高速公路路基粉煤灰固化特性研究

摘 要：在公路工程的施工過程中，常會遇到一種特性顯著的土體—膨脹土，這種土體具有極強(qiáng)的脹縮性。無論是受到水分浸滲還是經(jīng)歷干燥失水，其體積與力學(xué)特性均會發(fā)生變化，對路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性構(gòu)成潛在威脅，難以使施工后的道路基礎(chǔ)保證長期穩(wěn)定。本文以某高速公路膨脹土為例，通過擊實(shí)試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)、有荷膨脹率試驗(yàn)、無荷膨脹率試驗(yàn)、膨脹力試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)，研究不同粉煤灰摻量下粉煤灰固化土的擊實(shí)特性與脹縮特性。結(jié)果表明，固化土的最大干密度、最優(yōu)含水率、自由膨脹率、有荷膨脹率、無荷膨脹率、膨脹力、體縮率以及線縮率均隨著粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢。說明粉煤灰不僅具有減水作用，而且加入粉煤灰有效地改善了固化土的整體穩(wěn)定性，對土體起到了積極作用。試驗(yàn)得到固化土最佳的粉煤灰摻量為25%。

關(guān)鍵詞：公路工程；固化土；粉煤灰；膨脹土

中圖分類號：U 41" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

膨脹土容易吸水膨脹、失水收縮，在工程中會降低地基強(qiáng)度，使地基發(fā)生不均勻沉降或變形。在我國許多地方都存在膨脹土，因此為了使路基強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更好，對膨脹土進(jìn)行處理是十分有必要的[1-2]。許多學(xué)者對膨脹土進(jìn)行固化處理研究，任文禮等[3]采用了石灰固化膨脹土，對不同石灰摻量下的固化土進(jìn)行天然無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、無荷膨脹率試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石灰摻量增加，土體兩種無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增加，無荷膨脹率降低；鮑桂勇等[4]研究了干濕循環(huán)作用下的水泥固化膨脹土的性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在干濕循環(huán)作用下，水泥固化土的抗裂率、強(qiáng)度以及滲透率都得到了改善。

上述研究表明，通過使用固化劑固化膨脹土，可以提高土體的性能。本文將對粉煤灰固化高速公路工程中膨脹土的脹縮性能進(jìn)行研究，通過擊實(shí)試驗(yàn)、膨脹試驗(yàn)，研究不同粉煤灰摻量下固化土的擊實(shí)特性、脹縮特性。研究結(jié)果可以為類似的工程情況提供參考價值。

1 工程概況

本文以某地高速公路為研究對象，全長19.2km，設(shè)計時速為120 km/h。根據(jù)地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，土體分為4層，主要為粉質(zhì)土和黏性土，具有中等膨脹性，需要對其進(jìn)行處理。為了解固化后膨脹土的脹縮特性，研究采用粉煤灰固化膨脹土的處理方法對其進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自某高速公路，土體顏色呈現(xiàn)黃褐色，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020），對膨脹土的基本性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，膨脹土基本性質(zhì)見表1。

試驗(yàn)采用的粉煤灰選擇的二級粉煤灰。粉煤灰的粒徑在1μm～100μm，是經(jīng)過高溫燃燒后形成的。粉煤灰的主要成分表見表2。

2.2 試驗(yàn)方法

綜合大量學(xué)者的結(jié)果與本試驗(yàn)土體的性質(zhì)[5-6]，將粉煤灰摻量設(shè)置為0%、5%、10%、15%、20%、25%，對不同粉煤灰摻量下的固化土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、脹縮試驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)齡期為28d。

2.2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用輕型擊實(shí)法。將膨脹土放在105℃烘箱烘干，過4.75mm篩備用。按預(yù)先設(shè)計好的配合比加入粉煤灰和膨脹土，攪拌均勻后加入水（提前預(yù)估好含水率，每間隔2%設(shè)置一個含水率，共有5個不同的含水率），將其攪拌均勻，用塑料袋將土樣密封，靜置24h。將處理好的土樣分3次倒入擊實(shí)桶中，擊實(shí)后得到含水率與干密度之間的曲線圖。

2.2.2 膨縮試驗(yàn)

本文脹縮試驗(yàn)包括自由膨脹率試驗(yàn)、有荷膨脹率試驗(yàn)、無荷膨脹率試驗(yàn)、膨脹力試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)。自由膨脹率試驗(yàn)所用材料過0.075mm篩。有荷膨脹率試驗(yàn)、無荷膨脹率試驗(yàn)、膨脹力試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)土樣采用靜壓法制成高20mm、直徑61.8mm的環(huán)刀試樣（采用最佳含水率）。用保鮮膜包裹試樣放入恒溫（23℃）恒濕（相對濕度98%）養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖1為不同粉煤灰摻量下膨脹土的最大干密度與最佳含水率圖。從圖中可以看到，隨著粉煤灰摻量增加，最大干密度和最佳含水率均逐漸減少。粉煤灰增加，最大干密度從1.71g/cm3減至1.62g/cm3，最佳含水率從26.73%減至25.52%。膨脹土與水反應(yīng)會導(dǎo)致其表面在溶液中呈現(xiàn)出負(fù)電荷，其能與大量陽離子進(jìn)行結(jié)合，同時置換出部分原有礦物質(zhì)，進(jìn)而構(gòu)建由反離子構(gòu)成的多層次結(jié)構(gòu)，包括緊貼顆粒表面的固定層以及向外逐漸擴(kuò)散的擴(kuò)散層。在此過程中，負(fù)電荷的數(shù)量增加促進(jìn)了結(jié)合水膜形成，該水膜緊密附著在土顆粒的外表面。當(dāng)加入粉煤灰時，Ca2+會與土體中的K+、Na+進(jìn)行置換，負(fù)電荷數(shù)量減少。隨著反離子層負(fù)電荷密度變小，擴(kuò)散層逐漸變得稀疏，這個過程在本質(zhì)上弱化了土顆粒間的相互關(guān)聯(lián)，增強(qiáng)了顆粒間的聚合力。在此轉(zhuǎn)變下，弱結(jié)合水與土顆粒間的間距明顯擴(kuò)張，促使其轉(zhuǎn)化為自由水狀態(tài)，這個變化使最優(yōu)含水率降低，最大干密度相應(yīng)變小。而且粉煤灰的干密度小于膨脹土的干密度，兩者混合，固化土的干密度變小。最佳含水率降低，說明粉煤灰有減水作用。

3.2 脹縮試驗(yàn)結(jié)果

膨脹土作為一種高度塑性的黏性土，其特性表現(xiàn)為吸水后體積膨脹、力學(xué)強(qiáng)度顯著降低以及失水過程中的收縮現(xiàn)象，形成裂縫。在電解質(zhì)溶液的環(huán)境中，土內(nèi)的水分子受礦物質(zhì)影響，會受到陰陽離子間的靜電相互吸引作用，這種作用在非飽和狀態(tài)下尤為顯著。在此狀態(tài)下，多種外部與內(nèi)部因素起到協(xié)同作用，導(dǎo)致膨脹土經(jīng)歷水分流失與吸收時，分別展現(xiàn)出明顯的收縮與膨脹行為。因此對改良后土體的脹縮性能進(jìn)行測試非常重要。

3.2.1 自由膨脹率

圖2為不同粉煤灰摻量下土體的自由膨脹率。從圖2可以看到，隨著粉煤灰摻量增加，土體的自由膨脹率降低，從66.19%降至51.43%，說明加入粉煤灰抑制了土體的膨脹率。當(dāng)粉煤灰摻量為0%～15%時，自由膨脹率下降緩慢；當(dāng)粉煤灰摻量為15%～25%，自由膨脹率下降迅速。加入粉煤灰后，膨脹土的體積顯著縮小，隨著粉煤灰與土體基質(zhì)間的離子產(chǎn)生交換與結(jié)合作用，會對土體的持水性能產(chǎn)生影響。土體與粉煤灰之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)會生成新的絮凝物質(zhì)，新形成的物質(zhì)在土體顆粒間構(gòu)建出摩擦界面，有效地平衡了土體內(nèi)部的膨脹應(yīng)力，減少了膨脹現(xiàn)象。

3.2.2 有荷膨脹率

將有荷膨脹率試驗(yàn)的荷載設(shè)置為20kPa、50kPa、70kPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看到，在荷載相同的情況下，隨著粉煤灰摻量減少，固化土的有荷膨脹率降低；在粉煤灰摻量相同的情況下，隨著荷載增加，固化土的有荷膨脹率逐漸降低。加入粉煤灰后，其與土體之間發(fā)生反應(yīng)生成了新物質(zhì)，構(gòu)成了新的土骨架，改變了土體結(jié)構(gòu)，使土體的吸水膨脹性變差，從而提高了土體的性能。荷載增加使土體的豎向變形變小，抑制了土體膨脹。

3.2.3 荷膨脹率

可通過無外加載荷下的膨脹率來表征固化土受到側(cè)限約束時展現(xiàn)的膨脹特性，這個指標(biāo)與實(shí)際情況下的膨脹表現(xiàn)吻合度較高，從而成為評估其膨脹特性的重要依據(jù)。圖4為粉煤灰固化土的無荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果圖。從圖中可以看到，粉煤灰增加使固化土的無荷膨脹率逐漸降低。粉煤灰摻入會使膨脹土的粒徑分布與顆粒組成產(chǎn)生顯著變化，與此同時，其表面離子進(jìn)行交換與結(jié)合，顆粒間也通過絮凝作用增強(qiáng)了相互之間的黏結(jié)力與摩擦力，進(jìn)而在無外加荷載的環(huán)境下，顯著減弱了膨脹土的膨脹能力。當(dāng)粉煤灰摻量為25%時，土體的無荷膨脹率最低，為8.68%。

3.2.4 膨脹力

圖5為不同粉煤灰摻量下固化土的膨脹力結(jié)果圖。從圖中可以看到，隨著粉煤灰增加，土體膨脹力呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。當(dāng)粉煤灰摻量為0%～10%和15%～25%時，膨脹力迅速減少，當(dāng)粉煤灰摻量為10%～15%時，膨脹力下降緩慢?？傮w來說，土體的膨脹力得到了改善。

3.2.5 收縮試驗(yàn)

圖6為不同粉煤灰摻量下固化土的體縮率和線縮率結(jié)果。從圖中可以看到，隨著粉煤灰摻量增加，土體的體縮率和線縮率均呈現(xiàn)下降趨勢。土體最小體縮率為3.18%，最小線縮率為17.25%。證明粉煤灰對膨脹的收縮性具有抑制作用。

4 結(jié)論

本文對粉煤灰固化高速公路工程中膨脹土的脹縮性能進(jìn)行研究，通過擊實(shí)試驗(yàn)、膨脹試驗(yàn)，研究不同粉煤灰摻量下固化土的擊實(shí)特性、脹縮特性，得出以下結(jié)論。1）隨著粉煤灰摻量增加，粉煤灰固化土的最大干密度變小，從1.71g/cm3減至1.62g/cm3，最佳含水率逐漸降低，從26.73%降至25.52%。2）隨著粉煤灰摻量增加，粉煤灰固化土的自由膨脹率、有荷膨脹率、無荷膨脹率、膨脹力、體縮率、線縮率均下降。3）粉煤灰對膨脹土的擊實(shí)特性以及脹縮性都起到了良好的改善作用，使土體的脹縮性降低，最佳粉煤灰摻量為25%。試驗(yàn)結(jié)果可供后續(xù)工程參考。

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