石灰-粉煤灰固化黄土配合比设计及力学性能评估

翟花锋　董鹏飞

摘要：湿陷性黄土在我国分布广阔，具有承载力低、压缩性大及水敏感度高等不利工程特性。在黄土路基修筑时，采用合理配合比的石灰-粉煤灰来固化黄土，不仅可以提高路基的工程性能，还能取得经济、环保的双重效益。本论述结合工程实际和相关规范，对不同配合比的石灰及石灰-粉煤灰固化黄土进行加州承载比试验和静回弹模量试验以确定石灰-粉煤灰稳定黄土在路基填筑中的配合比。试验结果显示，当石灰-粉煤灰固化黄土配合比为2%石灰+3.84%粉煤灰时，可以兼顾经济、环保及工程质量等多重要素。此外，还提出了路基力学指标预测模型，可为路基长期工程质量评估提供参考。

关键词：黄土路基；石灰-粉煤灰；配合比；预测模型

中图分类号：U414                             文獻标志码：A

0引言

在我国，黄土的分布面积约为630000 km2，主要集中在黄土高原地区，其覆盖厚度为100 m ～300 m 。在工程领域，黄土因其承载力较低、压缩性较大、水敏感性较高被归入问题土类[1]。因此，在黄土地区修筑路基时，需要对黄土采取加固措施以提高其承载力并减小其压缩变形。

黄土的加固措施可分为两大类，即物理加固和化学加固。对于一般土类，通常通过物理加固即可满足工程需求。而对于黄土，需要物理加固和化学加固相结合。目前，常用的化学加固剂有石灰、水泥、粉煤灰及矿渣等[2]。石灰因其价格便宜、施工简单、加固效果稳定而常用于黄土加固，其使用历史已超过一千年。随着工业的发展，诸如粉煤灰和高炉矿渣等工业副产品引起了一系列环境问题。随着公众对环境问题的日益重视，工程领域对工业废渣的回收利用研究取得了巨大突破。研究发现：在石灰加固土中掺入粉煤灰不仅可以改善其强度，抗冻性能也显著提升。这种力学性能的提升除了粉煤灰的填充作用外，主要归因于加入粉煤灰后所产生的一系列化学反应。在石灰-粉煤灰固化土中，石灰作为激发剂在孔隙水中形成了碱性环境，粉煤灰中含有丰富的二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）及氧化铁（Fe2O3）等，在这个碱性环境中发生了一系列火山灰反应，生成水化硅酸钙、氯酸钙及铁酸钙等胶凝产物，将固化土中的固体颗粒粘合在一起，从而使黄土力学性能显著提升。随着养护时间的推移，这些胶凝产物逐渐硬化，固化土的力学性能进一步提升[3]。

学者们对石灰-粉煤灰固化黄土的研究较多，这些研究主要针对某个影响因素对某个力学性能本身的影响，很少结合相关工程实际或规范。对于不同的工程项目，其质量评估所采用的力学指标不尽相同，所掺入的结合料含量也各异[4]。比如，路面基层质量的衡量指标为无侧限抗压强度和劈裂强度，所用的结合料含量一般为20%～30%；路基和地基所用的力学指标一般为承载力和局部变形，所掺入的结合料含量一般低于10%；在边坡稳定性实验计算中，抗剪强度又是其中一个关键参数，所用的结合料含量也低于10%。以上这些要素在很多文献中没有被考虑到。此外，学者们在石灰粉煤灰配合比的研究中总是以达到最大力学指标值为目标而确定配合比，没有考虑经济因素。

基于以上问题，本论述结合工程实际及相关规范，通过加州承载比试验和静回弹模量试验对石灰-粉煤灰固化黄土及石灰固化黄土的加州承载比（CBR）及静回弹模量（MR ）进行研究。通过力学性能对比，确定石灰-粉煤灰固化黄土在路基填筑中的配合比，以期取得经济、环保、工程性能提升的多重效益，并建立数学模型，对石灰-粉煤灰固化黄土路基的力学性能进行预测。

1试验材料及方法

1.1试验材料

（1）黄土

用于试验的黄土取自兰州市安宁区某基坑，基坑深度约8 m，黄土的天然含水量约3%。制样前，将黄土风干、碾压然后过0.5 mm孔筛以提高黄土粒径的均一性。测得黄土的液限为24.3%，塑限为11.2%，比重为2.71。

（2）石灰和粉煤灰

用于试验的石灰和粉煤灰购自河南省某化学品公司，比重分别为2.41和2.26，石灰和粉煤灰的化学组分见表1所列。

1.2试样制备

石灰固化黄土历史悠久，施工经验丰富，《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》（JTGT D31-05-2017）建议在黄土路基处理中，熟石灰的用量为8%[5]，因此石灰稳定黄土中，石灰掺量范围为：4%、6%、8%、10%和12%。石灰-粉煤灰稳定黄土中，石灰（L ）和粉煤灰（F ）的掺量组成为：2% L +2% F、2% L +4% F、2% L +6% F、2% L +8% F、2% L +10% F 及4% L +2% F、4% L +4% F、4% L +6% F、4% L +8% F。加州承载比和静回弹模量试验所用试样尺寸一致，其高度为120 mm、直径为152 mm 。试样制备前，先对各配合比土样进行重型标准击实试验以确定其最大干密度（MDD ）和最优含水量（OWC），见表2所列。由表2可见，这3类固化土的 MDD 均随结合料含量的增大而减小，其 OWC 随结合料含量的增大而增大。所有试样均采用重型击实法制备，各配比试样在其最优含水率下分3层击实以确保试样整体的均匀性，每层50击，这样试样的压实度可达95%以上。制样制备完成后，用塑料薄膜将其包裹，置于恒温箱中分别养护7 d、14 d、28 d、60 d、90 d 及180 d。为提高试验结果的可靠度，试验中采用3个平行试样。

1.3试验方法

（1）加州承载比试验

按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2020）开展试验[6]。将养护达到规定龄期的试样浸泡96 h 后放入 CBR 试验仪上，加载后记录贯入量为2.5 mm 和5 mm 时的压力值，取贯入量2.5 mm 和5 mm 中较大的 CBR 值作为该组配合比试样的 CBR。

（2）回弹模量试验

参照《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）[6]，鉴于本试验为固化土，试验中将最大单位压力调整为800 kPa，将最大压力分6级在杠杆压力仪上对试样分级施加荷载，记录每级荷载作用下的回弹变形，最后计算每级荷载作用下的 MR。

2结果与分析

2.1确定配合比

本论述以《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》（JTGT D31-05-2017）中推荐的8%石灰固化黄土为基准[5]，通过力学等效原理，确定石灰-粉煤灰固化黄土在路基加固中的配合比。对于龄期为7 d 和28d 的石灰固化黄土与石灰-粉煤灰固化黄土，其 CBR 随结合料含量增长趋势如图1所示。由图1可见，当结合料含量相同时，这3种固化土中，2%石灰-粉煤灰固化黄土 CBR 值最大，石灰固化黄土 CBR 值最小。这是因为在石灰固化土中，参与火山灰反应的 SiO2、Al2O3及 Fe2O3等主要来自于黄土，其含量较小；而在石灰-粉煤灰固化黄土中，粉煤灰的加入不仅进一步填充了固化土的内部孔隙，而且引入了大量 SiO2、Al2O3及 Fe2O3等，其火山灰反应较石灰固化土更加剧烈，所产生的胶凝产物也更多。因此在结合料含量相同时，石灰-粉煤灰固化黄土的 CBR 值比石灰固化黄土的 CBR 值更高。此外，研究表明：在石灰固化土中，创造满足火山灰反应的碱性环境所需的最小石灰含量为3%[7]，且粉煤灰也是碱性的，因此在2%和4%石灰-粉煤灰固化黄土中所形成的碱性环境均能满足火山灰反应要求，但是当结合料含量相同时，2%石灰-粉煤灰固化黄土中所含的反应物较4%石灰-粉煤灰固化黄土更多，而且石灰具有亲水性，能吸附更多参与火山灰反应的水分，因此2%石灰-粉煤灰固化黄土的 CBR 值大于4%石灰-粉煤灰固化黄土的 CBR 值。对于每个龄期的固化黄土，其 CBR 值与结合料含量间呈线性关系。基于 CBR 值与结合料含量间的线性关系，建立了两种石灰-粉煤灰固化黄土结合料间的换算关系，如图1所示。基于此换算关系得出：对于2%石灰-粉煤灰固化黄土，其CBR 与养护7 d 和28d 8%石灰固化黄土的CBR 相同时，所需的粉煤灰掺量分别为3.21%和3.84%；对于4%石灰-粉煤灰固化黄土，其CBR 与养护7 d 和28 d 8%石灰固化黄土的CBR 相同时，所需的粉煤灰掺量分别为2.37%和2.44%。

龄期为7 d 和28 d 的石灰固化黄土与石灰-粉煤灰固化黄土 MR 随结合料含量的变化关系如图2所示。

由图2可以看出，这3种固化黄土 MR 值与结合料含量间也呈线性关系，并且当结合料含量相同时，2%石灰-粉煤灰固化黄土 MR 值最大，石灰固化黄土 MR 值最小。同样，基于获得相同的 MR，建立了2种石灰-粉煤灰固化黄土结合料间的换算关系。由换算关系可以得出：对于2%石灰-粉煤灰固化黄土，其 MR 与养护7 d 和28 d 8%石灰固化黄土的 MR 相同时，所需的粉煤灰掺量分别为0.61%和2.2%；对于4%石灰-粉煤灰固化黄土，其 MR 与养护7 d 和28 d 8%石灰固化黄土的MR 相同时，所需的粉煤灰掺量分别为0.42%和0.77%。

综合3种固化黄土的两个主要的路基评估指标（CBR 和MR ）的对比结果，可以得出：当石灰-粉煤灰固化黄土配合比为2%石灰+3.84%粉煤灰可以兼顾工程质量及经济双方面效益。

2.2力学性能预测

鉴于以上结论，本节只开展2%石灰-粉煤灰固化黄土 CBR 及 MR 的预测研究。固化土的力学性能一般受到养护龄期、固化材料类别与含量、密实度及养护环境等因素的影响。7 d 和28 d 龄期是评估固化土力学性能的重要时间节点，因此，本论述选用固化黄土7 d 和28 d 龄期的力学指标数值为参考值，将每一配比的固化黄土各龄期的力学指标值除以其7 d 或28d 时的力学值（标准化处理），得到各力学指标的标准值；标准化处理消除了固化黄土中土的类型、密度及养护环境的影响，因此，标准化处理后，2%石灰-粉煤灰固化黄土 CBR 及MR 的影响因素只有养护龄期 T 。在大多数文献中，一般采用对数函数来捕捉固化土力学性能与养护龄期间的关系，但是，采用对数函数预测力学性能时存在一些不足：（1）当养护期为1 d 时，对数函数所计算的力学指标值为0，这与实际不符；（2）对数函数随因变量呈现持续增长趋势，但对于固化土而言，当龄期达到一定值时，其力学指标值会趋于某个固定值，因而从长远来看，采用对数函数进行固化土力学指标预测是不合理的。鉴于此，本论述采用经标准化处理后的双曲线函数进行2%石灰-粉煤灰固化黄土 CBR 及MR 的预测[8]，如式1和2所示。

式中，CBRt和 MR，t 为某一龄期的 CBR和MR；CBRr和 MR，r 为参考的 CBR 和MR，r一般为7 d或28 d；T0为参考养护期，其数值和 r一致；α、β、γ为回归系数。

通过对试验数据的回归拟合，分别对公式1和2中拟合系数的值进行求解，如图3、图4所示。由图3、图4可以看出，基于公式1和公式2对试验数据进行回归拟合，相关系数（R2）均达到0.98以上。因此，基于7 d 和28 d 的 CBR 和MR，采用标准化处理的双曲线模型可以很好地捕捉2%石灰-粉煤灰固化黄土随龄期的变化趋势。在工程应用中，可以根据路基填筑后7 d或28 d力学指标（CBR 和MR ），采用本论述提出的预测模型对路基长期的工程质量进行估算。

3结束语

本论述对不同配合比的石灰固化黄土及石灰-粉煤灰固化黄土进行了一系列加州承载比试验和静回弹模量试验，得出以下结论：

（1）通过与8%石灰固化黄土 CBR 与MR 值对比，得出当石灰-粉煤灰固化黄土配合比为2%石灰+3.84%粉煤灰时，可以兼顾经济、环保及工程质量多方面要素；

（2）采用标准化修正的双曲线模型可以很好地捕捉2%石灰-粉煤灰固化黄土的 CBR 和 MR 随龄期的变化趋势，可以应用该模型，根据路基养护7 d 或28d 的力学指标值，对长期力学指标进行估算。

参考文献：

[1] 张亚国，梁伟，郭松峰，等.黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析[J].工程地质学报，2022，30（6）：1998-2005.

[2] 王浩然，杨卓，纪晓彬，等.改良黄土的强度特性研究[J].江苏建材，2021（6）：20-23.

[3] 周小虎.石灰粉煤灰稳定黄土的无侧限抗压强度研究[J].中国建材科技，2021，30（5）：90-93.

[4] 杨斐斐.灰土挤密桩加固湿陷性黄土路基效果分析[J].新疆有色金属，2022，45（4）：11-12.

[5] 黄土地区公路路基设计与施工技术规范.JTG-T D31-05-2017[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.

[6] 公路土工试验规程. JTG 3430-2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[7] 韩文军.石灰粉煤灰稳定黄土基层的力学性能试验研究[D].兰州理工大学，2022.

[8] 王妍.养护龄期对石灰改善黃土工程特性影响的试验研究[D].西安：长安大学，2012.