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        土凝巖穩(wěn)定沿黃地區(qū)路基粉砂土應(yīng)用研究

        2021-09-23 00:49:01常燦華,殷衛(wèi)永,褚付克,袁征,尚康寧
        交通科技與管理 2021年25期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)用

        常燦華,殷衛(wèi)永,褚付克,袁征,尚康寧

        摘 要:為研究土凝巖在道路工程中應(yīng)用可行性,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、鋪筑試驗(yàn)段及工后檢測(cè),分析了土凝巖穩(wěn)定粉砂土的路用性能。結(jié)果表明:在摻量為3%~6%范圍內(nèi),隨著土凝巖摻量的提高,土凝巖穩(wěn)定粉砂土的CBR和抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。當(dāng)土凝巖摻量為4%時(shí),在壓實(shí)度為98%時(shí),土凝巖穩(wěn)定粉砂土的CBR可達(dá)58.2%,28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.59 MPa,性能指標(biāo)優(yōu)于相同摻量的水泥穩(wěn)定粉砂土,說(shuō)明土凝巖穩(wěn)定粉砂土總體路用性能良好,經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

        關(guān)鍵詞:道路材料;土凝巖;路用性能;應(yīng)用

        0 引言

        據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全國(guó)工業(yè)固體廢棄物堆存總量約758億噸,按照每萬(wàn)噸堆存平均占用0.5畝土地計(jì)算,工業(yè)固體廢棄物堆存占用土地面積達(dá)375萬(wàn)畝。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展,產(chǎn)生了大量鋼渣、赤泥、粉煤灰等工業(yè)廢渣并大量堆存,產(chǎn)生了環(huán)境、安全、資源、土地等一系列問(wèn)題,提高大宗工業(yè)固體廢棄物資源化利用水平已成為緩解資源約束、減少?gòu)U棄物排放、減輕環(huán)境污染的必然和有效手段。

        土凝巖是以煤矸石、鋼渣、尾礦粉煤灰等固體廢渣為原材料,利用地質(zhì)成巖原理,借助清潔化工藝制備而成水硬性膠凝材料,具有力學(xué)強(qiáng)度高、耐久性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn),可穩(wěn)定各種類型的細(xì)粒土、砂礫土和碎石等工程材料,適用于公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)和水利等領(lǐng)域[1]。

        本文以某國(guó)道鄭州境改建工程為依托工程,結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況,選取工程中使用的粉砂土為原材料,進(jìn)行土凝巖穩(wěn)定粉砂土室內(nèi)試驗(yàn)及工程應(yīng)用研究。

        1 原材料

        1.1 粉砂土

        粉砂土為某國(guó)道鄭州境改建工程現(xiàn)場(chǎng)取樣。

        1.2 土凝巖

        土凝巖材料是由粉煤灰、電石渣、鋼渣、煤矸石、鋁土礦等工業(yè)廢料經(jīng)一定工藝制備的新型材料,其主要成分與水泥類似,但各成分含量不同。土凝巖材料的主要化學(xué)成分分析如表1所示。

        土凝巖材料根據(jù)被穩(wěn)定材料的物理、化學(xué)性質(zhì)不同,各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同,生產(chǎn)工藝參數(shù)也有所不同,但生產(chǎn)工藝流程均相似。

        2 土凝巖穩(wěn)定粉砂土性能

        2.1 粉砂土性能

        2.1.1 界限含水率測(cè)定

        按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)中T0115和T0118試驗(yàn)方法,取五組粉砂土樣分別進(jìn)行篩分稱量,測(cè)試各顆粒組含量,同時(shí)測(cè)試各土樣的塑限和液限。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

        由表2可知,土樣粒徑級(jí)配不良,1~5號(hào)土樣中小于0.075 mm的顆粒占比均超過(guò)90%。根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于土的工程分類規(guī)定,此五組粉砂土樣均為粉質(zhì)土或黏質(zhì)土。

        《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定細(xì)粒土應(yīng)按照如圖1所示塑性圖進(jìn)行分類,土樣1的液限wL為33.8%,小于50%;塑限wP為26.2%,塑性指數(shù)為7.6,當(dāng)液限為33.8%時(shí),A線Ip=10.074。土樣的塑性指數(shù)位于A線以下,液限位于B線以左,根據(jù)細(xì)粒土塑性圖確定土樣1為低液限粉土(ML)。按照同樣方法計(jì)算可知,2~5號(hào)土樣同樣為低液限粉土。這些土樣水穩(wěn)定性較差,不能固結(jié),不可直接作為公路路基工程填土。

        2.1.2 承載比(CBR)試驗(yàn)

        按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的試驗(yàn)方法,取土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),從而得出土樣的含水率和干密度數(shù)據(jù)繪制擊實(shí)曲線,如圖2所示。

        由圖2可知,擊實(shí)曲線大致為開口向下的拋物線,隨含水率的增加,干密度先增大后減小,干密度存在峰值(即最大干密度)。由曲線得試驗(yàn)粉砂土樣的最大干密度為1.723 g/cm3,最佳含水率為11.86%。

        按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的承載比試驗(yàn)方法,在粉砂土最大干密度和最佳含水率的條件下進(jìn)行不同壓實(shí)度下的承載比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

        由表3分析可知,粉砂土的CBR值較低,在3.5左右,低于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)上路床CBR大于8%的要求。

        2.2 土凝巖性能

        土凝巖作為一種新型膠凝材料,參考水泥質(zhì)量評(píng)價(jià)的技術(shù)指標(biāo),凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度是影響穩(wěn)定土施工工藝流程和工程質(zhì)量的重要指標(biāo),其測(cè)試方法參照水泥的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行,結(jié)果如表4所示。

        由表4可知,土凝巖7 d抗壓強(qiáng)度為8.7 MPa,而28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到21.5 MPa。土凝巖由多種工業(yè)廢渣復(fù)合而成,保證各組分比例得當(dāng),其礦物成分可發(fā)生有效的水化反應(yīng),表現(xiàn)出明顯的水化活性。此外,由于土凝巖材料凝結(jié)時(shí)間也較長(zhǎng),對(duì)土凝巖材料穩(wěn)定土的施工控制有利。

        2.3 土凝巖穩(wěn)定粉砂土性能

        根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,對(duì)不同土凝巖摻量的穩(wěn)定粉砂土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),同時(shí)用水泥穩(wěn)定粉砂土作為對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果見表5所示。

        由表5可知,土凝巖材料穩(wěn)定粉砂土的最大干密度和最佳含水量分別約為1.73 g/cm3及12.4%,與水泥穩(wěn)定土的ρdmax值和wop值接近。土凝巖固化粉砂土的CBR值均隨著土凝巖材料摻量的增加而不斷提高,不同壓實(shí)度下CBR值均在30%以上,遠(yuǎn)超《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2015)中規(guī)定的上路床CBR大于8%的要求。當(dāng)土凝巖材料摻量增加至4%時(shí),其在98%壓實(shí)度下的CBR值已超過(guò)水泥穩(wěn)定土試件;隨著土凝巖材料摻量繼續(xù)增加,其固化土試件在不同壓實(shí)度下的CBR值進(jìn)一步增大,比水泥穩(wěn)定土的CBR值高20%~30%左右。

        隨著復(fù)合膠凝材料摻量的提高,穩(wěn)定土7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增大;在7 d到28 d齡期階段,土凝巖穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)比水泥穩(wěn)定土明顯,當(dāng)土凝巖摻量增加至4%時(shí),土凝巖穩(wěn)定粉砂土7 d、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于水泥穩(wěn)定粉砂土。綜合來(lái)看,4%土凝巖穩(wěn)定粉砂土的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于4%水泥穩(wěn)定粉砂土,說(shuō)明土凝巖穩(wěn)定粉砂土具有良好的路用性能,能夠滿足高速公路路基施工技術(shù)要求。

        土凝巖較水泥更適宜用于粉砂土的穩(wěn)定處治,這是由于復(fù)合膠凝材料是根據(jù)土的相關(guān)理化性質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性的配方組成設(shè)計(jì),既能通過(guò)自身的水化反應(yīng)在土壤顆??障堕g形成強(qiáng)度骨架,也可以通過(guò)土凝巖中的活性成分與土壤產(chǎn)生膠凝效應(yīng),提高穩(wěn)定土的強(qiáng)度。隨著土凝巖穩(wěn)定土的養(yǎng)護(hù)齡期不斷增加,土凝巖的協(xié)同水化作用不斷增強(qiáng),從而使得穩(wěn)定土的后期強(qiáng)度隨著穩(wěn)定增長(zhǎng)。

        3 土凝巖穩(wěn)定粉砂土工程應(yīng)用

        3.1 土凝巖穩(wěn)定粉砂土路用性能影響因素

        影響土凝巖穩(wěn)定粉砂土路用性能的因素主要有膠凝材料摻量、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、含水率、壓實(shí)度等。

        (1)膠凝材料摻量。對(duì)于同一種原材料,穩(wěn)定土強(qiáng)度隨著膠凝材料摻量的增加而顯著增加,說(shuō)明膠凝材料摻量是影響穩(wěn)定混合料強(qiáng)度最關(guān)鍵的因素。

        (2)養(yǎng)護(hù)環(huán)境。養(yǎng)護(hù)環(huán)境主要是指養(yǎng)護(hù)的溫度和濕度。合適的養(yǎng)護(hù)溫度和濕度,有助于加快復(fù)合再生膠凝材料穩(wěn)定材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

        (3)含水率。含水率應(yīng)接近最佳含水率,過(guò)大或過(guò)小的含水率都會(huì)影響穩(wěn)定土路基的壓實(shí)效果,從而影響穩(wěn)定土的強(qiáng)度。研究表明,隨含水率的增加,穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在含水率達(dá)到最佳含水率時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最大值;隨后隨著含水率的繼續(xù)增加而快速減小[3]。在施工過(guò)程中應(yīng)控制好含水量,保證壓實(shí)效果及強(qiáng)度。

        (4)壓實(shí)度。根據(jù)前期已有研究成果,復(fù)合再生膠凝穩(wěn)定粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的提高而增加。

        3.2 土凝巖穩(wěn)定粉砂土施工工藝

        通過(guò)借鑒水泥穩(wěn)定材料的施工工藝,結(jié)合國(guó)內(nèi)已有類似工程應(yīng)用的調(diào)查研究,確定土凝巖穩(wěn)定粉砂土施工工藝如下:在工作區(qū)進(jìn)行布土、粗平、初壓、撒布土凝巖、拌和后,檢查拌和深度、含水率和灰劑量等指標(biāo),然后進(jìn)行粗平、穩(wěn)壓、精平,最后進(jìn)行碾壓成型,進(jìn)行壓實(shí)度檢查、養(yǎng)生。

        施工過(guò)程中,應(yīng)注意天氣和溫度變化,當(dāng)氣溫較高時(shí),為減少含水率損失,應(yīng)適當(dāng)縮短施工時(shí)間,從開始拌和至碾壓結(jié)束的整個(gè)過(guò)程不宜超過(guò)8小時(shí),最好控制在6小時(shí)之內(nèi)。碾壓工藝為:精平后雙鋼輪壓路機(jī)穩(wěn)壓一遍,再?gòu)?qiáng)振兩遍,然后弱振兩遍,最后靜壓一遍。碾壓完成后,灑適量水(表面濕潤(rùn)即可),立即覆蓋土工布進(jìn)行養(yǎng)生。

        3.3 土凝巖穩(wěn)定粉砂土施工質(zhì)量檢測(cè)

        本研究在某國(guó)道鄭州境改建工程鋪筑長(zhǎng)260 m下路床試驗(yàn)路段,工后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),CBR達(dá)41.5%(下路床要求≥5%),現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度96.2%(下路床要求≥96%),滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)收要求,工程應(yīng)用效果良好。

        4 工程造價(jià)分析

        土凝巖材料工程造價(jià)與水泥基本相當(dāng),由于復(fù)合再生膠凝材料良好的力學(xué)性能,復(fù)合再生膠凝材料摻量可與水泥摻量相當(dāng)或略低于水泥,可進(jìn)一步降低工程造價(jià)。同時(shí),復(fù)合再生膠凝材料原材料為工業(yè)廢渣,制備工藝簡(jiǎn)單,用復(fù)合再生膠凝材料代替水泥、石灰,可消耗大量固廢資源,產(chǎn)生極大的社會(huì)環(huán)境效益。

        5 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)土凝巖穩(wěn)定粉砂土內(nèi)試驗(yàn)及工程應(yīng)用,可得出以下結(jié)論:(1)本項(xiàng)目粉砂土中小于0.075 mm的顆粒占比均在90%以上,結(jié)合界限含水率測(cè)定結(jié)果,按照塑性圖分類為低液限粉土。(2)未處理的粉砂土承載比試驗(yàn)的CBR值約為3.5%,不能直接作為路基填料。(3)土凝巖砂漿的凝結(jié)高于小于P.O 42.5水泥,28 d抗壓強(qiáng)度約為20 MPa,低于P.O 42.5水泥。(4)在摻量為3%~6%范圍內(nèi),隨著土凝巖摻量的提高,土凝巖穩(wěn)定粉砂土的CBR和抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。當(dāng)土凝巖摻量為4%時(shí),在壓實(shí)度為98%時(shí),土凝巖穩(wěn)定粉砂土的CBR可達(dá)58.2%,28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.59 MPa,性能指標(biāo)優(yōu)于相同摻量的水泥穩(wěn)定粉砂土。(5)土凝巖穩(wěn)定粉砂土工程應(yīng)用后,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),CBR達(dá)41.5%(下路床要求≥5%),現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度96.2%(下路床要求≥96%),滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)收要求,工程應(yīng)用效果良好。(6)土凝巖穩(wěn)定粉砂土總體路用性能良好,經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

        參考文獻(xiàn):

        [1]汪雙清,朱建華.一種土壤巖凝劑及其制備方法[P]. 北京:CN104745197A,2015-07-01.

        [2]JTG D30-2015,公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [3]袁俊平,詹斌,陳勝超,等.含水率和壓實(shí)度對(duì)路基填土力學(xué)特性的影響[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2013(2):98-102.

        [4]JTG E51-2009,公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].

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