公路基層鋼渣二灰土穩(wěn)定性試驗(yàn)分析

安杰

（唐山交通建設(shè)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

鋼渣作為冶金工業(yè)的廢渣，其產(chǎn)生量逐年增加，鋼渣資源化利用問(wèn)題日益受到各界的關(guān)注和重視。公路基層作為公路的重要組成部分之一，具有承上啟下的作用，一旦基層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，將對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響，因此，確?；鶎拥恼w穩(wěn)定性十分重要。二灰土在基層施工中較為常見(jiàn)，向二灰土中摻入適量的鋼渣，能夠達(dá)到改良的效果，可使基層的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。本文對(duì)公路基層鋼渣二灰土穩(wěn)定性試驗(yàn)進(jìn)行分析。

1 工程概況

某公路工程中的一個(gè)路段全長(zhǎng)11.765km，該路段所處地區(qū)的氣候變化較大，雨季集中在每年的7～8月，在此期間，公路路基處于保水狀態(tài)。在冬季時(shí)，受低溫影響，公路基層會(huì)形成季節(jié)性凍土，隨著凍融不斷循環(huán)，基層材料的強(qiáng)度大量損失，基層穩(wěn)定性下降。為解決這一問(wèn)題，可在基層施工摻入適量的鋼渣，制備成鋼渣二灰土。下文通過(guò)試驗(yàn)分析鋼渣二灰土的穩(wěn)定性。

2 公路基層鋼渣二灰土穩(wěn)定性試驗(yàn)

鋼渣二灰土穩(wěn)定性試驗(yàn)包括以下內(nèi)容：界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)、無(wú)荷載浸水膨脹試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等。

2.1 原材料

2.1.1 黃土

從該路段中采取擾動(dòng)黃土，由工程土分類可知，其屬于粉質(zhì)黏土的范疇。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，檢測(cè)土壤的物理性質(zhì)，具體如下：直徑大于0.075mm的顆粒含量為9.1%，0.005～0.075mm的顆粒含量為83.3%，小于0.005mm的顆粒含量為8.6%；比重為2.661；最大干密度為1.74g/cm3，與之對(duì)應(yīng)的最佳含水量為15.4%；液、塑限及塑性指數(shù)分別為27.5%、18.2%和9.3，摻入鋼渣石灰混合料的細(xì)料適用于該地區(qū)的黃土，可在公路基層施工中應(yīng)用[1]。

2.1.2 二灰

主要為粉煤灰和石灰，前者的顆粒較細(xì)、比重小、孔洞多，形態(tài)以粉末狀為主，干密度相對(duì)較小。相關(guān)規(guī)范規(guī)定，用于公路基層的粉煤灰中氧化鋁、氧化鐵以及二氧化硅的總含量應(yīng)達(dá)到70%以上，燒失量不大于20%，比表面積大于2 500cm2/g[2]。通過(guò)檢測(cè)，用于試驗(yàn)的粉煤灰氧化物總含量為71.2%，與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求相符；后者為膠凝材料，相關(guān)研究結(jié)果顯示，早期抗壓強(qiáng)度高的石灰改性土有利于壓實(shí)，遇水穩(wěn)定性好。石灰顆粒的表面積與細(xì)度有關(guān)，二者成正比，即細(xì)度越大，表面積越大，摻量相同的前提下，與其他填料的結(jié)合越充分。本次試驗(yàn)中使用的石灰，粒徑和有效活性均與現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求相符。

2.1.3 鋼渣粉

該材料中含有部分水泥熟料礦物，如鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣等，使鋼渣粉具備良好的活性和水硬性，水化反應(yīng)后，會(huì)生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物，如水化鋁酸、氫氧化鈣等。本次試驗(yàn)中，鋼渣粉的主要化學(xué)成分及組成百分比為：氧化鈣38.61%；三氧化二鐵27.88%；二氧化硅14.18%；氧化鎂00.35；三氧化二鋁4.56%；游離氧化鈣3.42%[3]。

2.2 試驗(yàn)儀器

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容，準(zhǔn)備相應(yīng)的試驗(yàn)儀器，具體如下：光電式液塑限測(cè)定儀（用于界限含水率試驗(yàn)）；數(shù)控電動(dòng)擊實(shí)儀和電動(dòng)脫模儀器（用于擊實(shí)試驗(yàn)）；標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)儀和千分表，一種的精度為0.001，另一種的精度為0.01（用于干縮試驗(yàn)和無(wú)荷載浸水膨脹試驗(yàn)）；低溫試驗(yàn)箱和恒溫恒濕保溫箱（用于凍融循環(huán)試驗(yàn)）；電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)）。

2.3 試樣配比

（1）通過(guò)摻入少量的粉煤灰能夠使二灰土的早期強(qiáng)度得到大幅提升，使道路施工早期強(qiáng)度低的問(wèn)題得到有效解決，避免了對(duì)車輛通行，尤其是重載車輛通行的影響。采用摻入鋼渣粉的方法，對(duì)二灰土繼續(xù)改良，使其成為鋼渣二灰土，除了能解決強(qiáng)度問(wèn)題外，還能使大量的鋼渣粉被有效利用，基層材料的遇水穩(wěn)定性也隨之提高。依托鋼渣粉摻入量的研究成果，在二灰鋼渣混合料不摻土的前提下，對(duì)比不同級(jí)配的性能，使鋼渣二灰土的應(yīng)用具有可行性。借助試驗(yàn)，從中選出路用性能優(yōu)勢(shì)較大的摻量范圍，以指導(dǎo)施工。

（2）本次試驗(yàn)中的鋼渣二灰土是一種混合料，由鋼渣粉、粉煤灰、石灰和黃土，按照一定比例加水拌和后，達(dá)到所測(cè)最大干密度和最佳含水率后，按96%以上的壓實(shí)度壓制而成。設(shè)計(jì)路基高度時(shí)，需要考慮路基所在區(qū)域的地表積水、地下水情況以及基底和填筑材料的毛細(xì)水作用。同時(shí)，要確保路基具有足夠的強(qiáng)度、耐久性和穩(wěn)定性，若是穩(wěn)定性不足，則應(yīng)采取相應(yīng)的措施處理，以減少工后沉降。壓實(shí)度應(yīng)與現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求相符，即上路堤，路面底面以下0.8～1.5m，一級(jí)和二級(jí)壓實(shí)度為94%，三級(jí)壓實(shí)度為93%；下路堤，路面底面1.5以下，一級(jí)壓實(shí)度為93%，二級(jí)和三級(jí)壓實(shí)度為92%[4]。

（3）三種齡期分別為14d、28d和56d，做飽水試驗(yàn)時(shí)，需應(yīng)對(duì)上述三種齡期的試樣逐一測(cè)試，無(wú)荷載浸水膨脹、干縮、干濕及凍融循環(huán)試驗(yàn)，則可選取齡期為28d的試樣，這是三種齡期中最具代表性的一種。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 擊實(shí)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)中，擊實(shí)試驗(yàn)采用電動(dòng)擊實(shí)儀完成，該方法在細(xì)粒土中具有良好的適用性。本次試驗(yàn)中，采用甲類擊實(shí)方法，具體的試驗(yàn)要點(diǎn)如下：

（1）按土體性質(zhì)做重型擊實(shí)試驗(yàn)，在試驗(yàn)正式開(kāi)始前，應(yīng)預(yù)制5～7種不同含水量的散土樣，每種土樣的含水量相差2%左右，將土樣拌勻后，在常溫條件下，密封保存10h。

（2）采用分層的方法，將松散土樣分5層裝入擊實(shí)筒，裝入一層擊實(shí)一層，每一層的擊實(shí)次數(shù)為27次，待土樣成型后，將擊實(shí)筒取出，對(duì)土樣表層做拉毛處理，隨后使用脫模儀，將土樣從擊實(shí)筒中推出。

（3）土樣制成后，可從中心位置處取小樣，分別測(cè)定干、濕密度，據(jù)此獲得與該含水率相對(duì)應(yīng)的干密度。按上述步驟，對(duì)不同含水率的土樣逐一試驗(yàn)，獲得不同的干密度后，繪制出相關(guān)曲線，最終得出該配比下的試樣最佳含水率和最大干密度。

2.4.2 無(wú)荷載浸水膨脹試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要是測(cè)定在無(wú)荷載、有側(cè)限的條件下，試樣浸水后，豎直方向的膨脹高度，這個(gè)高度與試樣原高度的比值，即為膨脹率。這種方法在測(cè)定擊實(shí)土樣及原狀土樣的膨脹率方面具有良好的效果，能較為真實(shí)地反映出降雨或地下水升高引起的路基膨脹變形情況。試驗(yàn)要點(diǎn)如下：

（1）分別取兩種不同齡期的試樣，一種為7d齡期，另一種為28d齡期，隨后在環(huán)刀上均勻涂抹凡士林，從試樣上切取直徑58mm、高35mm的試樣。隨后將切下的試樣放置在透水石上，置于器皿中，裝好百分表，使其觸針接觸到上部的透水石，但不發(fā)生偏移的現(xiàn)象。

（2）向器皿內(nèi)注入適量的蒸餾水，使水面與試樣的表面高度齊平，自注水便開(kāi)始計(jì)時(shí)，直至不再膨脹為止，將變化停止的時(shí)間記錄下來(lái)。隨后依據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出膨脹率，并繪制出關(guān)系曲線。

2.4.3 干縮試驗(yàn)

干縮試驗(yàn)在擊實(shí)黏質(zhì)土中具有良好的適用性，主要的試驗(yàn)?zāi)康娜缦拢貉芯砍貭顟B(tài)下，無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定料暴露一段時(shí)間后的干縮量、干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)以及失水率等數(shù)據(jù)的變化情況，繪制出相應(yīng)的關(guān)系曲線，分析失水程度與體積收縮變小的關(guān)系。試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定要求，干縮試驗(yàn)需要細(xì)粒土制成的小梁試樣，每組4根，兩根用于測(cè)定干縮量，另外兩根用于測(cè)定失水量。

（2）取齡期為7d的試樣，放置于試驗(yàn)裝置上，在正常溫濕度的條件下，每天測(cè)量一次千分表的讀數(shù)，當(dāng)千分表的讀數(shù)不再發(fā)生變化時(shí)，說(shuō)明試樣的含水量停止變化。

（3）對(duì)試樣每天的失水量及千分表上的收縮量數(shù)據(jù)如實(shí)記錄，依據(jù)規(guī)范中給出的公式，計(jì)算干縮試驗(yàn)的相關(guān)指標(biāo)。

2.4.4 飽水試驗(yàn)

基層是公路的重要組成部分之一，基本處于地下水位以上，地下水會(huì)呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，上表面在蒸發(fā)作用下，會(huì)散失大量水分，含水率會(huì)隨之變化。通過(guò)對(duì)上述過(guò)程的模擬，可以為研究水對(duì)基層土體的侵蝕破壞提供參考依據(jù)。借助飽水試驗(yàn)，可在不同飽水時(shí)間后，開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。從荷載、環(huán)境等角度，分析試樣在持續(xù)飽水破壞后的水穩(wěn)定性情況，就此判定鋼渣二灰土的水穩(wěn)定性是否與現(xiàn)行規(guī)范的要求相符。試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定，制作直徑為50m、高50mm的試樣，每組制作三個(gè)，分別測(cè)出無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度后，取平均值。隨后取三種不同齡期的試樣，分別為14d、28d和56d，將三種試樣全部置于自然環(huán)境中，風(fēng)干24h，隨后使試樣完全飽水。

（2）將濾紙墊在試樣的底部，以免轉(zhuǎn)移試樣時(shí)造成破損，隨后將試樣連同濾紙一并置于透水石上，向水槽內(nèi)注入清水，使水位達(dá)到透水石頂面以下1.0mm的位置處，此時(shí)水槽應(yīng)保持平穩(wěn)。在孔隙水壓力的影響下，以透水石替代吸水通道，模擬自然條件下的吸水過(guò)程，通過(guò)對(duì)吸水時(shí)間的控制，模擬出試樣的飽水過(guò)程。

（3）當(dāng)試樣吸水飽和后，其表面會(huì)存在一部分自由水，將其擦干后，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程的要求，對(duì)試樣做無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，要注意以下事項(xiàng)：將加載速度設(shè)定為勻速，控制在0.5MPa/s，加載速率保持在1.0mm/min，避免過(guò)慢或過(guò)快，影響試樣破壞的模擬效果[5]。按照規(guī)范給出的公式，計(jì)算出試樣飽水后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，據(jù)此分析不同試樣在不同飽水時(shí)間的變化規(guī)律。

2.4.5 干濕循環(huán)試驗(yàn)

本工程所在地區(qū)的降雨集中在每年的7～8月，這兩個(gè)月中的降水量相對(duì)較大，全年的蒸發(fā)量也較大。使得公路基層土體常年處于干旱與降雨相互交替的環(huán)境中。在對(duì)改良的鋼渣二灰土開(kāi)展干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，需要模擬出當(dāng)?shù)氐母鞣N氣候條件，以循環(huán)吸水和失水的方式，使試樣膨脹、收縮，基于環(huán)境因素，分析試樣的破壞程度，據(jù)此判斷鋼渣二灰土的水穩(wěn)定性，看是否滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)要點(diǎn)如下：

（1）試樣的規(guī)格與飽水試驗(yàn)的試樣規(guī)格相同，即直徑50mm、高度50mm。將試樣放置于自然環(huán)境中風(fēng)干24h，以此來(lái)模擬干燥過(guò)程。

（2）將試樣放置在鋪設(shè)濾紙的透水石上，置于水槽內(nèi)，吸水24h后，為一個(gè)干濕循環(huán)。

（3）當(dāng)試樣吸水完畢后，可以做無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，先將表面的水擦干，利用相應(yīng)的公式，計(jì)算循環(huán)次數(shù)為2次、4次、6次、10次時(shí)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，最終得出試樣的強(qiáng)度損失情況[6]。

2.4.6 凍融循環(huán)試驗(yàn)

本工程所在地為季節(jié)性凍土區(qū)，春秋兩個(gè)季節(jié)的晝夜溫差很大。土體在凍融作用下會(huì)出現(xiàn)凍脹及壓縮下沉等現(xiàn)象，由此對(duì)公路基層土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的影響?；诃h(huán)境因素，分析試樣的破壞情況，對(duì)試樣進(jìn)行凍融后，測(cè)出抗凍性指標(biāo)，從而判斷鋼渣二灰土的穩(wěn)定性，看是否與相關(guān)規(guī)范要求相符。試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）選用圓柱形試樣，齡期為28d，直徑為102mm，高度為102mm，試驗(yàn)開(kāi)始前，先將試樣以密封的方式保存。

（2）將試驗(yàn)中的凍結(jié)溫度調(diào)節(jié)至-20℃，融化溫度調(diào)節(jié)為20℃，由于試樣處于密封狀態(tài)，在不失水的前提下開(kāi)展冷凍-融化的循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)為1次、2次、5次和10次[7]。對(duì)融化后的試樣做無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，按照相關(guān)公式，計(jì)算出試樣的強(qiáng)度損失程度及抗凍性指標(biāo)。

（3）試樣在凍融一次后，強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，速率相對(duì)比較平緩，當(dāng)試樣冷凍后，部分孔隙水結(jié)冰，導(dǎo)致體積膨脹。土中的水力梯度開(kāi)始擴(kuò)大，對(duì)凍結(jié)的部分產(chǎn)生凍脹作用，在凍脹過(guò)程中，土層產(chǎn)生出一定的膨脹力，使土體顆粒之間相互擠壓，結(jié)構(gòu)隨之變得疏松，土顆粒的粒距增大，與水混合后，出現(xiàn)鼓脹的現(xiàn)象[8]。經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后，冰凍膠結(jié)和凍脹破壞的效果全部開(kāi)始減弱，抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)10次凍融后，試樣仍然保持較高的抗壓強(qiáng)度，由此說(shuō)明，鋼渣二灰土的穩(wěn)定性較高。

3 結(jié)語(yǔ)

為驗(yàn)證鋼渣對(duì)公路基層二灰土的改良效果，通過(guò)試驗(yàn)，研究分析了鋼渣二灰土的干縮、膨脹、抗凍性、水穩(wěn)定性以及抗壓強(qiáng)度等工程特性，為鋼渣的資源化利用提供支撐。經(jīng)過(guò)鋼渣改良后的二灰土基層，整體穩(wěn)定性得到大幅度提升，可以保證公路的施工質(zhì)量。