石灰-粉煤灰固化黃土配合比設(shè)計(jì)及力學(xué)性能評估

翟花鋒　董鵬飛

摘要：濕陷性黃土在我國分布廣闊，具有承載力低、壓縮性大及水敏感度高等不利工程特性。在黃土路基修筑時(shí)，采用合理配合比的石灰-粉煤灰來固化黃土，不僅可以提高路基的工程性能，還能取得經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的雙重效益。本論述結(jié)合工程實(shí)際和相關(guān)規(guī)范，對不同配合比的石灰及石灰-粉煤灰固化黃土進(jìn)行加州承載比試驗(yàn)和靜回彈模量試驗(yàn)以確定石灰-粉煤灰穩(wěn)定黃土在路基填筑中的配合比。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)石灰-粉煤灰固化黃土配合比為2%石灰+3.84%粉煤灰時(shí)，可以兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保及工程質(zhì)量等多重要素。此外，還提出了路基力學(xué)指標(biāo)預(yù)測模型，可為路基長期工程質(zhì)量評估提供參考。

關(guān)鍵詞：黃土路基；石灰-粉煤灰；配合比；預(yù)測模型

中圖分類號：U414???????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在我國，黃土的分布面積約為630000 km2，主要集中在黃土高原地區(qū)，其覆蓋厚度為100 m ～300 m 。在工程領(lǐng)域，黃土因其承載力較低、壓縮性較大、水敏感性較高被歸入問題土類[1]。因此，在黃土地區(qū)修筑路基時(shí)，需要對黃土采取加固措施以提高其承載力并減小其壓縮變形。

黃土的加固措施可分為兩大類，即物理加固和化學(xué)加固。對于一般土類，通常通過物理加固即可滿足工程需求。而對于黃土，需要物理加固和化學(xué)加固相結(jié)合。目前，常用的化學(xué)加固劑有石灰、水泥、粉煤灰及礦渣等[2]。石灰因其價(jià)格便宜、施工簡單、加固效果穩(wěn)定而常用于黃土加固，其使用歷史已超過一千年。隨著工業(yè)的發(fā)展，諸如粉煤灰和高爐礦渣等工業(yè)副產(chǎn)品引起了一系列環(huán)境問題。隨著公眾對環(huán)境問題的日益重視，工程領(lǐng)域?qū)I(yè)廢渣的回收利用研究取得了巨大突破。研究發(fā)現(xiàn)：在石灰加固土中摻入粉煤灰不僅可以改善其強(qiáng)度，抗凍性能也顯著提升。這種力學(xué)性能的提升除了粉煤灰的填充作用外，主要?dú)w因于加入粉煤灰后所產(chǎn)生的一系列化學(xué)反應(yīng)。在石灰-粉煤灰固化土中，石灰作為激發(fā)劑在孔隙水中形成了堿性環(huán)境，粉煤灰中含有豐富的二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）及氧化鐵（Fe2O3）等，在這個(gè)堿性環(huán)境中發(fā)生了一系列火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、氯酸鈣及鐵酸鈣等膠凝產(chǎn)物，將固化土中的固體顆粒粘合在一起，從而使黃土力學(xué)性能顯著提升。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推移，這些膠凝產(chǎn)物逐漸硬化，固化土的力學(xué)性能進(jìn)一步提升[3]。

學(xué)者們對石灰-粉煤灰固化黃土的研究較多，這些研究主要針對某個(gè)影響因素對某個(gè)力學(xué)性能本身的影響，很少結(jié)合相關(guān)工程實(shí)際或規(guī)范。對于不同的工程項(xiàng)目，其質(zhì)量評估所采用的力學(xué)指標(biāo)不盡相同，所摻入的結(jié)合料含量也各異[4]。比如，路面基層質(zhì)量的衡量指標(biāo)為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，所用的結(jié)合料含量一般為20%～30%；路基和地基所用的力學(xué)指標(biāo)一般為承載力和局部變形，所摻入的結(jié)合料含量一般低于10%；在邊坡穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)計(jì)算中，抗剪強(qiáng)度又是其中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，所用的結(jié)合料含量也低于10%。以上這些要素在很多文獻(xiàn)中沒有被考慮到。此外，學(xué)者們在石灰粉煤灰配合比的研究中總是以達(dá)到最大力學(xué)指標(biāo)值為目標(biāo)而確定配合比，沒有考慮經(jīng)濟(jì)因素。

基于以上問題，本論述結(jié)合工程實(shí)際及相關(guān)規(guī)范，通過加州承載比試驗(yàn)和靜回彈模量試驗(yàn)對石灰-粉煤灰固化黃土及石灰固化黃土的加州承載比（CBR）及靜回彈模量（MR ）進(jìn)行研究。通過力學(xué)性能對比，確定石灰-粉煤灰固化黃土在路基填筑中的配合比，以期取得經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、工程性能提升的多重效益，并建立數(shù)學(xué)模型，對石灰-粉煤灰固化黃土路基的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

（1）黃土

用于試驗(yàn)的黃土取自蘭州市安寧區(qū)某基坑，基坑深度約8 m，黃土的天然含水量約3%。制樣前，將黃土風(fēng)干、碾壓然后過0.5 mm孔篩以提高黃土粒徑的均一性。測得黃土的液限為24.3%，塑限為11.2%，比重為2.71。

（2）石灰和粉煤灰

用于試驗(yàn)的石灰和粉煤灰購自河南省某化學(xué)品公司，比重分別為2.41和2.26，石灰和粉煤灰的化學(xué)組分見表1所列。

1.2試樣制備

石灰固化黃土歷史悠久，施工經(jīng)驗(yàn)豐富，《黃土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTGT D31-05-2017）建議在黃土路基處理中，熟石灰的用量為8%[5]，因此石灰穩(wěn)定黃土中，石灰摻量范圍為：4%、6%、8%、10%和12%。石灰-粉煤灰穩(wěn)定黃土中，石灰（L ）和粉煤灰（F ）的摻量組成為：2% L +2% F、2% L +4% F、2% L +6% F、2% L +8% F、2% L +10% F 及4% L +2% F、4% L +4% F、4% L +6% F、4% L +8% F。加州承載比和靜回彈模量試驗(yàn)所用試樣尺寸一致，其高度為120 mm、直徑為152 mm 。試樣制備前，先對各配合比土樣進(jìn)行重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)以確定其最大干密度（MDD ）和最優(yōu)含水量（OWC），見表2所列。由表2可見，這3類固化土的 MDD 均隨結(jié)合料含量的增大而減小，其 OWC 隨結(jié)合料含量的增大而增大。所有試樣均采用重型擊實(shí)法制備，各配比試樣在其最優(yōu)含水率下分3層擊實(shí)以確保試樣整體的均勻性，每層50擊，這樣試樣的壓實(shí)度可達(dá)95%以上。制樣制備完成后，用塑料薄膜將其包裹，置于恒溫箱中分別養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d、60 d、90 d 及180 d。為提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠度，試驗(yàn)中采用3個(gè)平行試樣。

1.3試驗(yàn)方法

（1）加州承載比試驗(yàn)

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2020）開展試驗(yàn)[6]。將養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定齡期的試樣浸泡96 h 后放入 CBR 試驗(yàn)儀上，加載后記錄貫入量為2.5 mm 和5 mm 時(shí)的壓力值，取貫入量2.5 mm 和5 mm 中較大的 CBR 值作為該組配合比試樣的 CBR。

（2）回彈模量試驗(yàn)

參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020）[6]，鑒于本試驗(yàn)為固化土，試驗(yàn)中將最大單位壓力調(diào)整為800 kPa，將最大壓力分6級在杠桿壓力儀上對試樣分級施加荷載，記錄每級荷載作用下的回彈變形，最后計(jì)算每級荷載作用下的 MR。

2結(jié)果與分析

2.1確定配合比

本論述以《黃土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTGT D31-05-2017）中推薦的8%石灰固化黃土為基準(zhǔn)[5]，通過力學(xué)等效原理，確定石灰-粉煤灰固化黃土在路基加固中的配合比。對于齡期為7 d 和28d 的石灰固化黃土與石灰-粉煤灰固化黃土，其 CBR 隨結(jié)合料含量增長趨勢如圖1所示。由圖1可見，當(dāng)結(jié)合料含量相同時(shí)，這3種固化土中，2%石灰-粉煤灰固化黃土 CBR 值最大，石灰固化黃土 CBR 值最小。這是因?yàn)樵谑夜袒林?，參與火山灰反應(yīng)的 SiO2、Al2O3及 Fe2O3等主要來自于黃土，其含量較小；而在石灰-粉煤灰固化黃土中，粉煤灰的加入不僅進(jìn)一步填充了固化土的內(nèi)部孔隙，而且引入了大量 SiO2、Al2O3及 Fe2O3等，其火山灰反應(yīng)較石灰固化土更加劇烈，所產(chǎn)生的膠凝產(chǎn)物也更多。因此在結(jié)合料含量相同時(shí)，石灰-粉煤灰固化黃土的 CBR 值比石灰固化黃土的 CBR 值更高。此外，研究表明：在石灰固化土中，創(chuàng)造滿足火山灰反應(yīng)的堿性環(huán)境所需的最小石灰含量為3%[7]，且粉煤灰也是堿性的，因此在2%和4%石灰-粉煤灰固化黃土中所形成的堿性環(huán)境均能滿足火山灰反應(yīng)要求，但是當(dāng)結(jié)合料含量相同時(shí)，2%石灰-粉煤灰固化黃土中所含的反應(yīng)物較4%石灰-粉煤灰固化黃土更多，而且石灰具有親水性，能吸附更多參與火山灰反應(yīng)的水分，因此2%石灰-粉煤灰固化黃土的 CBR 值大于4%石灰-粉煤灰固化黃土的 CBR 值。對于每個(gè)齡期的固化黃土，其 CBR 值與結(jié)合料含量間呈線性關(guān)系。基于 CBR 值與結(jié)合料含量間的線性關(guān)系，建立了兩種石灰-粉煤灰固化黃土結(jié)合料間的換算關(guān)系，如圖1所示。基于此換算關(guān)系得出：對于2%石灰-粉煤灰固化黃土，其CBR 與養(yǎng)護(hù)7 d 和28d 8%石灰固化黃土的CBR 相同時(shí)，所需的粉煤灰摻量分別為3.21%和3.84%；對于4%石灰-粉煤灰固化黃土，其CBR 與養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d 8%石灰固化黃土的CBR 相同時(shí)，所需的粉煤灰摻量分別為2.37%和2.44%。

齡期為7 d 和28 d 的石灰固化黃土與石灰-粉煤灰固化黃土 MR 隨結(jié)合料含量的變化關(guān)系如圖2所示。

由圖2可以看出，這3種固化黃土 MR 值與結(jié)合料含量間也呈線性關(guān)系，并且當(dāng)結(jié)合料含量相同時(shí)，2%石灰-粉煤灰固化黃土 MR 值最大，石灰固化黃土 MR 值最小。同樣，基于獲得相同的 MR，建立了2種石灰-粉煤灰固化黃土結(jié)合料間的換算關(guān)系。由換算關(guān)系可以得出：對于2%石灰-粉煤灰固化黃土，其 MR 與養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d 8%石灰固化黃土的 MR 相同時(shí)，所需的粉煤灰摻量分別為0.61%和2.2%；對于4%石灰-粉煤灰固化黃土，其 MR 與養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d 8%石灰固化黃土的MR 相同時(shí)，所需的粉煤灰摻量分別為0.42%和0.77%。

綜合3種固化黃土的兩個(gè)主要的路基評估指標(biāo)（CBR 和MR ）的對比結(jié)果，可以得出：當(dāng)石灰-粉煤灰固化黃土配合比為2%石灰+3.84%粉煤灰可以兼顧工程質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)雙方面效益。

2.2力學(xué)性能預(yù)測

鑒于以上結(jié)論，本節(jié)只開展2%石灰-粉煤灰固化黃土 CBR 及 MR 的預(yù)測研究。固化土的力學(xué)性能一般受到養(yǎng)護(hù)齡期、固化材料類別與含量、密實(shí)度及養(yǎng)護(hù)環(huán)境等因素的影響。7 d 和28 d 齡期是評估固化土力學(xué)性能的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，因此，本論述選用固化黃土7 d 和28 d 齡期的力學(xué)指標(biāo)數(shù)值為參考值，將每一配比的固化黃土各齡期的力學(xué)指標(biāo)值除以其7 d 或28d 時(shí)的力學(xué)值（標(biāo)準(zhǔn)化處理），得到各力學(xué)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值；標(biāo)準(zhǔn)化處理消除了固化黃土中土的類型、密度及養(yǎng)護(hù)環(huán)境的影響，因此，標(biāo)準(zhǔn)化處理后，2%石灰-粉煤灰固化黃土 CBR 及MR 的影響因素只有養(yǎng)護(hù)齡期 T 。在大多數(shù)文獻(xiàn)中，一般采用對數(shù)函數(shù)來捕捉固化土力學(xué)性能與養(yǎng)護(hù)齡期間的關(guān)系，但是，采用對數(shù)函數(shù)預(yù)測力學(xué)性能時(shí)存在一些不足：（1）當(dāng)養(yǎng)護(hù)期為1 d 時(shí)，對數(shù)函數(shù)所計(jì)算的力學(xué)指標(biāo)值為0，這與實(shí)際不符；（2）對數(shù)函數(shù)隨因變量呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，但對于固化土而言，當(dāng)齡期達(dá)到一定值時(shí)，其力學(xué)指標(biāo)值會(huì)趨于某個(gè)固定值，因而從長遠(yuǎn)來看，采用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行固化土力學(xué)指標(biāo)預(yù)測是不合理的。鑒于此，本論述采用經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的雙曲線函數(shù)進(jìn)行2%石灰-粉煤灰固化黃土 CBR 及MR 的預(yù)測[8]，如式1和2所示。

式中，CBRt和 MR，t 為某一齡期的 CBR和MR；CBRr和 MR，r 為參考的 CBR 和MR，r一般為7 d或28 d；T0為參考養(yǎng)護(hù)期，其數(shù)值和 r一致；α、β、γ為回歸系數(shù)。

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸擬合，分別對公式1和2中擬合系數(shù)的值進(jìn)行求解，如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出，基于公式1和公式2對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，相關(guān)系數(shù)（R2）均達(dá)到0.98以上。因此，基于7 d 和28 d 的 CBR 和MR，采用標(biāo)準(zhǔn)化處理的雙曲線模型可以很好地捕捉2%石灰-粉煤灰固化黃土隨齡期的變化趨勢。在工程應(yīng)用中，可以根據(jù)路基填筑后7 d或28 d力學(xué)指標(biāo)（CBR 和MR ），采用本論述提出的預(yù)測模型對路基長期的工程質(zhì)量進(jìn)行估算。

3結(jié)束語

本論述對不同配合比的石灰固化黃土及石灰-粉煤灰固化黃土進(jìn)行了一系列加州承載比試驗(yàn)和靜回彈模量試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）通過與8%石灰固化黃土 CBR 與MR 值對比，得出當(dāng)石灰-粉煤灰固化黃土配合比為2%石灰+3.84%粉煤灰時(shí)，可以兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保及工程質(zhì)量多方面要素；

（2）采用標(biāo)準(zhǔn)化修正的雙曲線模型可以很好地捕捉2%石灰-粉煤灰固化黃土的 CBR 和 MR 隨齡期的變化趨勢，可以應(yīng)用該模型，根據(jù)路基養(yǎng)護(hù)7 d 或28d 的力學(xué)指標(biāo)值，對長期力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行估算。

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