粉煤灰改良红层填料物理力学特性研究＊

黄志勤，余云燕

（兰州交通大学，甘肃 兰州 730000）

红层泥岩是红色黏土沉积岩和碎屑的总称，研究表明，中国红层泥岩面积超过80 万km，甘肃红层泥岩分布面积约7.96 万km，约占全国红层面积的10%。路基作为公路基础，须具备强度高、耐久性好等特点，并能抵抗各种自然因素的影响，因此对填料的选用有严格的控制要求。甘肃地区红层填料易风化、遇水易软化、水敏性强，相比常用填料，其工程性质并不理想。红层是兰州新区机场高速公路建设中不可避免的区域性岩体，而整条线路都使用优质填料并不符合经济要求，因此，通过改良使红层泥岩的力学性能达到路基填料的标准，是研究的焦点问题。众多专家学者对兰州地区的红层泥岩进行了研究。罗崇亮等取兰州地区红层泥岩为研究对象，通过常规三轴试验，深入研究含水率会对试样破坏状态产生的影响，结果表明：含水率低于最优含水率时，破坏形式为剪切破坏；含水率高于最优含水率时，破坏形式为鼓状破坏；同时含水率增加，黏聚力和内摩擦角变小。余云燕等分析了兰州地区红层泥岩的基本物理力学性质，并与其他地区红层进行对比，发现该地区红层泥岩土液限较低，最优含水率低于西南地区同类型土，矿物成分主要为石英石和石灰石。朱彦鹏等针对兰州原状红层土，按深度和方位不同划分组进行直剪试验，结果显示，抗剪强度随竖向压力增大而增大，黏聚力随埋深深度增加先增大后减。中国川藏和部分南方地区红层泥岩的研究成果如下，徐华等取川藏铁路成雅段原状红层黏土进行物理改良，掺料为固定级配的弱风化红层泥岩碎石，经现场施工试验显示原状土和掺碎石两组填料级配均良好，原状土与碎石质量比为1∶1 时无侧限抗压强度较大。冯强以四川地区红层泥岩土为研究对象，分析其遇水后的膨胀性和软化性，并通过击实、承载比和三轴试验，得到最大干密度和CBR 值，并划分填料等级。张中云等对遂渝铁路沿线红层泥岩开展路堤离心模型试验，得到施工期沉降、工后沉降与时间的关系，并与非改良红层泥岩的离心模型试验结果对比。熊力通过试验分析了湖南地区红层软岩崩解规律，建立红层软岩崩解的能量耗散模型，认为饱和液对红砂岩的崩解有较强抑制作用。祝艳波等选用石灰、粉煤灰和水泥对宜巴高速公路红层泥岩土进行化学改良，评价不同改良填料的水稳定性和承载比，并对不同掺料的改良效果进行等级划分，结果表明：水泥改良效果最好，石灰和粉煤灰改良效果次之。

现阶段关于兰州境内的红层研究仅限于研究素土物理力学性质，改良研究更为稀缺，故本文选取兰州新区机场附近的红层泥岩为试验土样，依托实际项目，确定合适的粉煤灰改良掺量，通过大量室内试验，研究红层填料在不同粉煤灰掺量和不同养护龄期下的改良效果。

1 试验材料及其物理力学性质

试验材料取自兰州新区某公路基边坡表层，为不规则块状，颜色为淡棕红色，改良材料为粉煤灰废渣，取自兰州某工厂，呈灰白色粉末状。

1.1 基本物理力学性质

参照JTG 3430—2020《公路土工试验规程》进行室内试验。结果如表1 所示。

表1 基本物理力学性质

1.2 易溶盐试验

控制浸提液的土水比例及浸泡时间，进行易溶盐总量测定，可得出酸碱度（pH）及阴阳离子含量，红层泥岩以及粉煤灰pH 值分别为7.93 和10.36，偏碱性，离子含量如表2 所示。粉煤灰浸出的含水溶盐中Na+K和Ca占比高，分别为0.656%和0.265%，二者可以交换红层中的SO离子，促使土颗粒快速凝聚，有效提高土体强度同时也抑制了变形。

表2 易溶盐试验结果

2 红层泥岩改良试验

2.1 改良试验方案

将红层泥岩与粉煤灰质量比例按照49∶1、24∶1、47∶3、23∶2、9∶1 混合（掺粉煤灰量2%、4%、6%、8%、10%），先通过击实试验获得各填料的最优含水率和最大干密度后，再进行固结和无侧限抗压强度试验。

2.2 击实试验

配置土样含水率范围为12%～24%，通过试验得知，粉煤灰掺量为2%时，最优含水率为18.94%，最大干密度为1.772 g/cm，粉煤灰掺量的增加使最大干密度逐渐降低，最优含水率逐渐增加，粉煤灰掺量为10%时，最优含水率为19.62%，最大干密度为1.748 g/cm。粉煤灰中的高价阳离子可置换出红层泥岩中原有的低价阳离子，使土体发生离子交换反应。

2.3 固结试验

考虑到2%间隔的粉煤灰掺量对土的样影响不明显，故对2%、6%、10%掺量的改良填料开展后续的研究。改良试样按养护时间分别为0 d、7 d、14 d、28 d 进行4 组试验，压缩系数与养护天数关系如图1所示。

图1 压缩系数与养护天数关系

粉煤灰掺量和养护时间的增加，均会使改良土的压缩系数不断减小。10%粉煤灰掺量（28 d）压缩系数最小，为0.14。

2.4 无侧限强度试验

改良土分别养护7 d、14 d、28 d，试验结果如图2所示。

图2 强度与养护龄期关系

以28 d 养护组数据进行分析，素土强度为0.139 MPa，粉煤灰掺量2%组强度为0.217 MPa，与素土组相比增长56.1%，掺量6%组0.232 MPa，与2%组相比增长6.9%，掺量10%组强度为0.24 MPa，较6%组增长3.4%，可见粉煤灰对红层泥岩土强度改量敏感度在6%掺量后减弱，且6%组较素土增长66.9%，效果明显；以10%的粉煤灰掺量组数据分析，养护0 d强度为0.16 MPa，7 d 组强度为0.204 MPa，同比增长27.5%，14 d 组强度为0.218 MPa，较7 d 组增长了6.9%，而28 d 组强度为0.24 MPa，较14 d 组增长10.1%，可见粉煤灰对红层泥岩土强度改良敏感度在7 d 后减弱；综合对比3 种掺量改良土的强度，可见10%粉煤灰掺量的改良土强度最大，28 d 养护效果最好。

3 结论

本文借助有关项目背景，选取粉煤灰为红层泥岩改良掺料，探究红层泥岩在不同粉煤灰掺量的影响下，最大干密度、压缩系数和抗压强度变化规律，找出最优配比，得到以下结论。

粉煤灰改良红层泥岩的效果明显，掺入粉煤灰，可有效降低土体塑性指数、提高最优含水率。粉煤灰的化学成分中可以用来作为离子交换的高价离子，使土颗粒快速凝聚，有效提高土体强度，抑制胀缩变形。但需养护才可逐步发生化学反应。

粉煤灰掺入后，压缩系数变小。改良土的压缩系数与粉煤灰掺量及养护时间负相关。粉煤灰掺量为10%、养护时间为28 d 时压缩系数最小，为0.14。

在改良材料粉煤灰掺入后，无侧限抗压强度显著提高，且与粉煤灰掺量及养护时间均正相关。粉煤灰掺量为10%、养护时间为28 d 时改良土的无侧限抗压强度最高，为0.24 MPa。