（4）運輸車裝好料后，應(yīng)用篷布將廂體覆蓋嚴密，直到卸料時方可打開。

2.2.6 攤鋪與整平

（1）水泥磷石膏穩(wěn)定土由自卸式汽車運送至施工現(xiàn)場后，并按計算的土方量分批定量放入方格網(wǎng)內(nèi)，隨后采用推土機進行攤鋪。攤鋪過程中保證攤鋪均勻，并嚴格控制攤鋪時間以減少水分的損失。為保證拌合均勻，必要時攤鋪過程采用人工輔助。

（2）攤鋪后的混合料首先結(jié)合設(shè)計高程確定的高程控制墩和松鋪厚度，采用推土機粗平。部分低洼處及時補充混合料成品，消除攤鋪產(chǎn)生的波浪和溝槽等，使路床表面大致平整。粗平后采用平地機進行精平，精平前設(shè)置高程控制墩，用平地機根據(jù)測量高程由兩側(cè)向中心進行刮平。對于局部低洼處，將其表層 8 cm以上的混合料翻松，并用備好的混合料進行找補平整。在整平過程中，嚴禁任何車輛通行，平地機應(yīng)“帶土”作業(yè)，切忌薄層找補。拌和混合料時要適當考慮富余量，整平時寧刮勿補。為便于施工排水，整平過程中應(yīng)控制路基表面橫坡在 3%左右。

2.2.7 碾壓

（1）水泥土路基應(yīng)分層填筑壓實，碾壓時混合料含水率應(yīng)控制在最佳含水率的±2%范圍內(nèi)。

（2）水泥土的碾壓應(yīng)遵循先輕后重、先穩(wěn)后振、先慢后快的原則。整個碾壓過程分為初壓、復(fù)壓、終壓3 個環(huán)節(jié)，碾壓設(shè)備應(yīng)采用振動壓路機。

（3）初壓采用靜壓，碾壓速度宜為1.5～2.5 km/h，碾壓1遍。當路基無超高時，壓路機應(yīng)從外側(cè)路肩向路中心碾壓；當有超高時，壓路機應(yīng)從路中心向外側(cè)路肩碾壓。

（4）復(fù)壓采用弱振碾壓，碾壓速度宜為2.5～3.5 km/h，碾壓1遍。碾壓完成后，用平地機進行整平。

（5）整平后進行終壓，終壓采用強振碾壓，碾壓遍數(shù)3～4 遍，碾壓速度宜為3.0～4.0 km/h。終壓結(jié)束后，水泥土應(yīng)滿足壓實度要求，且應(yīng)無明顯輪跡。

（6）不論初壓、復(fù)壓還是終壓，碾壓時，相鄰碾壓帶均應(yīng)重疊1/3～1/2碾壓帶寬度，碾壓完路面全寬時為碾壓1遍。

（7）壓路機的碾壓段長度以與攤鋪機速度平衡為原則選定，并且保持穩(wěn)定，碾壓段縱向搭接碾壓長度不小于1 m。

（8）碾壓過程中，壓路機起車、停車要緩慢，不得在未碾壓完畢的路基上急?；虻纛^。嚴格控制石灰土的含水率，防止碾壓過程中路基出現(xiàn)“彈軟”現(xiàn)象。碾壓面如有彈軟、松散、起皮等現(xiàn)象，應(yīng)及時挖除材料，并用新的填料進行回填處理。

（9）碾壓完成后的路基表面應(yīng)平整、堅實，無明顯輪跡、翻漿、波浪、起皮等現(xiàn)象，路基邊坡應(yīng)密實、穩(wěn)定、平順。

2.2.8 養(yǎng)生

水泥磷石膏穩(wěn)定土路基在壓實結(jié)束后，灑水養(yǎng)生7 d ，養(yǎng)生期間封閉交通。用灑水車灑水時，灑水車的噴頭要用噴霧式，不得用高壓式噴管，以免對路基造成沖刷破壞。

2.3 施工質(zhì)量控制

2.3.1 含水率控制

為嚴格控制施工中混合料含水率，分施工前、中、后3次檢測含水率。另外，考慮到水分揮發(fā)的影響，在每層混合料鋪筑的時候，均需要對攤鋪后的混合料含水率進行檢測。施工完畢，經(jīng)檢測得到配合比1和配合比2混合料實際含水率分別為22.19%、19.54%。由于配合比1和配合比2混合料最佳含水率分別為23.53%、18.74%，實際含水率位于最佳含水率±2%范圍內(nèi)，滿足施工要求。含水率檢測如圖2所示。

2.3.2 水泥劑量控制

本次檢測采用EDTA劑量滴定法檢測水泥含量以達到水泥計量控制的目的。將拌和后的混合料送到工地實驗室，稱取1.8%的NaOH溶液600 g，加入混合料中攪拌3 min，靜置20 min。靜置完畢后，取上層清液10 mL，量取預(yù)先配置完成10%的NH4Cl溶液50 g，稱取0.2 g鈣紅指示劑，三者加入錐形瓶后搖勻。采用EDTA標準溶液滴定，得到該混合料的EDTA標準溶液消耗量。當 EDTA標準溶液消耗量接近12 mL時，即意味著混合料的水泥含量在5%左右。水泥磷石膏穩(wěn)定紅黏土混合料鋪筑完畢后，實測混合料EDTA標準溶液消耗量接近13 mL時，混合溶液經(jīng)搖晃后變藍，表明試驗路鋪筑混合料中水泥摻量已達到5%的設(shè)計要求。

2.3.3 壓實度控制

由于此次路基施工分三次鋪筑、三層壓實，混合料在碾壓完每一層后，需立即隨機抽檢1處檢測壓實度是否合格。經(jīng)計算，得到試驗路第一層壓實度為94.71%，第二層壓實度為94.85%，第三層壓實度為94.62%，壓實度均大于93%，滿足設(shè)計要求。

2.4 試驗路施工質(zhì)量檢測

2.4.1 彎沉檢測

為評價路基承載能力，此次試驗路段采用貝克曼梁法檢測路基回彈彎沉值。混合料路堤彎沉檢測結(jié)果（百分表讀數(shù)）分別如表4和5所示。

經(jīng)計算，配合比1混合料路堤彎沉量平均值為0.642 mm，彎沉量代表值為0.923 mm。配合比2混合料路堤彎沉量平均值為0.776 mm，彎沉量代表值為1.101 mm。

2.4.2 平整度檢測

本次試驗采用3米直尺法檢測路基表面平整度。經(jīng)測量計算，配合比1混合料路基頂面間隙平均值為8 mm，最大值為10.5 mm。配合比2混合料路基頂面間隙平均值為7.6 mm，最大值為11 mm。兩者均小于15 mm，滿足《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》［11］（JTG 3450—2019）要求。

2.5 試驗路工后監(jiān)測

2.5.1 監(jiān)測項目及方法

1）含水率、土壓力、孔隙水壓力監(jiān)測

本次監(jiān)測選擇2個路基斷面，采用土壓力計、含水率計以及孔隙水壓力計3類監(jiān)測元件，對混合料用作路基填料性能進行監(jiān)測。由于各類監(jiān)測元件直徑均小于15 cm，故此次鉆孔直徑為20 cm，深度80 cm，鉆孔方式采用人工鉆孔。元件埋設(shè)布置如圖3所示。

考慮到路基上部施工可能會壓壞監(jiān)測元件的導(dǎo)線，采用人工開挖溝槽，埋設(shè)PVC管，并將所有導(dǎo)線裝入PVC管中。

2）沉降監(jiān)測

本次試驗路采用水準儀對路基的沉降變形進行監(jiān)測。沉降監(jiān)測點布置如圖4所示。

2.5.2 混合料監(jiān)測結(jié)果分析

1）外摻10% OTS-2固化劑，磷石膏∶紅黏土=2∶8混合料路堤土壓力、孔隙水壓力、含水率及累計沉降量監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）和（b）可知：土壓力計元件監(jiān)測的土壓力平均值為353.08 Pa，孔隙水壓力計元件監(jiān)測的孔隙水壓力平均值為35.47 Pa，測得土壓力遠大于孔隙水壓力。隨著監(jiān)測時間增加，孔隙水壓力和土壓力變化較小。由圖5（c）可知：監(jiān)測的含水率平均值為12.72%，根據(jù)修正系數(shù)1.64，可以得到實際含水率為20.86%，最佳含水率為23.53%，測量值與最佳含水率誤差為2.67%。由圖5（d）可知，混合料路堤累計沉降量為9.32 mm?？偟膩碚f，混合料土壓力、孔隙水壓力以及含水率隨時間增長變化較小，且累計沉降量不超過1 cm，沉降量較小。這說明外摻10% OTS-2固化劑，磷石膏∶紅黏土=2∶8混合料在此施工技術(shù)下用于路堤填料是可行的。

2）水泥∶磷石膏∶紅黏土=5∶47.5∶47.5混合料路堤土壓力、孔隙水壓力、含水率及累計沉降量監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）和（b）可知：土壓力計元件監(jiān)測的土壓力平均值為370.95 Pa，孔隙水壓力計元件監(jiān)測的孔隙水壓力平均值為45.66 Pa，測得土壓力遠大于孔隙水壓力。隨著監(jiān)測時間增加，孔隙水壓力和土壓力變化不大。由圖6（c）可知：監(jiān)測的含水率平均值為12.47%，根據(jù)修正系數(shù)1.64，可以得到實際含水率為21.00%，最佳含水率為20.45%，測量值與最佳含水率誤差為0.55%。由圖6（d）可得，配合比2混合料路堤累計沉降量為8.65 mm?？偟膩碚f，混合料土壓力、孔隙水壓力及含水率隨時間增長變化不大，且累計沉降量不超過1 cm，沉降量較小，故配合比2混合料在此施工技術(shù)下作路堤填料是可行的。

2.5.3 監(jiān)測結(jié)果對比分析

配合比1和配合比2混合料路基土壓力平均值分別為353.08 Pa、370.95 Pa，孔隙水壓力平均值分別為35.47 Pa、45.66 Pa，含水率均在最佳含水率±2%范圍內(nèi)，相同施工工藝，相同監(jiān)測手段，配合比2混合料路堤更加緊實，承載能力更高。配合比1和配合比2的路堤外觀質(zhì)量比較及累計沉降量比較，分別如圖7、8所示。

從圖7可以看出：配合比1混合料路堤表面松散，存在微小裂縫，且邊坡出現(xiàn)沖刷、脫落現(xiàn)象，相同施工工藝下混合料結(jié)合不密實。配合比2混合料路堤表面則非常平整，不存在微小裂縫。從圖8可以得到：配合比1路堤和配合比2路堤累計沉降量最大值分別為9.32 mm和8.65 mm，而且配合比2路堤不僅存在累計沉降量較小，還能夠大量消耗磷石膏，故推薦配合比2作路基填料。

3 結(jié)論

以國道G210都勻陽安至影山公路改擴建工程為依托，采用水泥磷石膏穩(wěn)定紅黏土作路基填料，通過理論分析、現(xiàn)場試驗的方法，對混合料施工技術(shù)、質(zhì)量控制、工后監(jiān)測進行了研究。

1）提出了施工準備→下承層處理→鋪設(shè)土工膜→混合料拌合→運輸→攤鋪與整平→碾壓→養(yǎng)生一整套針對混合料特性的新型施工技術(shù)。

2）提出了針對新型施工材料特性的含水率、水泥含量、壓實度等關(guān)鍵質(zhì)量影響因素控制方法。

3）現(xiàn)場試驗結(jié)果表明此施工技術(shù)下配合比2：水泥∶磷石膏∶紅黏土=5∶47.5∶47.5混合料試驗路含水率21.00%，彎沉量代表值1.101 mm，平整度最大值11 mm，最大沉降8.65 mm都滿足規(guī)范要求。

4）比較配合比1、配合比2現(xiàn)場試驗結(jié)果得出，配合比2：水泥∶磷石膏∶紅黏土=5∶47.5∶47.5混合料更適合作路基材料。

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Research on Construction Technology of Phosphogypsum

Stabilized Red Clay Subgrade

Abstract：

In order to make full use of phosphogypsum solid waste resources and improve the engineering characteristics of red clay， based on field tests， this paper studies the construction technology， construction process， and the control and detection of three important parameters， which are moisture content， cement content and compaction degree， of cement phosphogypsum stabilized red clay subgrade， relying on the reconstruction and expansion project of National Highway G210 Duyun Yangan-Yingshan Highway， using phosphogypsum-stabilized red clay as subgrade filler. According to the characteristics of the material， the problems of limited conditions and difficult quality control are solved by standardizing the process of mixing at the soil taking site and the mixing method by the plant-accompanied method， and adopting the methods of strict coverage and transportation， specific paving， leveling and rolling. The results show that the subgrade quality of the test section is good， the deflection settlement， flatness and settlement meet the standard requirements， and the mixture of cement： phosphogypsum： red clay=5∶47.5∶47.5 can be used as the subgrade filler.

Key words：

phosphogypsum; red clay; construction technology; quality control