二灰土用作路面底基层材料的应用研究

赵 锋

（山西路桥集团 榆和高速公路有限公司，山西 晋中 030600）

火力发电是我国主要发电方式，发电厂每年会产生大量的粉煤灰，若处治不及时将会浪费土地资源来存放废弃粉煤灰，同时造成环境污染。二灰稳定土是将石灰与粉煤灰作为胶凝材料掺入到土体中，三者相互作用形成一定强度的整体。目前二灰土多用于路面的底基层材料中，不仅较好解决了粉煤灰的污染，又提高了道路基层的强度与耐久性，可谓一举两得[1-2]。

国外自20世纪60年代开始对二灰土进行相关研究，对二灰土强度形成的原因及影响因素进行了分析，同时通过一系列的试验推荐了二灰的掺入比[3]。我国的相关研究起于20世纪70年代，丁庭[3]通过试验对二灰土作地基填料的配合比进行了设计；孔繁龙与王新明[4-5]结合各自的工程经验分别提出了二灰土作为底基层材料施工时应注意的技术要求及质量控制要点。但目前，国内外对于二灰土作为道路底基层材料时的工程特性尚不明确，同时在工程应用中二灰掺入比多采用经验法确定，缺乏理论支撑。

本文对二灰土作道路底基层材料的工程特性进行了研究，并依托工程实际对铺筑效果进行了验证。

1 室内试验

1.1 试验材料

a）石灰 二灰土中的石灰选用消石灰，其作用是利用自身碱性特性激发混合料反应。消石灰的细度为2 mm（过2 mm方孔筛，废弃不能过筛的石灰），其相关化学成分检测结果见表1。

b）粉煤灰 粉煤灰就近选用某发电厂生产的三级干灰，化学组成见表2。

c）土 试验所用黄土取自工地施工现场，为扰动黄土，表观颜色为淡黄色，较为松散。在路基范围内按照1 m、3 m、5 m的深度分别取10个土样，去除杂质后检测相关性质如表3所示。

1.2 二灰土配合比

以往相关研究成果表明二灰土中，石灰∶粉煤灰=1∶2～1∶4时可以取得较好的强度与稳定性[3]。结合工程经验，该次研究二灰土的体积配合比分别取石灰∶粉煤灰∶土=1∶2∶7或1∶3∶6或1∶4∶5。

1.3 试验方案

参照相关规范[6]，按确定的3种二灰土配合比分别制备相关试件进行室内试验，试验方案见表4。

表4 室内试验方案及条件

2 试验结果分析

2.1 击实试验结果分析

土体的压实度是控制土体强度和整体性能的重要指标，而压实度又在一定程度上取决于土体的含水量。由击实试验结果得到二灰土干密度与含水量的关系如图1所示，由此确定不同配比下二灰土最大干密度与最佳含水量如表5所示。

图1 击实试验结果

表5 不同配比下二灰土的最佳含水量、最大干密度

由图1可知，一方面，3种配合比下的二灰土含水量与干密度的关系曲线变化趋势基本一致，在达到最佳含水率前，曲线的上升幅度均不明显，呈缓慢上升趋势，但是当含水量达到最佳后，曲线下降幅度开始增大，下降趋势明显，表明在工程应用中应控制含水量，控制在最佳含水量附近以达到较好的强度。另一方面，二灰土的干密度与含水量均在粉煤灰掺量增大后出现了降低，这是因为相比于黄土颗粒，粉煤灰颗粒的亲水性相对较差，比重也相对较小。3种配合比相比，1∶2∶7配合比的二灰土干密度受含水量的影响最为明显，当加大粉煤灰掺量后，这种影响开始变得平缓，工程应用中应对此现象引起重视。

2.2 渗透试验结果分析

渗透试验结果如图2，由图2可知3种配合比二灰土的渗透系数均在龄期增加的情况下出现了一定程度的降低，这是因为粉煤灰前期难以在水中溶解生成较多数量的胶凝物，但随着时间的增加，二灰土中的Ca2+与OH-促进了粉煤灰的反应生成足够的胶凝物填补了二灰土中空隙使得渗透性降低。另一方面，3种配合比下的二灰土均属于低渗透性土，在粉煤灰掺量增大的情况下，二灰土的渗透系数逐渐出现一定程度降低。

图2 渗透试验结果

2.3 压缩试验结果

二灰掺入到黄土中后，使得土体的孔隙率降低，整体强度增强，土体压缩性减小，能够有效控制黄土的湿陷性。压缩试验结果得到压缩模量与龄期的关系如图3所示。

图3 压缩试验结果

由图3可知，不同龄期下，不同配合比下的二灰土的压缩模量均大于20 MPa，土体抗压性能较强属于低压缩性材料。3种配合比下二灰土的早期压缩模量基本一致，且均随着龄期的增长压缩模量逐渐增大，其中1∶3∶6配合比的二灰土后期压缩模量最大，抗压缩性能最好。

2.4 抗剪强度试验结果

不同配合比下二灰土的抗剪强度试验得到内聚力、内摩擦角与龄期的关系分别如图4、图5所示，不同配比下二灰土在50 d龄期时的剪切应力与位移关系如图6所示。

图4 二灰土内聚力与龄期的关系

图5 二灰土内摩擦角与龄期的关系

由图4、图5可知，在龄期增加的情况下，不同配比下二灰土的内聚力、内摩擦角均得到了明显提高，其中以1∶3∶6配合比下二灰土增长最为明显。由图6可知，50 d龄期时，1∶3∶6配合比下二灰土的抗剪强度最大，最大达到了3.3 MPa，具有一定的塑性变形能力，而1∶4∶5配合比下二灰土抗剪强度最差。

图6 二灰土剪应力与剪切位移的关系（50 d龄期）

3 工程实例

3.1 工程概况

某新建高速公路全长约122 km，采用沥青路面，该道路K56+834—K102+643段跨越湿陷性黄土区域，黄土表面颜色呈淡黄色，较为松散。该K56+834—K102+643段路面底基层设计采用二灰稳定土，现场所用石灰与粉煤灰均同室内试验，二灰土配合比为石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6。采用路拌法进行施工，粉煤灰现场路面底基层铺筑过程中严格控制施工工艺与施工质量并及时做好试验检测。

3.2 压实度检测

待K56+834—K102+643段底基层铺筑完成后，参照《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450—2019）[7]《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80-1—2017）[8]采用灌砂法对该路段压实度进行检测，检测结果表明现场二灰稳定土底基层的最小压实度为98.1%，最大压实度为99.5%，平均压实度为98.5%，满足设计要求，现场压实效果较好。

3.3 弯沉检测

路面底基层施工完成后，参照标准[7-8]，选取具有代表性的断面，采用贝克曼梁法对K56+834—K102+643段底基层的弯沉值进行检测，以检验该路段二灰土底基层的强度，检测结果见表6。

表6 二灰土底基层的弯沉检验结果

表6所示检测结果表明二灰土底基层的弯沉值满足相应要求。

3.4 钻芯取样检测

试验段二灰土底基层施工完成养护28 d后，对其进行了钻芯取样检测，检测得到试验段路面底基层50 d平均抗剪强度为3.2 MPa，与室内试验结果吻合度较好。

3.5 长期监测

该高速公路建成通车后，对K56+834—K102+643段进行了持续两年的观测，观测结果表明该路段路基无沉陷、位移等病害产生，沥青路面没有反射裂缝出现，表明二灰土作为路面底基层材料的实际应用效果较好。

4 结语

a）二灰土的最大干密度与最佳含水量均随粉煤灰掺量增加而降低。

b）二灰土的压缩性能、抗渗性能、抗剪强度良好，均随龄期的增加而增加。

c）3种配合比相比，1∶3∶6配合比下二灰土的抗剪强度最大，具有一定的塑性变形能力;而1∶4∶5配合比下二灰土抗剪强度最差。

d）综合考虑二灰土的工程特性与经济效益，建议工程应用中二灰土的配合比取石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6。

e）工程实例表明：路面底基层选用二灰土材料后具有较好的强度与稳定性，应用效果良好。