飞灰在膨胀土路基加固处治中的应用

2016-11-15池育源

山西交通科技 2016年5期

池育源

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

0 引言

膨胀土路基所出现的边坡坍塌、滑溜、挡墙外移等病害，严重影响道路使用质量和使用寿命，因此使用膨胀土时应给予足够的重视，做好防护与加固工作[1]。膨胀土主要分为由蒙脱石组成为主的高膨胀土和由伊利石和高岭土为主组成的有限膨胀土。根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）通过自由膨胀率Fs将膨胀土分为弱、中和强膨胀土3类：40%≤ Fs＜65%为弱性膨胀土，65%≤ Fs＜90%为中等膨胀土，Fs≥90%为强性膨胀土[2]。它们的共同特性都是亲水性的土粒呈离散状态，高塑性并且对温度和湿度的变化非常敏感，从而吸水膨胀，失水收缩产生较大的胀缩变形。变形受束缚会产生附加应力直至发生裂缝，发生更严重的沉降、滑坡等边坡失稳病害。现阶段工程上主要通过在土体中掺加石灰、水泥和粉煤灰来稳定膨胀土。考虑到焚烧飞灰含有类似于前几种物质的固化体，本文依托某二级公路将使用飞灰与水泥混合对该工程所使用的膨胀土进行改良，通过室内试验来确定对该工程的最佳飞灰水泥添加量，最终运用于实际工程。

1 膨胀土受干湿循环影响的直剪试验

膨胀土在经过干湿循环后会产生裂缝，抗剪性能随之减弱。在不同干湿循环次数条件下，通过直剪试验测定土体的黏聚力和内摩擦角来表征土体抗剪强度的变化。

试验方案：制作6组土体试样，每组3个平行试样，试验数据取3个试样的平均值以减少离散性。取其中5组土体进行干湿循环，一组在20℃温度，无风干燥的条件下静置。每一次干湿循环的具体操作为用喷壶往试样浇水至土体吸水饱和，静置2 h，把吸水后的试样放在30℃烘箱里并开吹风，直至试样干燥至浇水前状态。用干湿循环处理后的试样和自然状态土样做直剪试验时土体需再浇水至饱和，用来模拟路基在存在水的渗透力的情况下的最不利状态。为达到以上目的需要采用快剪法来进行试验，保持孔隙水压力不变。另外加载的垂直荷载不应小于设计荷载。经过试验测得黏聚力c数值和内摩擦角f数值如表1以及变化曲线如图1。

表1 干湿循环对固结直剪强度指标的影响

图1 内摩擦角随干湿循环次数的变化曲线

由表1可知，5次干湿循环后土的黏聚力指标从84.2 kPa降到37.9 kPa，降低了55%；内摩擦角指标从17.9°降到12.9°，降低了28%，其中以黏聚力指标下降更明显。由图1试验曲线可知，在经过5次干湿循环后，两强度指标已变化不大，也就是说明经过5次干湿循环土体的裂缝已经充分发展了，该强度即可作为残余强度参考指标。

2 膨胀土的飞灰处理试验

处理方式是用垃圾焚烧飞灰和水泥当作稳定剂来稳定膨胀土，由于焚烧飞灰中含有大量的二氧化硅，三氧化二铝和氧化钙，成分组合和火山灰相似，可与亲水土粒发生物理化学反应，使土体形成一定力学强度[3]，因此可以与水泥一起固化稳定膨胀土，这样既可以实现对垃圾焚烧产物的再利用，减少环境的污染，又能提升膨胀土的物理指标，达到稳定路基的目标。由于垃圾焚烧飞灰含有大量重金属，例如铅、镉、锰和铜等，还有一定含量的可溶性盐，所以在使用前必须进行水洗预处理。

2.1 飞灰与水泥的配比试验

作为稳定剂的飞灰水泥混合物掺入膨胀土通过固结等一系列物理化学作用增加土体的稳定性，固结作用越好，其混合物的抗压强度也应越高[4]，因此以无侧限抗压强度为参考指标选取水泥和飞灰的配比，试验选取了水泥70%，垃圾焚烧飞灰30%；水泥50%，垃圾焚烧飞灰50%；水泥30%，垃圾焚烧飞灰70%三组试验作为对比。养护时间分别3 d、7 d、14 d和28 d，并测试其对应强度。

试验方案：垃圾焚烧飞灰水洗时间为30 min，水灰比25∶1，过滤处理后的飞灰，去掉多余的水分，然后在50℃的烘箱中放置15 h至恒重，把形成的块状物敲碎再混合均匀。按照所设计的飞灰水泥配比将混合物用水泥砂浆搅拌机搅拌，搅拌时间为2 min，加入3%的水再继续搅拌5 min，将搅拌好的浆液加入模型制成40 mm×40 mm×60 mm的试块并进行喷水养护，并在成型的第3天、7天、14天和28天测量其无侧限抗压强度。经试验测得数据如表2。

由表2可以看出，当水泥与飞灰的配比为3∶7时，养护28 d强度仅为155 MPa；当配比为1∶1时，第28天养护强度为311 MPa，提高了1倍；当配比为 7∶3 时，28 d 养护强度为 445.75 MPa，相比 1∶1 配比提高了43%。表明当水泥与飞灰配比越高，养护末期无侧限抗压强度越高，原因是当水泥越多时固化程度越高，但考虑到膨胀土本身强度很高，掺加稳定剂主要目的是为了降低膨胀率。但飞灰掺量过高时，由于飞灰本身遇水会发生较大的膨胀变形并且出现裂缝，这样反而增加了膨胀土的不稳定性。经过综合分析决定采用水泥与飞灰的配比为1∶1。

表2 飞灰固化试块无侧限抗压强度

2.2 不同剂量稳定剂处治膨胀土试验

对该公路某路段路基膨胀土选取不同剂量的掺加剂进行重型击实试验，膨胀率试验和湿养6 d保水1 d的浸水无侧限抗压强度测算。试验取样稳定剂掺量为0%、3%、5%、7%。试验结果如表3。

表3 掺加稳定剂前后膨胀土物理参数对比

由表3可以看出，击实后的膨胀土膨胀力随稳定剂掺量增加而减少，当掺量为7%时，膨胀力为40 MPa，仅为不加稳定剂的15%，自由膨胀率为37%，为不加稳定剂的57%。掺入稳定剂后膨胀率和收缩系数都有所减少，并且在掺量为5%的范围内胀缩总率与胀缩系数随着稳定剂掺量增加而减小，说明稳定剂确实增加了土体的水稳定性，且强度大幅增加，减少了裂缝的发生。当掺加量为5%时膨胀土的胀缩总率为0.16%，胀缩系数为0.15，接近于0，而且浸水无侧限抗压强度为1.35 MPa，为4组试验中最大值。

在加入稳定剂后土体的最佳含水率随着产量的增加而减少，而最大干密度是先增加后减少，掺量为5%时达到最大值1.93 g/cm3，原因是飞灰水泥的密度比膨胀土大，所以最大干密度在一定掺量范围内会随着稳定剂增加而增大，但是稳定剂掺入量过多时由于其物理化学作用使土体的孔隙率增大，难以压实，所以最大干密度数值有所下降。综上，为达到最佳水稳定性和减少裂缝的目标，确定稳定剂施工掺量为5%。

3 回弹模量实验

回弹模量是衡量路基承载能力的重要参数，反映路基在瞬时荷载作用下恢复变形的能力。在干湿循环作用下，膨胀土强度会减弱，回弹模量也随之改变。回弹模量过小会导致路面结构设计厚度增加，使工程成本增加。为了探究膨胀土在经受干湿循环后的回弹模量变化规律，笔者做了在不同循环次数下稳定剂掺量为0%、3%、5%和7%的对比试验。试验数据如表4。

表4 不同干湿循环次数下改良膨胀土回弹模量 MPa

由表4可知，当稳定剂掺量一定时，膨胀土回弹模量随着干湿循环次数增加而减少。尤其是在第一次干湿循环后回弹模量下降最快，稳定剂掺量为0%时衰减28%，掺量为3%时衰减22%，掺量为5%时衰减18%，掺量为7%时也是衰减18%。后面几次干湿循环衰减程度相对较小，原因是第一次干湿循环后土体内部出现大量微裂缝，使土体强度大幅下降，后面几次循环裂缝发展缓慢，因此回弹模量数值衰减变缓。另外掺加稳定剂后衰减速度变低，同比降低10%左右。

当循环次数一定时，掺加5%和7%比例稳定剂后回弹模量明显提升，尤其在末期回弹模量数值趋于稳定时，掺加5%稳定剂时土体回弹模量提升到57.20 MPa，比未掺加稳定剂提升了1倍，主要原因是稳定剂的固结作用减少并且延缓了内部裂缝的产生，维持了土体强度的稳定。掺量7%比例稳定剂时回弹模量相较提升很小，在干湿循环末期只提升了2.07 MPa，原因是当掺量为5%时，稳定剂已经和土体充分发生固结反应，因此提升稳定剂掺量对回弹模量的数值影响很小。