非洲天然红土粒料改良与施工研究

李善超，梁羽平，蒋云辉

(江苏省交通工程集团有限公司，镇江 212133)

红土粒料是一种由粘性土和不同粒径的碎砾石组成的混合料，主要分布于非洲热带或亚热带地区。经过众多研究者的研究表明[1]，红土粒料是在特殊的旱湿两季循环交替的气候条件下形成的，通过弱酸雨水的淋溶，母岩中的易溶物质被分解带走，留下不溶性的铁铝硅等金属氧化物，然后在干旱气候的蒸腾作用和毛细水上升作用下，不溶物通过不断胶结、复合、脱水等作用形成粒径大小不一的碎砾石，而母岩逐渐演变成粘性土。

天然红土粒料是一种特殊的道路填筑材料，由于其储量丰富、开采方便且价格低廉，被广泛用于道路工程中。另由于当地的碎石资源有限，且开采成本较高，作为当地分布最广泛的红土粒料也成为道路填筑材料的优先选择。但由于不同国家及地区的红土粒料性能差异较大，从级配组成、塑性指数到CBR强度都有明显的地域性,因此在实际使用过程中需对红土粒料进行鉴定，必要时需对不满足要求的红土粒料进行改良使用。

本文以喀麦隆昆巴-芒非(NFAITOCK-BACHUO AKAGBE段)道路工程红土粒料为研究对象，通过沿线天然红土粒料的级配特征、液塑限和CBR等指标检测分析，鉴定了天然红土粒料的性能，提出了采用级配碎石改良方案，同时总结出了合理的路拌碾压施工工艺，为非洲类似工程提供了参考。

1 工程概况

喀麦隆昆巴-芒非(NFAITOCK-BACHUO AKAGBE段)道路工程项目为喀麦隆公共工程部为改善西南省8号国道昆巴-芒非段现有道路状况而招标新建，线路长44.854 km。该项目道路设计等级T3，结构层形式为：5 cm沥青面层+20 cm级配碎石基层+30 cm红土粒料底基层+路基(S3)；路面形式为2×3.5 m沥青混凝土路面+2×1.5 m双表处路肩，总宽10 m。该工程位于喀麦隆西南省，地处南部丘陵地带，属热带雨林气候。线路从喀麦隆沿海森林平原过渡到西部山区，年降雨量达3 000多毫米。

2 天然红土粒料特性

2.1 级配分析

通过对该项目沿线三处代表性的红土粒料取土场(PK109+500、PK121+300、PK123+300)取样并进行筛分检测，得到天然红土粒料级配数据表(表1)和级配曲线(图1中实测值曲线)。

表1 天然红土粒料级配数据表

图1 天然红土粒料级配曲线

根据文献[2]，一般作为路面垫层、底基层填料的天然红土粒料的最大粒径通常为20～40 mm，0.075 mm 筛孔通过率10%～30%，0.5 mm筛孔通过率15%～40%，2.36 mm筛孔通过率20%～65%，4.75 mm筛孔通过率35%～75%，图1中上限值曲线和下限值曲线之间范围，即为合格路面垫层、底基层填料的天然红土粒料级配曲线范围。

从图1中可以看出，该项目天然红土粒料各筛孔通过率实测值曲线偏离于上限值曲线，说明其天然红土粒料的中值及以上粒径缺失较多，细集料含量偏高，天然红土粒料级配差，不宜直接作为路面垫层、底基层填料。

2.2 物理性能分析

根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)标准，对该项目沿线三处代表性取土场的天然红土粒料物理性能指标进行了检测，检测结果见表2。

通过表2数据分析发现，沿线天然红土粒料的最大干密度、液限、CBR值等指标不满足本项目CCTP技术要求。

表2 天然红土粒料检测结果表

注：CCTP为该项目专用技术规范的简称

综上所述，通过分析鉴定天然红土粒料的级配组成、最大干密度、液限、CBR值等性能指标，该项目天然红土粒料偏向于黏性红土，不宜直接用于路面底基层填料，需对天然红土粒料进行改良。

3 红土粒料改良方法

结合国内外同类工程经验[3-4]，拟定两种红土粒料改良方法：一是掺加固化剂(石灰、水泥等)，改善土质性能，提高红土粒料的强度和CBR值；二是掺拌级配碎石，改变天然红土粒料的级配，使之达到合格红土粒料的性能指标。

因喀麦隆国内石灰和水泥产量很少，价格昂贵，若采用石灰或水泥作为固化剂，其供应难以保证，成本较高。通过费用和施工对比，确定采用掺拌级配碎石的方式进行改良。

3.1 改良设计步骤

(1) 根据项目实际情况，级配碎石选用路面基层同类材料，即0/25级配碎石。

(2) 分别对项目沿线三处取土坑红土粒料进行掺拌试验，级配碎石掺拌比例分别为20%、25%、30%、35%、40%五种。

(3) 试验确定各种掺拌混合料的最佳含水量和最大干密度，液限和塑性指数，膨胀率和CBR值，见表3。

(4) 根据混合料试验结果和项目CCTP技术要求，选择合适的级配碎石掺配方案。

3.2 级配碎石掺量确定

由表3可知，级配碎石掺拌量30%、35%、40%的三种方案能满足CCTP规范(表2中数据)要求。故选用30%级配碎石掺量的红土粒料进行进一步验证。

表3 掺拌混合料物理性能试验结果汇表

3.3 级配验证

对三处取土坑30%级配碎石掺量的红土粒料进行筛分通过率检测，形成筛分通过率表(表4)，级配曲线(图2)，从图2可以看出，30%级配碎石掺量的红土粒料级配满足路面底基层红土粒料的级配要求。

表4 30%级配碎石掺量的红土粒料级配数据

图2 30%级配碎石掺量的红土粒料级配曲线

3.4 改良方案确定

根据掺拌试验结果分析，30%级配碎石掺配方案能满足CCTP技术规范的要求，其级配亦达到了路面底基层红土粒料的要求。通过综合论证，选用级配碎石掺量30%的配比作为红土粒料改良方案。

4 红土粒料改良施工

4.1 施工流程

施工准备→摊铺红土粒料→摊铺级配碎石→拌和→整形→碾压成型。

4.2 施工要点

4.2.1 施工准备

(1) 路基的平整度、压实度以及弯沉值应满足项目技术规范(CCTP)的要求。

(2) 在路基表面恢复中线，直线段每15～25 m设一桩，平曲线段每5～15 m设一桩，并在两侧路肩边缘外设指示桩。在指示桩上用明显标记标出结构层边缘的设计标高，以便于底基层施工。

4.2.2 摊铺天然红土粒料

(1) 根据底基层宽度、厚度及红土粒料掺拌比例计算需要天然红土粒料的数量。施工中根据取土场红土粒料的密度和所用运料车辆的吨位，计算每车料的堆放距离。

(2) 利用平地机均匀摊铺天然红土粒料，跟踪检测摊铺宽度和厚度，符合预计要求。

(3) 使用振动压路机轻振碾压1～2遍(必要时可用胶轮收光)，使其表面平整并有一定的压实度，能够满足自卸车运输碎石通行。

4.2.3 摊铺级配碎石

(1) 级配碎石数量计算及堆料方式同红土粒料。

(2) 利用平地机将级配碎石均匀的摊铺在预定的宽度和厚度，表面平整形成路拱。

4.2.4 拌和

(1) 拌和前应分别检测红土粒料和级配碎石含水量。如含水量不足，可先使用推土机后斗齿翻耕，犁出纵向渗水带。再根据段落计算出需补充水量，用喷管式洒水车补充洒水。含水量宜略大于最佳含水量1%～2%。

(2) 采用稳定土拌和机拌和两遍以上。拌和深度应达该层底并宜侵入垫层5～10 mm，以利上下层粘结施工过程中，安排专人跟踪检查拌和深度。

(3) 在拌和过程中应配合人工拣出超尺寸颗粒，及时清理拌和边缘堆积碎石，防止粗骨料成“窝”，以及局部潮湿或干燥。

(4) 混合料拌和均匀后应色泽一致，无明显粗细集料离析现象，且水分合适和均匀。

4.2.5 整形

(1) 混合料拌和均匀后，用平地机初步整形。在直线段，由两侧向路中心进行刮平；在平曲线段，由内侧向外侧进行刮平。

(2) 整形后应达到规定的坡度和路拱。

(3) 在整形过程中，严禁任何车辆通行，并保持无明显的粗细集料离析现象，必要时进行换填或重新拌和处理。

4.2.6 碾压成型

(1) 整形后，立即用光轮振动压路机或轮胎压路机进行碾压。直线和不设超高的平曲线段，由两侧路肩向路中心碾压；在设超高的平曲线段，由内侧路肩向外侧路肩进行碾压，碾压过程中应使各部分碾压到的次数尽量相同，直至达到要求的密实度。

(2) 在碾压结束前，用平地机再终平一次，使其纵向顺适，路拱和超高符合设计要求。终平应精细操作，必须将局部高出部分刮除并扫出路外；对局部低洼之处，不再进行找补，可留待级配碎石基层补平。

4.3 施工质量评价

改良红土粒料底基层施工完成后进行弯沉值检测，其检测结果见表5。

表5 改良红土粒料底基层弯沉值检测表

经检测，全路段底路基弯沉值全部合格，评定值为76.8 mm/100,满足CCTP底基层弯沉验收标准≤100 mm/100的要求。

5 结论

(1) 由于非洲地区的天然红土粒料性能差异很大，不能照搬欧洲等国家的碎石基层标准或国内类似标准，应重视项目所在地的天然红土粒料的级配、CBR值研究，保证红土粒料的路用性能。

(2) 采用掺拌级配碎石红土粒料改良方案之所以奏效，主要原因是改善了红土粒料颗粒级配，减弱了填料的亲水性，形成了合理的骨架结构，增加了红土粒料的强度，提高了填料的CBR值。

(3) 掺拌级配碎石红土粒料改良施工工艺简单、稳定、快速，施工质量可靠，具有可复制性。为非洲部分地区改善红土粒料路用性能，提供了一种新的方法,为非洲类似工程施工提供了参考。