高速公路路基粉煤灰固化特性研究

摘 要：在公路工程的施工过程中，常会遇到一种特性显著的土体—膨胀土，这种土体具有极强的胀缩性。无论是受到水分浸渗还是经历干燥失水，其体积与力学特性均会发生变化，对路基结构的稳固性构成潜在威胁，难以使施工后的道路基础保证长期稳定。本文以某高速公路膨胀土为例，通过击实试验、自由膨胀率试验、有荷膨胀率试验、无荷膨胀率试验、膨胀力试验、收缩试验，研究不同粉煤灰掺量下粉煤灰固化土的击实特性与胀缩特性。结果表明，固化土的最大干密度、最优含水率、自由膨胀率、有荷膨胀率、无荷膨胀率、膨胀力、体缩率以及线缩率均随着粉煤灰掺量的增加呈下降趋势。说明粉煤灰不仅具有减水作用，而且加入粉煤灰有效地改善了固化土的整体稳定性，对土体起到了积极作用。试验得到固化土最佳的粉煤灰掺量为25%。

关键词：公路工程；固化土；粉煤灰；膨胀土

中图分类号：U 41" " 文献标志码：A

膨胀土容易吸水膨胀、失水收缩，在工程中会降低地基强度，使地基发生不均匀沉降或变形。在我国许多地方都存在膨胀土，因此为了使路基强度更高、稳定性更好，对膨胀土进行处理是十分有必要的[1-2]。许多学者对膨胀土进行固化处理研究，任文礼等[3]采用了石灰固化膨胀土，对不同石灰掺量下的固化土进行天然无侧限抗压强度试验、饱和无侧限抗压强度试验、无荷膨胀率试验，结果发现，石灰掺量增加，土体两种无侧限抗压强度均增加，无荷膨胀率降低；鲍桂勇等[4]研究了干湿循环作用下的水泥固化膨胀土的性能，结果发现在干湿循环作用下，水泥固化土的抗裂率、强度以及渗透率都得到了改善。

上述研究表明，通过使用固化剂固化膨胀土，可以提高土体的性能。本文将对粉煤灰固化高速公路工程中膨胀土的胀缩性能进行研究，通过击实试验、膨胀试验，研究不同粉煤灰掺量下固化土的击实特性、胀缩特性。研究结果可以为类似的工程情况提供参考价值。

1 工程概况

本文以某地高速公路为研究对象，全长19.2km，设计时速为120 km/h。根据地质勘察发现，土体分为4层，主要为粉质土和黏性土，具有中等膨胀性，需要对其进行处理。为了解固化后膨胀土的胀缩特性，研究采用粉煤灰固化膨胀土的处理方法对其进行有关试验。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验用土取自某高速公路，土体颜色呈现黄褐色，根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020），对膨胀土的基本性质进行室内土工试验，膨胀土基本性质见表1。

试验采用的粉煤灰选择的二级粉煤灰。粉煤灰的粒径在1μm～100μm，是经过高温燃烧后形成的。粉煤灰的主要成分表见表2。

2.2 试验方法

综合大量学者的结果与本试验土体的性质[5-6]，将粉煤灰掺量设置为0%、5%、10%、15%、20%、25%，对不同粉煤灰掺量下的固化土进行击实试验、胀缩试验。养护龄期为28d。

2.2.1 击实试验

试验采用轻型击实法。将膨胀土放在105℃烘箱烘干，过4.75mm筛备用。按预先设计好的配合比加入粉煤灰和膨胀土，搅拌均匀后加入水（提前预估好含水率，每间隔2%设置一个含水率，共有5个不同的含水率），将其搅拌均匀，用塑料袋将土样密封，静置24h。将处理好的土样分3次倒入击实桶中，击实后得到含水率与干密度之间的曲线图。

2.2.2 膨缩试验

本文胀缩试验包括自由膨胀率试验、有荷膨胀率试验、无荷膨胀率试验、膨胀力试验、收缩试验。自由膨胀率试验所用材料过0.075mm筛。有荷膨胀率试验、无荷膨胀率试验、膨胀力试验、收缩试验土样采用静压法制成高20mm、直径61.8mm的环刀试样（采用最佳含水率）。用保鲜膜包裹试样放入恒温（23℃）恒湿（相对湿度98%）养护箱中养护28d。按照《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）进行试验。

3 试验结果

3.1 击实试验结果

图1为不同粉煤灰掺量下膨胀土的最大干密度与最佳含水率图。从图中可以看到，随着粉煤灰掺量增加，最大干密度和最佳含水率均逐渐减少。粉煤灰增加，最大干密度从1.71g/cm³减至1.62g/cm³，最佳含水率从26.73%减至25.52%。膨胀土与水反应会导致其表面在溶液中呈现出负电荷，其能与大量阳离子进行结合，同时置换出部分原有矿物质，进而构建由反离子构成的多层次结构，包括紧贴颗粒表面的固定层以及向外逐渐扩散的扩散层。在此过程中，负电荷的数量增加促进了结合水膜形成，该水膜紧密附着在土颗粒的外表面。当加入粉煤灰时，Ca2+会与土体中的K+、Na+进行置换，负电荷数量减少。随着反离子层负电荷密度变小，扩散层逐渐变得稀疏，这个过程在本质上弱化了土颗粒间的相互关联，增强了颗粒间的聚合力。在此转变下，弱结合水与土颗粒间的间距明显扩张，促使其转化为自由水状态，这个变化使最优含水率降低，最大干密度相应变小。而且粉煤灰的干密度小于膨胀土的干密度，两者混合，固化土的干密度变小。最佳含水率降低，说明粉煤灰有减水作用。

3.2 胀缩试验结果

膨胀土作为一种高度塑性的黏性土，其特性表现为吸水后体积膨胀、力学强度显著降低以及失水过程中的收缩现象，形成裂缝。在电解质溶液的环境中，土内的水分子受矿物质影响，会受到阴阳离子间的静电相互吸引作用，这种作用在非饱和状态下尤为显著。在此状态下，多种外部与内部因素起到协同作用，导致膨胀土经历水分流失与吸收时，分别展现出明显的收缩与膨胀行为。因此对改良后土体的胀缩性能进行测试非常重要。

3.2.1 自由膨胀率

图2为不同粉煤灰掺量下土体的自由膨胀率。从图2可以看到，随着粉煤灰掺量增加，土体的自由膨胀率降低，从66.19%降至51.43%，说明加入粉煤灰抑制了土体的膨胀率。当粉煤灰掺量为0%～15%时，自由膨胀率下降缓慢；当粉煤灰掺量为15%～25%，自由膨胀率下降迅速。加入粉煤灰后，膨胀土的体积显著缩小，随着粉煤灰与土体基质间的离子产生交换与结合作用，会对土体的持水性能产生影响。土体与粉煤灰之间产生化学反应会生成新的絮凝物质，新形成的物质在土体颗粒间构建出摩擦界面，有效地平衡了土体内部的膨胀应力，减少了膨胀现象。

3.2.2 有荷膨胀率

将有荷膨胀率试验的荷载设置为20kPa、50kPa、70kPa，试验结果如图3所示。从图中可以看到，在荷载相同的情况下，随着粉煤灰掺量减少，固化土的有荷膨胀率降低；在粉煤灰掺量相同的情况下，随着荷载增加，固化土的有荷膨胀率逐渐降低。加入粉煤灰后，其与土体之间发生反应生成了新物质，构成了新的土骨架，改变了土体结构，使土体的吸水膨胀性变差，从而提高了土体的性能。荷载增加使土体的竖向变形变小，抑制了土体膨胀。

3.2.3 荷膨胀率

可通过无外加载荷下的膨胀率来表征固化土受到侧限约束时展现的膨胀特性，这个指标与实际情况下的膨胀表现吻合度较高，从而成为评估其膨胀特性的重要依据。图4为粉煤灰固化土的无荷膨胀率试验结果图。从图中可以看到，粉煤灰增加使固化土的无荷膨胀率逐渐降低。粉煤灰掺入会使膨胀土的粒径分布与颗粒组成产生显著变化，与此同时，其表面离子进行交换与结合，颗粒间也通过絮凝作用增强了相互之间的黏结力与摩擦力，进而在无外加荷载的环境下，显著减弱了膨胀土的膨胀能力。当粉煤灰掺量为25%时，土体的无荷膨胀率最低，为8.68%。

3.2.4 膨胀力

图5为不同粉煤灰掺量下固化土的膨胀力结果图。从图中可以看到，随着粉煤灰增加，土体膨胀力呈现逐渐减少的趋势。当粉煤灰掺量为0%～10%和15%～25%时，膨胀力迅速减少，当粉煤灰掺量为10%～15%时，膨胀力下降缓慢。总体来说，土体的膨胀力得到了改善。

3.2.5 收缩试验

图6为不同粉煤灰掺量下固化土的体缩率和线缩率结果。从图中可以看到，随着粉煤灰掺量增加，土体的体缩率和线缩率均呈现下降趋势。土体最小体缩率为3.18%，最小线缩率为17.25%。证明粉煤灰对膨胀的收缩性具有抑制作用。

4 结论

本文对粉煤灰固化高速公路工程中膨胀土的胀缩性能进行研究，通过击实试验、膨胀试验，研究不同粉煤灰掺量下固化土的击实特性、胀缩特性，得出以下结论。1）随着粉煤灰掺量增加，粉煤灰固化土的最大干密度变小，从1.71g/cm³减至1.62g/cm³，最佳含水率逐渐降低，从26.73%降至25.52%。2）随着粉煤灰掺量增加，粉煤灰固化土的自由膨胀率、有荷膨胀率、无荷膨胀率、膨胀力、体缩率、线缩率均下降。3）粉煤灰对膨胀土的击实特性以及胀缩性都起到了良好的改善作用，使土体的胀缩性降低，最佳粉煤灰掺量为25%。试验结果可供后续工程参考。

参考文献

[1]龚锦林，柳厚祥，王真.石灰改良膨胀土压缩特性及力学特性研究[J].交通科学与工程，2022，38（4）：35-40.

[2]刘晶晶，吴东彪，许龙，等.水泥-碱渣改良膨胀土干湿循环耐久性及其劣化机制试验研究[J].科学技术与工程，2023，23（21）：9207-9218.

[3]任文礼，赵秀峰，陆志峰.石灰掺量对膨胀土力学及膨胀性能的动力学研究[J].江苏科技信息，2023，40（6）：69-71.

[4]鲍桂勇，许杨少君，蒋植洁，等.干湿循环下水泥改性膨胀土裂隙及渗透特性研究[J].中外公路，2023，43（3）：198-204.

[5]孙超.粉煤灰掺量对膨胀土抗剪强度的改性影响[J].水利建设与管理，2023，43（5）：25-30.

[6]王欢，贾利旺，刘腾蛟，等.碱激发低钙粉煤灰改良膨胀土的工程特性及微观机理[J].科学技术与工程，2024，24（20）：8631-8639.