土凝巖穩定沿黃地區路基粉砂土應用研究

常燦華,殷衛永,褚付克,袁征,尚康寧

摘 要：為研究土凝巖在道路工程中應用可行性，通過室內試驗、鋪筑試驗段及工后檢測，分析了土凝巖穩定粉砂土的路用性能。結果表明：在摻量為3%～6%范圍內，隨著土凝巖摻量的提高，土凝巖穩定粉砂土的CBR和抗壓強度也逐漸增加。當土凝巖摻量為4%時，在壓實度為98%時，土凝巖穩定粉砂土的CBR可達58.2%，28 d無側限抗壓強度達到3.59 MPa，性能指標優于相同摻量的水泥穩定粉砂土，說明土凝巖穩定粉砂土總體路用性能良好，經濟社會效益顯著，具有推廣應用價值。

關鍵詞：道路材料;土凝巖;路用性能;應用

0 引言

據統計，目前全國工業固體廢棄物堆存總量約758億噸，按照每萬噸堆存平均占用0.5畝土地計算，工業固體廢棄物堆存占用土地面積達375萬畝。隨著我國經濟建設的不斷發展，產生了大量鋼渣、赤泥、粉煤灰等工業廢渣并大量堆存，產生了環境、安全、資源、土地等一系列問題，提高大宗工業固體廢棄物資源化利用水平已成為緩解資源約束、減少廢棄物排放、減輕環境污染的必然和有效手段。

土凝巖是以煤矸石、鋼渣、尾礦粉煤灰等固體廢渣為原材料，利用地質成巖原理，借助清潔化工藝制備而成水硬性膠凝材料，具有力學強度高、耐久性好、使用方便等優點，可穩定各種類型的細粒土、砂礫土和碎石等工程材料，適用于公路、鐵路、機場和水利等領域[1]。

本文以某國道鄭州境改建工程為依托工程，結合項目實際情況，選取工程中使用的粉砂土為原材料，進行土凝巖穩定粉砂土室內試驗及工程應用研究。

1 原材料

1.1 粉砂土

粉砂土為某國道鄭州境改建工程現場取樣。

1.2 土凝巖

土凝巖材料是由粉煤灰、電石渣、鋼渣、煤矸石、鋁土礦等工業廢料經一定工藝制備的新型材料，其主要成分與水泥類似，但各成分含量不同。土凝巖材料的主要化學成分分析如表1所示。

土凝巖材料根據被穩定材料的物理、化學性質不同，各組分質量分數不同，生產工藝參數也有所不同，但生產工藝流程均相似。

2 土凝巖穩定粉砂土性能

2.1 粉砂土性能

2.1.1 界限含水率測定

按照《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）中T0115和T0118試驗方法，取五組粉砂土樣分別進行篩分稱量，測試各顆粒組含量，同時測試各土樣的塑限和液限。試驗結果如表2所示。

由表2可知，土樣粒徑級配不良，1～5號土樣中小于0.075 mm的顆粒占比均超過90%。根據現行行業標準《公路土工試驗規程》中關于土的工程分類規定，此五組粉砂土樣均為粉質土或黏質土。

《公路土工試驗規程》中規定細粒土應按照如圖1所示塑性圖進行分類，土樣1的液限wL為33.8%，小于50%;塑限wP為26.2%，塑性指數為7.6，當液限為33.8%時，A線Ip=10.074。土樣的塑性指數位于A線以下，液限位于B線以左，根據細粒土塑性圖確定土樣1為低液限粉土（ML）。按照同樣方法計算可知，2～5號土樣同樣為低液限粉土。這些土樣水穩定性較差，不能固結，不可直接作為公路路基工程填土。

2.1.2 承載比（CBR）試驗

按照《公路土工試驗規程》中規定的試驗方法，取土樣進行擊實試驗，從而得出土樣的含水率和干密度數據繪制擊實曲線，如圖2所示。

由圖2可知，擊實曲線大致為開口向下的拋物線，隨含水率的增加，干密度先增大后減小，干密度存在峰值（即最大干密度）。由曲線得試驗粉砂土樣的最大干密度為1.723 g/cm3，最佳含水率為11.86%。

按照《公路土工試驗規程》中規定的承載比試驗方法，在粉砂土最大干密度和最佳含水率的條件下進行不同壓實度下的承載比試驗，試驗結果如表3所示。

由表3分析可知，粉砂土的CBR值較低，在3.5左右，低于《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）上路床CBR大于8%的要求。

2.2 土凝巖性能

土凝巖作為一種新型膠凝材料，參考水泥質量評價的技術指標，凝結時間和抗壓強度是影響穩定土施工工藝流程和工程質量的重要指標，其測試方法參照水泥的凝結時間和抗壓強度指標進行，結果如表4所示。

由表4可知，土凝巖7 d抗壓強度為8.7 MPa，而28 d抗壓強度可達到21.5 MPa。土凝巖由多種工業廢渣復合而成，保證各組分比例得當，其礦物成分可發生有效的水化反應，表現出明顯的水化活性。此外，由于土凝巖材料凝結時間也較長，對土凝巖材料穩定土的施工控制有利。

2.3 土凝巖穩定粉砂土性能

根據《公路路基設計規范》要求，對不同土凝巖摻量的穩定粉砂土進行擊實試驗、CBR試驗和無側限抗壓強度試驗，同時用水泥穩定粉砂土作為對比試驗，結果見表5所示。

由表5可知，土凝巖材料穩定粉砂土的最大干密度和最佳含水量分別約為1.73 g/cm3及12.4%，與水泥穩定土的ρdmax值和wop值接近。土凝巖固化粉砂土的CBR值均隨著土凝巖材料摻量的增加而不斷提高，不同壓實度下CBR值均在30%以上，遠超《公路路基設計規范》（JTGD30-2015）中規定的上路床CBR大于8%的要求。當土凝巖材料摻量增加至4%時，其在98%壓實度下的CBR值已超過水泥穩定土試件;隨著土凝巖材料摻量繼續增加，其固化土試件在不同壓實度下的CBR值進一步增大，比水泥穩定土的CBR值高20%～30%左右。

隨著復合膠凝材料摻量的提高，穩定土7 d和28 d無側限抗壓強度不斷增大;在7 d到28 d齡期階段，土凝巖穩定土的抗壓強度增長比水泥穩定土明顯，當土凝巖摻量增加至4%時，土凝巖穩定粉砂土7 d、28 d無側限抗壓強度均高于水泥穩定粉砂土。綜合來看，4%土凝巖穩定粉砂土的各項技術指標優于4%水泥穩定粉砂土，說明土凝巖穩定粉砂土具有良好的路用性能，能夠滿足高速公路路基施工技術要求。

土凝巖較水泥更適宜用于粉砂土的穩定處治，這是由于復合膠凝材料是根據土的相關理化性質進行針對性的配方組成設計，既能通過自身的水化反應在土壤顆粒空隙間形成強度骨架，也可以通過土凝巖中的活性成分與土壤產生膠凝效應，提高穩定土的強度。隨著土凝巖穩定土的養護齡期不斷增加，土凝巖的協同水化作用不斷增強，從而使得穩定土的后期強度隨著穩定增長。

3 土凝巖穩定粉砂土工程應用

3.1 土凝巖穩定粉砂土路用性能影響因素

影響土凝巖穩定粉砂土路用性能的因素主要有膠凝材料摻量、養護環境、含水率、壓實度等。

（1）膠凝材料摻量。對于同一種原材料，穩定土強度隨著膠凝材料摻量的增加而顯著增加，說明膠凝材料摻量是影響穩定混合料強度最關鍵的因素。

（2）養護環境。養護環境主要是指養護的溫度和濕度。合適的養護溫度和濕度，有助于加快復合再生膠凝材料穩定材料強度的增長。

（3）含水率。含水率應接近最佳含水率，過大或過小的含水率都會影響穩定土路基的壓實效果，從而影響穩定土的強度。研究表明，隨含水率的增加，穩定混合料的無側限抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，在含水率達到最佳含水率時，強度達到最大值;隨后隨著含水率的繼續增加而快速減小[3]。在施工過程中應控制好含水量，保證壓實效果及強度。

（4）壓實度。根據前期已有研究成果，復合再生膠凝穩定粉砂土的無側限抗壓強度隨壓實度的提高而增加。

3.2 土凝巖穩定粉砂土施工工藝

通過借鑒水泥穩定材料的施工工藝，結合國內已有類似工程應用的調查研究，確定土凝巖穩定粉砂土施工工藝如下：在工作區進行布土、粗平、初壓、撒布土凝巖、拌和后，檢查拌和深度、含水率和灰劑量等指標，然后進行粗平、穩壓、精平，最后進行碾壓成型，進行壓實度檢查、養生。

施工過程中，應注意天氣和溫度變化，當氣溫較高時，為減少含水率損失，應適當縮短施工時間，從開始拌和至碾壓結束的整個過程不宜超過8小時，最好控制在6小時之內。碾壓工藝為：精平后雙鋼輪壓路機穩壓一遍，再強振兩遍，然后弱振兩遍，最后靜壓一遍。碾壓完成后，灑適量水（表面濕潤即可），立即覆蓋土工布進行養生。

3.3 土凝巖穩定粉砂土施工質量檢測

本研究在某國道鄭州境改建工程鋪筑長260 m下路床試驗路段，工后經現場檢測，CBR達41.5%（下路床要求≥5%），現場壓實度96.2%（下路床要求≥96%），滿足設計及驗收要求，工程應用效果良好。

4 工程造價分析

土凝巖材料工程造價與水泥基本相當，由于復合再生膠凝材料良好的力學性能，復合再生膠凝材料摻量可與水泥摻量相當或略低于水泥，可進一步降低工程造價。同時，復合再生膠凝材料原材料為工業廢渣，制備工藝簡單，用復合再生膠凝材料代替水泥、石灰，可消耗大量固廢資源，產生極大的社會環境效益。

5 結論

通過對土凝巖穩定粉砂土內試驗及工程應用，可得出以下結論：（1）本項目粉砂土中小于0.075 mm的顆粒占比均在90%以上，結合界限含水率測定結果，按照塑性圖分類為低液限粉土。（2）未處理的粉砂土承載比試驗的CBR值約為3.5%，不能直接作為路基填料。（3）土凝巖砂漿的凝結高于小于P.O 42.5水泥，28 d抗壓強度約為20 MPa，低于P.O 42.5水泥。（4）在摻量為3%～6%范圍內，隨著土凝巖摻量的提高，土凝巖穩定粉砂土的CBR和抗壓強度也逐漸增加。當土凝巖摻量為4%時，在壓實度為98%時，土凝巖穩定粉砂土的CBR可達58.2%，28 d無側限抗壓強度達到3.59 MPa，性能指標優于相同摻量的水泥穩定粉砂土。（5）土凝巖穩定粉砂土工程應用后，經現場檢測，CBR達41.5%（下路床要求≥5%），現場壓實度96.2%（下路床要求≥96%），滿足設計及驗收要求，工程應用效果良好。（6）土凝巖穩定粉砂土總體路用性能良好，經濟社會效益顯著，具有推廣應用價值。

參考文獻：

[1]汪雙清，朱建華.一種土壤巖凝劑及其制備方法[P]. 北京：CN104745197A，2015-07-01.

[2]JTG D30-2015，公路路基設計規范[S].

[3]袁俊平，詹斌，陳勝超，等.含水率和壓實度對路基填土力學特性的影響[J].水利與建筑工程學報，2013（2）：98-102.

[4]JTG E51-2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].