孫兆云，韋金城，王 林，李 夏，吳文娟

(山東省交通科學研究院 高速公路養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山東 濟南 250102)

粉土在黃河下游沖積平原地區(qū)分布廣泛，其顆粒級配不良、黏粒含量低、強度弱、水穩(wěn)定性差，工程應用中存在易沖刷、毛細水現(xiàn)象強烈、施工壓實困難等問題[1-3]，屬于不良的公路工程用土。粉土直接用于路基填筑，往往會由于壓實不足、毛細水劇烈上升、不均勻沉降等原因引發(fā)路基的強度衰減或軟化失穩(wěn)，最終導致路面整體結(jié)構(gòu)破壞[4]。隨著中國公路建設規(guī)模的快速發(fā)展和社會生態(tài)保護意識的不斷提高，工程建設面臨土源嚴重緊缺的問題，黃河下游沖積平原地區(qū)尤為突出。目前，工程建設中往往就地取材，采取改良固化、壓實工藝優(yōu)化和工程防護措施等技術(shù)手段，實現(xiàn)粉土規(guī)?；瘧糜诼坊钪?。

粉土的改良固化技術(shù)主要采用化學改良方法，在粉土中摻入固化穩(wěn)定材料，經(jīng)過一系列物理化學反應使土體形成膠結(jié)整體，從而解決粉土顆粒黏聚力弱、滲透性強、水穩(wěn)定性差等不良工程特性。國內(nèi)外學者對粉土的固化穩(wěn)定材料開展了大量試驗與研發(fā)工作。宋博文等[5]研究了消石灰、水泥改良粉土的強度及變形特性。崔偉等[6]研究了水泥和水玻璃對低液限粉土強度的改善效果。武慶祥等[7]研究了石灰、水泥對粉土的工程改良效果。周天寶等[8]以生物聚合物（黃原膠）為固化劑，研究了西北地區(qū)粉土的固化效果并進行了機理分析。張濤和劉松玉等[9-10]對工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素改良粉土進行了大量室內(nèi)試驗研究和填筑路基技術(shù)的可行性評價。蔡光華等[11]通過強度、微觀孔隙等特征揭示了活性MgO碳化加固粉土的微觀機理。邵光輝等[12]利用巴氏芽孢桿菌誘導碳酸鈣沉積，對粉土進行固化并分析了微觀控制因素與作用機理。國外學者還研究將液體瀝青用作粉砂土的穩(wěn)定材料[13-14]。以上研究在粉土的改良固化方面取得了良好的理論分析和試驗效果，固化材料也由傳統(tǒng)的無機類、有機類逐漸發(fā)展為無機-有機復合及生物類改良固化。但是，粉土固化在工程應用實踐中仍存在改良效果單一、推廣應用技術(shù)難度高等問題。因此，在開展固化粉土的強度、變形等基本性能研究的基礎上，進一步研究固化粉土在實際工作條件下可能出現(xiàn)的受水、低溫凍融影響及自然或荷載作用下的微損傷影響等不利條件下的路用性能變化是非常必要的。

燒結(jié)法赤泥是堿法生產(chǎn)氧化鋁所排放的固體工業(yè)廢渣[15]，氧化鈣、氧化硅含量較高，顆粒細小且內(nèi)部呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較強的吸附能力和一定的水化活性[16]。瀝青是由不同分子量的碳氫化合物及其衍生物組成的復雜混合物，屬于溫感性材料，具有流動自愈合特性[17-19]。研究結(jié)合燒結(jié)法赤泥顆粒特征和瀝青材料特性，在一定工藝下將兩者拌和、粉磨，制備新型粉土固化劑（red mud-asphalt powder curing agent，RAC），通過物理-化學綜合作用對粉土進行固化穩(wěn)定。RAC的制備過程可增值利用工業(yè)固廢-燒結(jié)法赤泥，同時將瀝青在常溫下轉(zhuǎn)化為固體粉末形態(tài)，有利于固化粉土的工程實踐和施工質(zhì)量控制。作者在評價RAC穩(wěn)定粉土基本力學性能的基礎上，進一步研究浸水軟化、循環(huán)加熱、低溫凍融、高溫自愈等試驗條件下不同摻量RAC穩(wěn)定粉土路用性能的變化規(guī)律，分析RAC摻量對穩(wěn)定粉土水穩(wěn)定性、抗凍性和損傷修復性能的影響。采用掃描電鏡（SEM）分別觀察粉土、水泥穩(wěn)定粉土和RAC穩(wěn)定粉土的微觀形貌，分析不同材料對土體結(jié)構(gòu)與孔隙特征的影響，探討固化穩(wěn)定機理。依托實體工程，對RAC穩(wěn)定粉土道路的彎沉、強度等指標進行測試，為路用性能評價和工程應用提供技術(shù)參考和借鑒。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗用粉土取自山東省德州市黃河沖積平原，取樣位置距黃河北岸約15 km。土樣比重為2.7，液限wL為28.4%，塑性指數(shù)Ip為8.6，最大干密度為1.78 g/cm3，最佳含水率為15.1%。采用激光粒度儀進行顆粒分析，不均勻系數(shù)為4.8，曲率系數(shù)為1.9，顆粒分布曲線如圖1所示。

圖1 土樣顆粒分析曲線Fig.1 Soil sample grain analysis curve

水泥選用42.5級基準水泥，密度為3.07 g/cm3，初凝時間為183 min，終凝時間為248 min，比表面積為360 m2/kg，3 d抗壓強度為30.0 MPa、28 d抗壓強度為57.0 MPa。

燒結(jié)法赤泥的化學成分以CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgO為主，其中，CaO與SiO2的總量占比60%以上。燒結(jié)法赤泥粉末的含水率小于3%，堆積密度為0.6～0.8 g/cm3，比表面積為550～600 m2/kg。

基質(zhì)瀝青選用70號A級道路石油瀝青，針入度70（0.1 mm），軟化點46.5 ℃，15 ℃延度大于100 cm，15 ℃密度1.033 g/cm3，60 ℃動力黏度246 Pa·s。

RAC固化劑是以燒結(jié)法赤泥和70號基質(zhì)瀝青為主要材料研制而成。將燒結(jié)法赤泥烘干、磨細至小于120目備用；基質(zhì)瀝青加熱至一定溫度后，按比例投入磨細燒結(jié)法赤泥，充分攪拌120 s后冷卻至室溫；投入適量分散劑后，用粉碎機破碎至0.075 mm以下，即得到RAC固化劑。

1.2 試驗方案

穩(wěn)定粉土采用“RAC+水泥”雙摻方式進行復合固化。根據(jù)工程經(jīng)驗和前期室內(nèi)對比試驗結(jié)果，水泥摻量取5%。為研究RAC固化劑摻量對粉土力學性能的影響，RAC固化劑摻量選取0、2%、4%、6%、8%不同比例。兩種材料的摻量均按土樣干質(zhì)量百分比計。根據(jù)室內(nèi)重型擊實試驗參數(shù)，按96%壓實度靜壓成型圓柱形試件。將試件在溫度（20±1）℃、濕度≥90%的標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至相應的試驗齡期，并按表1所列方案開展試驗。

表1 RAC穩(wěn)定粉土路用性能試驗方案Tab. 1 RAC stabilized silt road performance test schemes

2 結(jié)果與分析

2.1 標養(yǎng)、浸水強度試驗

標養(yǎng)、浸水強度試驗是以軸向應變1%/min～3%/min的速度對無側(cè)向限制的圓柱體試件進行加載，測得試件所能承受的最大軸向應力即為無側(cè)限抗壓強度。

不同摻量RAC穩(wěn)定粉土在標準養(yǎng)護條件下3、7和28 d齡期的抗壓強度試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著RAC摻量的增加，穩(wěn)定粉土不同齡期的強度均得到提高。2%、4%、6%、8%RAC穩(wěn)定粉土的3 d齡期強度較單摻水泥（RAC摻量為0）分別提高110%、146%、156%、161%，3 d到28 d齡期的強度增長率分別為136%、134%、137%、127%。結(jié)果表明，“RAC+水泥”雙摻對粉土的固化穩(wěn)定效果明顯優(yōu)于單摻水泥固化，且RAC摻量對穩(wěn)定粉土早期強度的形成影響顯著，后期強度增長率則趨于穩(wěn)定。

圖2 不同齡期穩(wěn)定粉土RAC摻量-抗壓強度試驗結(jié)果Fig.2 RAC dosage-compressive strength test results of stable silt at different ages

穩(wěn)定粉土的強度受浸水條件的影響而發(fā)生變化，圖3為不同RAC摻量下穩(wěn)定粉土3、7、28 d齡期試件浸水后抗壓強度的損失情況。

圖3 不同齡期穩(wěn)定粉土RAC摻量-強度損失率曲線Fig.3 RAC dosage-strength loss rate curves of stable silt at different ages

圖3表明RAC摻量對穩(wěn)定粉土的水穩(wěn)定性能具有顯著影響：1）單摻水泥穩(wěn)定粉土的3、7、28 d浸水強度損失率分別為61.2%、51.3%、50.5%，整體上受浸水影響而導致的強度損失較大。2）RAC摻量低于4%時，穩(wěn)定粉土的浸水強度損失率降低明顯；RAC摻量高于4%時，穩(wěn)定粉土的浸水強度損失率逐漸趨于穩(wěn)定。3）與單摻水泥穩(wěn)定粉土相比，2%～6%RAC穩(wěn)定粉土7 d齡期之后浸水強度損失率呈小幅下降趨勢，以4%RAC摻量為例，其3、7、28 d齡期浸水強度損失率分別為21.4%、12.0%、7.6%；當RAC摻量為8%時，7 d齡期之后的浸水強度損失率趨于穩(wěn)定。

綜合分析上述標養(yǎng)、浸水強度試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：單摻水泥穩(wěn)定粉土，隨水泥水化反應的進行，穩(wěn)定粉土能夠形成一定強度，但浸水后強度損失較高。與單摻水泥相比，“RAC+水泥”雙摻穩(wěn)定粉土的強度和水穩(wěn)定性更優(yōu)。這是由于RAC組分中燒結(jié)法赤泥含有活性CaO、SiO2，具備水化活性，水化生成C—S—H凝膠，瀝青微粒則在物理壓實作用下連結(jié)水化產(chǎn)物與粉土顆粒形成凝聚結(jié)構(gòu)。通過兩種材料的綜合作用，宏觀上進一步提高了穩(wěn)定粉土的強度和水穩(wěn)定性。同時，對比圖2、3表明：穩(wěn)定粉土的強度和水穩(wěn)定性隨RAC摻量的變化規(guī)律具有一致性，且RAC摻量大于2%時，穩(wěn)定粉土強度和水穩(wěn)定性提高明顯；RAC摻量超過6%之后，性能提高趨于穩(wěn)定，初步說明了RAC存在一定的最佳摻配比例范圍。

2.2 循環(huán)加熱試驗

穩(wěn)定粉土循環(huán)加熱后的力學性能利用強度增長率進行評價，強度增長率為循環(huán)加熱后強度與標準養(yǎng)護強度的比值，5次和10次循環(huán)加熱試驗后的強度增長率分布如圖4所示。

圖4 循環(huán)加熱RAC穩(wěn)定粉土的強度增長率Fig.4 RAC stabilized silt strength growth rates by cyclic heating

由圖4可知，循環(huán)加熱試驗條件對不同摻量RAC穩(wěn)定粉土強度增長有明顯差異，主要體現(xiàn)在兩個方面：

1）摻量影響。循環(huán)加熱對單摻水泥和2%低摻量RAC穩(wěn)定粉土強度增長作用較小；當RAC摻量高于4%時，5次以上循環(huán)加熱后穩(wěn)定粉土強度增長明顯，增長率超過140%；隨RAC摻量的增加，3、7 d齡期穩(wěn)定粉土循環(huán)加熱，強度增長率呈上升趨勢，28 d齡期、8%RAC強度增長率會略有下降。

2）齡期影響。循環(huán)加熱對不同摻量RAC穩(wěn)定粉土的早期強度作用明顯，3 d齡期、5次循環(huán)強度分別提高116.4%、129.7%、156.1%、163.8%、170.4%，3 d齡期10次循環(huán)分別提高123.9%、143.2%、180.6%、182.9%、182.4%。對比圖4（a）、（b）可知：隨齡期增長，RAC穩(wěn)定粉土循環(huán)加熱后的強度增長率逐漸減??；28 d齡期時，當循環(huán)次數(shù)由5增至10次，其強度增長率基本保持不變。

由于循環(huán)加熱可加速水化反應，促進強度形成，單摻水泥穩(wěn)定粉土的強度會有小幅度提高。當加入RAC時，所含的瀝青以微粉形態(tài)充分分散于穩(wěn)定土體內(nèi)，循環(huán)加熱作用使瀝青分子活動得到增強，不斷濕潤裹附土體顆粒并擴散滲透孔隙結(jié)構(gòu)，有效黏結(jié)粉土顆粒與水化產(chǎn)物，形成膠結(jié)體，這一過程是RAC穩(wěn)定粉土循環(huán)加熱后強度提高的主要原因。

2.3 低-高溫試驗

單摻水泥穩(wěn)定粉土和RAC穩(wěn)定粉土試樣經(jīng)低溫凍融試驗后的狀態(tài)如圖5所示。

圖5 低溫凍融后土樣狀態(tài)Fig.5 Soil sample state after low temperature freeze-thaw

單摻水泥的穩(wěn)定粉土試件經(jīng)1次凍結(jié)即發(fā)生開裂破壞，故僅選擇2%、4%、6%、8%RAC穩(wěn)定粉土進行低溫凍融和高溫自愈試驗。不同摻量穩(wěn)定粉土經(jīng)過低溫凍融、高溫自愈作用后應力-應變關系發(fā)生明顯變化，如圖6所示。

圖6中，曲線峰值和彈性階段斜率分別代表了試件的單軸抗壓強度和彈性模量，由圖6可知：

圖6 不同溫度條件下RAC穩(wěn)定粉土應力應變關系曲線Fig.6 Stress-strain curves of RAC stabilized silt under different temperature conditions

1）低溫凍融條件下：2%、4%、6%、8%RAC穩(wěn)定粉土的低溫凍融試驗曲線整體位于標準養(yǎng)護試驗曲線的下方，各組曲線峰值和斜率低于標準養(yǎng)護試驗曲線。說明低溫凍融作用使穩(wěn)定粉土的抗壓強度和彈性模量均有所降低。

2%、4%、6%、8%RAC穩(wěn)定粉土低溫凍融的強度變化率分別為-20.5%、-12.9%、-10.1%、-14.6%，而單摻水泥穩(wěn)定粉土凍融后完全失去強度。與單摻水泥相比，RAC伴隨水泥水化與粉土顆粒共同形成膠凝態(tài)結(jié)構(gòu)，RAC中瀝青組分通過粉化分散和黏性吸附作用，阻斷結(jié)構(gòu)內(nèi)毛細孔隙的連通，減小自由水凍結(jié)條件下因體積膨脹而產(chǎn)生的附加內(nèi)力，從而使穩(wěn)定粉土的抗凍融性能得到顯著提高。但RAC摻量過大會使穩(wěn)定粉土逐漸出現(xiàn)團粒結(jié)構(gòu)大孔隙，試件吸水性增強，不利于整體抗凍性能。結(jié)果表明，4%～6%RAC摻量穩(wěn)定粉土的抗凍性能更優(yōu)。

2）高溫自愈條件下：2%、4%、6%、8%RAC穩(wěn)定粉土的高溫自愈試驗曲線出現(xiàn)不同變化，各組曲線的斜率均小于標準養(yǎng)護試驗曲線，曲線峰值則從低于標準試驗曲線逐漸發(fā)生反超。說明高溫愈合試驗后，穩(wěn)定粉土彈性模量整體降低，抗壓強度則隨RAC摻量的增加得到補強。

2%、4%、6%、8%RAC穩(wěn)定粉土高溫自愈的強度變化率分別為-8.3%、-2.3%、8.0%、12.9%，呈正向增長趨勢；彈性模量分別為1 321、1 118、1 013、907 MPa，隨摻量增加呈下降趨勢。RAC中瀝青組分具有自愈合性能，高溫作用能夠明顯改變材料界面表面能，激發(fā)加速分子擴散和重組滲透進入土體微裂縫，起到填補和黏附作用，宏觀上表現(xiàn)出修復強度損傷與補強功能。隨著土體內(nèi)瀝青含量的增加，穩(wěn)定土體的塑性得到增強，彈性模量出現(xiàn)下降趨勢。結(jié)果表明，RAC摻量超過4%時，穩(wěn)定粉土均具有良好的自愈補強效果。

2.4 微觀形貌分析

采用SEM分別觀測粉土、水泥穩(wěn)定粉土、RAC穩(wěn)定粉土、加熱后的RAC穩(wěn)定粉土的微觀形貌特征，如圖7所示。

由圖7可知：圖7（a）中，粉土的黏粒成分含量很少，顆粒間無明顯黏結(jié)，呈松散粒狀結(jié)構(gòu)，粒間孔隙較大；圖7（b）中，水泥穩(wěn)定粉土顆粒表面存在大量的絮狀水化硅酸鈣凝膠和板片狀氫氧化鈣，整體形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但土粒與水化產(chǎn)物間黏結(jié)不緊密，結(jié)構(gòu)密實度不高，存在較多連通粒間孔隙；圖7（c）中，RAC穩(wěn)定粉土中瀝青組分與水化產(chǎn)物、土粒吸附黏結(jié)效果明顯，形成密實的整體膠結(jié)-凝聚結(jié)構(gòu)，粒間孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植嫉姆沁B通微孔結(jié)構(gòu)形態(tài)，孔徑分布在0.5～1.0 μm范圍；圖7（d）中，RAC穩(wěn)定粉土經(jīng)過加熱作用，瀝青組分軟化后發(fā)生擴散與重組，進一步填充粒間孔隙或細微裂縫，縮小非連通微孔孔徑，孔徑分布在0.1～0.5 μm范圍，整體膠結(jié)結(jié)構(gòu)更加密實。通過觀測不難發(fā)現(xiàn)，粉土、水泥穩(wěn)定粉土、RAC穩(wěn)定粉土在微觀形貌上具有非常顯著的差異性，且3種不同粉土的膠結(jié)結(jié)構(gòu)、孔隙特征與其宏觀上在所述試驗條件下表現(xiàn)出的力學性能規(guī)律相一致。

圖7 不同試樣的SEM形貌Fig.7 SEM morphology photographs of different samples

綜上所述，RAC穩(wěn)定粉土是一個復雜的物理-化學作用過程：1）利用燒結(jié)法赤泥比表面積大、吸附能力強的顆粒特性，與基質(zhì)瀝青充分拌和、吸附、研磨，使基質(zhì)瀝青在常溫下能夠轉(zhuǎn)化形成高分散性的微粉形態(tài)；2）燒結(jié)法赤泥中存在大量的活性CaO、SiO2，與水泥共同發(fā)生水化反應，可以促進轉(zhuǎn)化形成水化硅酸鈣凝膠，形成致密的3維空間水泥石結(jié)構(gòu)；3）基質(zhì)瀝青以微粉形態(tài)充分分散并填充于粉土顆粒之間，經(jīng)初步機械壓實與土粒發(fā)生膠結(jié)，隨后伴隨水化反應進程，部分瀝青微粉進一步與土粒及水化產(chǎn)物相互吸附形成空間凝聚結(jié)構(gòu)，改善界面形態(tài)形成均勻分布的非連通膠凝微孔；4）穩(wěn)定土體在高溫作用下，剩余自由態(tài)瀝青微粉逐漸轉(zhuǎn)至黏性狀態(tài)，瀝青分子的濕潤和擴散作用得到增強[20]，進一步填充內(nèi)部孔隙和微損失裂縫，恢復至常溫狀態(tài)，可實現(xiàn)穩(wěn)定土體的損傷修復和結(jié)構(gòu)補強。

3 工程應用

實體工程位于德州市黃河沖積平原地區(qū)，為適合中小型客車、輕型載重汽車、四輪低速貨車、三輪汽車、摩托車、非機動車混合行駛的雙車道四級公路（Ⅰ類），設計速度為15 km/h，屬于小交通量農(nóng)村公路建設項目。道路長2.2 km，路面寬7 m，路面采用“土基+20 cm厚6%水泥穩(wěn)定土+15 cm厚4%RAC、5%水泥穩(wěn)定土+3 cm厚AC-13瀝青面層”的結(jié)構(gòu)組合。

項目通車運行8個月后，路面未出現(xiàn)裂縫、坑槽、松散等損壞現(xiàn)象，整體平整度良好，見圖8（a）。在經(jīng)歷一次冬季和雨季影響后，采用落錘式彎沉儀（FWD，圖8（b））、動力錐貫入儀（DCP）、鉆芯等試驗方法對道路的整體承載能力和力學性能進行現(xiàn)場測試評價。

圖8 工程應用道路狀況及FWD測試Fig.8 Engineering application road condition and FWD test

道路路面的FWD測試彎沉值范圍在18～23（0.01 mm）之間，RAC穩(wěn)定粉土結(jié)構(gòu)層的DCP貫入度值為2 mm，換算CBR值為134%。RAC穩(wěn)定粉土結(jié)構(gòu)層的現(xiàn)場取芯芯樣完整，如圖9所示。室內(nèi)加工后，按照表1中的抗壓強度和單軸壓縮彈性模量試驗方法進行測試，其無側(cè)限抗壓強度為1.7 MPa，彈性模量為1 360 MPa。

圖9 現(xiàn)場取芯及芯樣Fig.9 Field coring and core sample

結(jié)合項目道路實際技術(shù)狀況和各項試驗結(jié)果可以看出：RAC穩(wěn)定粉土在經(jīng)歷低溫、降水等自然環(huán)境影響后具有良好的承載能力和力學性能；路用工作性能與室內(nèi)多種特定試驗條件下的力學性能評價結(jié)果相一致，燒結(jié)法赤泥-瀝青粉在實體工程應用中對粉土具有良好的作用效果。

4 結(jié) 論

1）工業(yè)固廢-燒結(jié)法赤泥具有活性成分和微顆粒結(jié)構(gòu)，瀝青具有溫度敏感性和自愈合特性，結(jié)合利用這兩種材料的特性，制備燒結(jié)法赤泥-瀝青粉固化劑（RAC），并對粉土進行物理-化學綜合固化穩(wěn)定。

2）RAC穩(wěn)定粉土標準養(yǎng)護抗壓強度隨摻量增加提升明顯，28 d齡期的浸水強度損失率均小于20%；RAC摻量高于4%時，低溫凍融強度損失率小于15%，循環(huán)加熱5次以上，強度增長可以超過140%，高溫自愈補強呈正向增長趨勢；綜合對比不同試驗條件下RAC穩(wěn)定粉土的性能變化規(guī)律，確定RAC優(yōu)選摻量為4%～6%。

3）RAC穩(wěn)定粉土具有顯著的膠結(jié)結(jié)構(gòu)形態(tài)，粒間孔隙被均勻分布的非連通微孔所替代，水穩(wěn)定性和抗凍性得到了明顯提高。溫度升高能夠激發(fā)、加速瀝青分子擴散和重組，進一步填充土體內(nèi)部孔隙與細微裂縫，高溫工作環(huán)境中具有損傷修復和結(jié)構(gòu)補強功能。

4）在實體工程應用中，RAC穩(wěn)定粉土結(jié)構(gòu)層現(xiàn)場芯樣的抗壓強度為1.7 MPa，單軸壓縮彈性模量為1 360 MPa，道路路面FWD彎沉值為18～23（0.01 mm）；低溫、降水等自然環(huán)境影響下道路未出現(xiàn)裂縫、坑槽、松散等損壞現(xiàn)象。下一步將繼續(xù)對實體工程道路的技術(shù)狀況進行長期跟蹤觀測。