劉建鋒

（鄭州市公路事業(yè)發(fā)展中心 鄭州450052）

膨脹土是一種高塑性黏土，其主要礦物有蒙脫石、伊利石、高嶺土，一般其自由膨脹率大于40%，液限高于40%［1，2］。干燥時(shí)具有很高的承載強(qiáng)度，但被水浸泡時(shí)，含有的強(qiáng)親水性礦物成分迅速吸水膨脹，使土體表現(xiàn)出明顯的膨脹性。膨脹土的脹縮變化較大，會(huì)引起路基沉降、結(jié)構(gòu)開裂、邊坡失穩(wěn)等工程問題，給工程項(xiàng)目帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。故對膨脹土的工程性質(zhì)的研究以及膨脹土的改良很有必要。而膨脹土在我國的分布十分廣泛，主要集中在東北、西北、西南，以及長江、黃河中下游地區(qū)?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有膨脹土的地區(qū)存在于20 多個(gè)省、市、自治區(qū)，總面積超過10萬km2［3］。僅我國每年因膨脹土造成的經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)800 億元，如何治理膨脹土已成為世界公認(rèn)的重大技術(shù)難題，一直困擾著工程界。

吳燕開等人［4］通過摻加水泥、鋼渣粉及氫氧化鈉改良膨脹土，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、無荷膨脹率試驗(yàn)，研究表明鋼渣粉改良膨脹土具有較大優(yōu)勢，摻加鋼渣粉具有抵抗凍融侵蝕的作用。張萬濤等人［5］向膨脹土中加入火山灰類添加劑可有效改善其脹縮特性，但連續(xù)干濕循環(huán)氣候可能改變改良土的脹縮穩(wěn)定性，并導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良土的膨脹性增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。馬繽輝等人［6］采用煤矸石粉改良膨脹土，煤矸石粉能夠有效地降低膨脹土的脹縮性和改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度，得出了改良膨脹土的物理化學(xué)機(jī)理及微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理，并且確定了煤矸石粉的最佳摻量為8%，為有效改良膨脹土路基、資源化利用煤矸石提供科學(xué)依據(jù)和有效改良方法。趙心濤等人［7］探討利用煤渣作為膨脹土改良材料在工程實(shí)踐中的可行性。許多科技工作者進(jìn)行了大量的研究，也為改良膨脹土作為路基填料提供了理論與數(shù)據(jù)的支持。

本文以某高速沿線路基的膨脹土為研究對象，在大量研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料對膨脹土的改性試驗(yàn)，并在該高速路基試驗(yàn)段中采用工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料對膨脹土進(jìn)行改性，取得了較好的試驗(yàn)效果。

1 試驗(yàn)材料

1.1 膨脹土

試驗(yàn)所用膨脹土來自于某高速沿線取土場，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 膨脹土技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Index of Expansive Soil

由表1 可以看出，該膨脹土的液限為44.5%，塑性指數(shù)20.3%，屬于低液限黏土；自由膨脹率53%，按《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范：GB 50112-2013》［8］進(jìn)行分類，判定試驗(yàn)所用膨脹土為弱膨脹土；96%壓實(shí)度下的CBR 值僅為2.66%，遠(yuǎn)小于上、下路床填料的CBR值（＞8%）的要求，甚至達(dá)不到93%壓實(shí)度的下路堤的CBR值要求（≥3%）。

1.2 工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料

工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料主要由鋼渣、粉煤灰、煤矸石及少量化學(xué)物質(zhì)制備。利用其中活性成分水化，并產(chǎn)生膠結(jié)土壤顆粒的膠凝物質(zhì)，也在一定程度上激發(fā)土壤顆粒本身的礦物活性，形成的膠凝成分堵塞土壤的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，從而使土體具有強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1.3 水泥

采用鄭州市某P.O 42.5 水泥，主要化學(xué)成分如表2所示。

表2 膠凝材料主要化學(xué)成分Tab.2 Main Chemical Composition of Cementitious Materials

2 試驗(yàn)方法

2.1 凝結(jié)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度

按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢測方法：GB/T 1346-2001》中試驗(yàn)方法，測定復(fù)合膠凝材料與水泥的初凝與終凝；按照《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)：GB/T 17671-1999》中試驗(yàn)方法，測定工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料與水泥的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度。

2.2 土的密度、液限、塑限、CBR、自由膨脹率和有荷載膨脹率

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTG E40-2007》中的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料

工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料的配方可以根據(jù)不同類型土壤的物理力學(xué)特性進(jìn)行調(diào)整，使其技術(shù)指標(biāo)能夠滿足不同的工程需求。按照現(xiàn)行測試規(guī)范，參考用于水泥質(zhì)量評價(jià)的技術(shù)指標(biāo)，將穩(wěn)定膨脹土所用的工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料制成砂漿并測試其初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)，具體如表3所示。

3.2 水化過程分析

通過采用與普通硅酸鹽水泥相對比的方法，對工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料在穩(wěn)定碎石中的水化狀況進(jìn)行研究，為此制備了2 種膠凝材料相同水灰比的凈漿材料，在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后，采用SEM 分別對2 種材料的水化過程進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。

表3 復(fù)合膠凝材料主要技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Main Technical Indexes of Composite Cementitious Materials

圖1為凈漿試件的SEM圖，由圖1可以看出：

⑴圖1a 中，水泥水化第3 天可以觀察到水泥顆粒被大量長纖維狀C-S-H 覆蓋，還存在零星針棒狀A(yù)ft，內(nèi)部孔隙被填充，水泥石的強(qiáng)度在不斷增長。

⑵圖1b中，水泥水化進(jìn)行到第7 天，可觀察到孔隙被水化產(chǎn)物進(jìn)一步填充，水泥石強(qiáng)度繼續(xù)發(fā)展。

⑶圖1c 中，工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料水化進(jìn)行到第3 天，可觀察到工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料顆粒被纖維狀C-S-H 覆蓋，水化所生成的C-S-H 比水化相同時(shí)期的水泥水化產(chǎn)物C-S-H 更粗，含量更高，這就是工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能優(yōu)于水泥材料的原因。另外，還可觀察到少量未水化顆粒的團(tuán)聚體，這些可能是赤泥等不可水化的物質(zhì)。

⑷圖1d 中，工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料水化進(jìn)行到第7天，除了不斷增多的水化產(chǎn)物外，還觀察到一些比較明顯的空隙。這些空隙可能是由圖1c 中觀察到的未水化顆粒造成的，如果在水化過程中水化產(chǎn)物生成不足，不能及時(shí)有效地填充如圖1d 中的大空隙，將對材料的整體結(jié)構(gòu)造成很大傷害，尤其是力學(xué)性能和耐久性能。比如在凍融循環(huán)時(shí)，水分會(huì)快速進(jìn)入空隙，造成凍融破壞，這也就是工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料抗凍融能力較弱的原因。

圖1 水泥和復(fù)合膠凝材料凈漿試件SEM圖Fig.1 SEM of Cement and Composite Cementitious Material

3.3 工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土路用性能研究

為研究工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土的路用性能，確定工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土?xí)r，工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝的最佳摻量、混合料的最佳含水率和最大干密度等指標(biāo)，根據(jù)路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，對穩(wěn)定膨脹土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、有荷載膨脹率試驗(yàn)和不同壓實(shí)度（K）下的強(qiáng)度（CBR）試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

由表4 可知，當(dāng)工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料摻量≥4.5% 時(shí)，脹縮總率δep＜0.7%，CBR＞12%，超過規(guī)范上路床的8%，滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求。因此確定采用工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土填筑路堤、路床時(shí)，工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料的最低摻量為4.5%。

3.4 工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土施工工藝研究

對于工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土底基層在施工前，需要對下臥層進(jìn)行清理和潤濕處理，并對路基質(zhì)量進(jìn)行檢查，主要項(xiàng)目如下：①碾壓檢驗(yàn)：用15 t三輪壓路機(jī)碾壓3～4 遍，不得出現(xiàn)翻漿、彈簧等現(xiàn)象，檢驗(yàn)頻度要求全面、隨機(jī)；②路基強(qiáng)度檢驗(yàn)：當(dāng)取用承載板檢驗(yàn)時(shí)，每100～200 m 至少布置1個(gè)測點(diǎn)，不足100 m 的按100 m 控制，每個(gè)測點(diǎn)在上、下行車道中至少有3 個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)采用彎沉檢驗(yàn)時(shí)，每20 m 至少8個(gè)數(shù)據(jù)。對于承載板檢驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)崪y彎沉值不能滿足設(shè)計(jì)E0值要求時(shí)，應(yīng)找出其周圍限界，進(jìn)行局部處理，直到滿足要求。如果采用彎沉檢驗(yàn)，建議作一定數(shù)量的承載板與彎沉的對比檢驗(yàn)；③平整度檢驗(yàn)：平整度質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在2 cm以內(nèi)［8-10］。

工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土底基層試驗(yàn)路施工時(shí)，鋪筑工藝為布土、悶土、粗平、穩(wěn)壓、布工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料、拌和、檢查拌和深度、松鋪厚度、含水量和灰劑量后，進(jìn)行粗平、穩(wěn)壓、精平，最后進(jìn)行碾壓成型，并進(jìn)行質(zhì)量檢查、養(yǎng)生。由于氣溫較高，施工延遲時(shí)間應(yīng)適當(dāng)縮短，從拌和開始到碾壓結(jié)束不宜超過8 h，最好在6 h 之內(nèi)完成。碾壓工藝為：精平后光輪壓路機(jī)穩(wěn)壓1 遍，強(qiáng)振2 遍，弱振2 遍，最后靜壓1 遍［11，12］。然后進(jìn)行壓實(shí)度檢測，結(jié)果均大于97%。碾壓完成后，灑適量水（表面濕潤即可），立即覆蓋塑料薄膜進(jìn)行養(yǎng)生（見圖2）。

試驗(yàn)段經(jīng)7 d 養(yǎng)生后，進(jìn)行取芯檢測，芯樣完好，如圖3所示。

芯樣經(jīng)試驗(yàn)室處理成直徑和高度均為10 cm左右的圓柱體，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果顯示芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大值為1.8 MPa，最小值為1.1 MPa，平均值為1.41 MPa，代表值為1.25 MPa。

同時(shí)，還對工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定黏土底基層試驗(yàn)段進(jìn)行了彎沉檢測，代表值為43.7（0.01 mm），滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土性能Tab.4 Performance of Composite Cementitious Material Treating Expansive Soil

圖2 復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土底基層施工流程Fig.2 Construction Process of Composite Cementitious Material Stabilized Expansive Soil

4 結(jié)論

⑴工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料具有一定的水化活性，但與水泥相比，其水化活性和水化速率較低，致使其凝結(jié)時(shí)間延長、各齡期抗壓強(qiáng)度較小，但凝結(jié)時(shí)間的延長對復(fù)合膠凝材料處治土的施工控制有利。

⑵當(dāng)工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料摻量≥4.5%時(shí)，脹縮總率δep＜0.7%，CBR＞12%，超過規(guī)范上路床的8%，滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求。

⑶工業(yè)廢渣復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定膨脹土試驗(yàn)段取樣，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為1.41 MPa，彎沉檢測代表值為43.7（0.01 mm），滿足設(shè)計(jì)要求。