水泥改良風化千枚巖棄渣作路基填料性能分析

程曉飛 白玉祥 姜大勇 王躍虎

摘要 在廣泛分布千枚巖的山嶺重丘地區修筑高速公路會面臨土地資源匱乏、填料運進困難、棄土占用農田等問題，為節約投資，同時達到生態環保的要求，通常會選用隧道千枚巖棄渣作路堤填料。基于強風化千枚巖原料的礦物分析、液塑限、顆粒分析及CBR試驗結果判定其為不良劣質填料，認為千枚巖棄渣無法直接用于填筑施工，需摻入適量水泥以改善其壓實特性與力學性能。文章通過比對試驗，分析了不同摻量對填料壓實特性與CBR的改良效果，論證改良填料用于路堤填筑的可行性。研究表明：改良填料的最大干密度隨水泥劑量的增加而增大，最佳含水率逐漸減小;3%、4%摻量的水泥改良效果不佳，5%的水泥摻量條件下改良填料可滿足路堤填筑要求。

關鍵詞 路基填料;千枚巖棄渣;水泥改良;CBR

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0165-04

0 引言

隨著高速公路通車里程及平原微丘地區高速覆蓋率的不斷刷新，新建高速公路已逐步轉向山嶺重丘地區，而山嶺重丘地區地形地貌極為復雜，大面積的土地高低參差，縱橫起伏，在此地形條件下修筑高速公路，橋隧結合是最為理想、可行的方式。以寧石高速為例，項目位處秦巴腹地，山勢陡峻，全線橋隧比高達87.24%，伴隨著隧道洞挖與路塹削坡，大量棄渣隨之產生，因棄渣多為強風化千枚巖，千枚巖屬典型變質軟巖，節理裂隙較發育，水理性質較差，遇水、風化后強度急劇降低[1]，無法縱向利用實現移挖作填用于路基填筑，又因沿線土地資源匱乏，可用填料緊缺，棄渣場選址與征地極為困難，加之山區道路崎嶇，填料運進困難且成本較高，因此，如何利用千枚巖棄渣用于路基填筑，實現就地取材、物盡其用成為亟須解決的工程難題。

相較于常規路基填料，風化千枚巖極易受干濕交替與工程擾動影響發生軟化、崩解，其顆粒尺寸受制于碾壓遍數、風化程度、濕度狀態等因素，致使填筑碾壓前后的級配變動較大。其次，在行車荷載及地下水遷移的不斷影響下，路基強度與穩定性也無法得到保證[2]。基于風化千枚巖較差的工程特性與路用性能，諸多學者探討了風化千枚巖作為路基填料的可行性，羅強[3]等基于點荷載試驗，運用換算后的飽和單軸抗壓強度區分風化千枚巖的軟化程度，通過物理、水理及力學性質試驗，探討了軟質千枚巖用于填料的可行性，得到了鐵路路基各層位千枚巖填料的指標建議值。雷永智[4]等基于X射線衍射儀法半定量分析千枚巖粉晶X衍射物相，得到了礦物組成及含量分布，而后通過CBR、回彈模量、泡水膨脹量等參數論證了千枚巖用于路基填筑的適用性。上述研究雖探討了千枚巖用于路基填筑的可行性，但因不同區位的變質千枚巖性能差異較大，其結論并不具有普適性，為此，學者們嘗試摻入水泥改善其力學性能、抗水性，使其達到路基各層位的質量標準。毛雪松[5]等以十天高速安康東段千枚巖填料為研究對象，基于室內試驗結果及規范要求，判定風化千枚巖原巖無法滿足填筑要求，并依據CBR值提出了不同水泥摻量的千枚巖改良方案。李健[6]以不同摻量的水泥、石灰為改良材料，探討了不同水泥、石灰摻量對千枚巖填料壓實特性的改良效果，同時論證了相同摻量下水泥與石灰改良的優劣性，并得出了水泥與石灰的最佳摻量。

綜上，就風化千枚巖填料而言，現有研究成果已論證水泥可作為優質改良材料，一者水泥自身的水化反應可產生膠結能力極強的水化產物，可相互搭接于千枚巖孔隙中，改善其壓實特性和力學性能，再者摻入水泥后的改良填料具有較好的彈塑性特征，提高了路基整體的穩定性[7]。因此，該文以寧石高速四分部K38+450處千枚巖棄渣為研究對象，通過室內試驗確定風化千枚巖原巖的物理力學性質，利用水泥改良不達填筑要求的千枚巖棄渣，通過比對試驗，探討改良技術及改良方案的最優解。

1 工程概況

寧石高速北依秦嶺，南枕巴山，區內地形復雜，受地質構造與巖性控制，嶺脊多為北西走向，山嶺峻峭，溝底狹窄深邃，寬谷平壩較少，高低懸殊大。沿線穿行于揚子陸塊、南秦嶺造山帶和位于其間的月河斷裂、饒峰-麻柳壩-鐘寶斷裂構造結合帶等構造單元，地質歷史漫長，地層、構造組成復雜獨特。

沿線出露的基巖包括絹云母石英片巖、大理巖、鈣質片巖、花崗閃長巖、花崗斑巖、千枚巖等。其中，四分部標段內地層主要為志留系大貴坪組（S1d）與梅子婭組（S1-2m），巖性以云母石英片巖與強風化千枚巖為主，巖質較軟弱，風化層較厚。填方路基位于K28+220.5～K39+900段內，共計7段，總填方量為32.2萬m3，因沿線填料緊缺，運輸便道路窄且有多處急彎，填料運進較為困難，設計要求采用標段內銅錢峽隧道洞渣作路堤填料。

2 強風化千枚巖填料工程性質

2.1 原巖礦物成分

礦物成分是決定千枚巖原巖力學性質的重要因素，該文選取寧石高速公路四分部K38+450處千枚巖棄渣及強風化碎屑物進行X射線行衍射試驗，經礦物成分分析可知，該千枚巖棄渣中白云母含量約為49%，石英約占44%，白云母含量及所處狀態對千枚巖性質影響較大，常態下白云母嵌于巖體，浸水后則處于游離態，易從巖體剝離，致使千枚巖風化后易崩解，若采用其作為路基填料，則路基在降雨及地下水遷移的影響下易發生松弛，路基穩定性及耐久性無法得到保證[8]。

2.2 液限和塑限

采用液塑限聯合測定儀進行三組平行試驗，其結果取平均值。經計算，填料的液限wl=19.7%，塑限wp=15.8%，即塑性指數Ip=3.9，依據《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020）可知，強風化千枚巖中粒徑小于0.5 mm的細粒土屬低液限粉土ML。

低液限粉土中粘粒含量較低且塑性指數較小，與水膠結能力較差，保水性不強，土體易于滲水，僅依靠壓路機振動壓實很難達到壓實要求，屬不良劣質填料。

2.3 顆粒分析

選取寧石高速四分部隧道千枚巖棄渣進行篩分試驗，因爆破開挖后的千枚巖渣塊體積較大，無法直接進行篩分，為確保棄渣的最大粒徑不大于60 mm，試驗前先對樣本進行碾壓破碎處理，同時為避免篩分過程中細粒抱團或依附于粗粒表面，致使篩分結果不準確，對破碎后的渣塊進行烘干處理，而后進行篩分，級配曲線如圖1所示。

經計算，d60=57.1，d30=36.2，d10=13.9，不均勻系數和曲率系數分別為4.11、1.65，屬級配不良。因級配不良的土體在外力條件下細小顆粒無法對空隙進行有效填充，細小顆粒持續受力使得土體進一步破碎，進一步說明了千枚巖棄渣無法直接作為路基填料。

2.4 風化千枚巖填料的CBR

加州承載比（CBR）可表征路基路面材料的強度與抗承載變形能力，《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）[9]限定了路堤路床填料的最小承載比，如表1所示，對風化千枚巖棄渣進行室內CBR測試，依據擊實次數分為3組，試驗結果見表2。

根據表2所示結果，擊實次數為30次時填料的CBR值僅為2.17%，小于下路堤最小承載比要求，更無法滿足規范限定的上路堤承載比要求，擊實98次后CBR值才達3.25%，略高于最小承載比，需對其進行處置以提高CBR值。

3 水泥改良千枚巖填料性能分析

根據施工圖設計要求，千枚巖等強度較低、易風化、遇水易崩解的變質巖不得直接作為路基填料，需進行改良，考慮到項目當地材料供應情況，選取西鄉堯柏普通硅酸鹽42.5的緩凝水泥。

3.1 水泥改良千枚巖填料加固原理

普通硅酸鹽水泥的礦物組成主要包括C2S、C3S、C3A及C4AF，水泥摻拌風化千枚巖填料后，在水泥的水化作用下形成C3S2H3和C3AH6等膠結力較強的水化物，并裹附在千枚巖棄渣顆粒表面，形成早期骨架，其次，在水化產物與千枚巖的離子交換作用下，千枚巖細粒形成致密土團，因C2S、C3S的水化產生大量吸附活性較強的Ca（OH）2，使得部分土團粒結合起來形成穩定鏈條狀結構，伴隨著水化作用的持續，Ca（OH）2與空氣中的CO2反應生成CaCO3，起到了粗粒化作用，使得改良填料具有足夠強度，水泥水化的主要化學式如下所示：

3.2 擊實特性分析

擊實試驗可獲取水泥改良千枚巖填料的最佳含水率與最大干密度，依據預設水泥摻量方案，該文選取3%、4%、5%的水泥摻量做對照試驗，依據四分法取料，試樣的初始含水率設置為7%，不同摻量下擊實試驗結果如表3所示。

由圖2可知，最大干密度隨水泥摻量增加呈線性增大，最佳含水率則呈線性減小趨勢，其中，摻加3%與4%水泥后改良填料的最大干密度與最佳含水率的波動范圍較小，當摻量由4%調整為5%時，最大干密度增大了0.156 g/cm3，最佳含水率減小了4.1%，上下浮動明顯，由此可初步判斷水泥摻量為5%時，改良效果較為顯著。

3.3 CBR

依據擊實試驗測得的最佳含水率制作CBR試件，試件需養護7 d后浸水4個晝夜，而后進行測試，結果如表4所示。

依據表4可知不同水泥摻量下改良填料的CBR值與干密度的變化曲線圖，如圖3所示。

由圖3可知，摻加水泥后改良填料的CBR均達到了規范要求的下路堤最小承載比要求，即CBR均不小于3%，可見經水泥改良后，千枚巖的力學性能有所提高，其中，摻量為3%時，CBR的浮動范圍為3.4%～4.6%，相較于未改良填料，僅增大了約1.3%，無法用于填筑上路堤，改良效果不佳，當摻量為4%時，CBR的浮動范圍為4.6%～7.3%，同規范限定的上路堤最小CBR差距過小，用于現場填筑時可能受填料粒度或水泥拌和不均勻影響，使得CBR不達最小要求的4%，導致路基強度不夠，而摻量提升至5%時，CBR較3%摻量提高了6%，較4%摻量提高了約4%，且浮動下限為8.9%，滿足規范要求的路堤填料CBR界限值。其次，圖3中的擬合曲線可推導現場實測干密度對應的CBR值。

由圖3可知，摻量為3%、4%時改良效果欠佳，若采用上述水泥摻量存在可能不滿足規范要求的潛在風險，由此確定改良填料的水泥摻量為5%，且僅用于路堤填筑。

4 結論

（1）基于千枚巖原料的礦物分析、液塑限、顆粒分析及CBR試驗可知，未經改良的千枚巖原料白云母含量較高，水穩性較差，且屬低液限粉土，初始級配不良，CBR也無法滿足規范限定的路堤填料要求。

（2）水泥用于改良千枚巖原料是行之有效的，摻入水泥的改良填料最大干密度隨水泥劑量的增加而增大，最佳含水率則隨之減小，其中，3%、4%水泥摻量的改良填料對干密度的增幅分別為0.162 g/cm3、0.167 g/cm3，密實程度提升不顯著，水泥劑量增加至5%時，最大干密度的增幅為0.323 g/cm3，約為4%摻量的2倍。

（3）摻加水泥后改良填料的CBR值提升明顯，由不滿足規范要求的承載比下限提升至可滿足路堤填筑要求，通過比對不同水泥摻量下改良填料的CBR曲線圖，摻量為3%與4%時CBR增幅較小，改良效果欠佳，用于填筑路堤有不達規范要求的潛在風險，水泥摻量達5%時CBR可滿足上、下路堤的填筑要求。

（4）千枚巖用作路堤填料時需摻拌水泥以改良其物理、力學性能，建議水泥摻量以5%為宜。

參考文獻

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[3]羅強，朱江江，詹學啟，等.軟質千枚巖工程特性及用于路基填筑的適用性[J].鐵道工程學報，2019（7）：1-5+32.

[4]雷永智，王甲飛，王毅凱，等.千枚巖路基填料的壓實與強度特性研究[J].公路，2019（12）：41-46.

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[7]曹周陽.秦巴山區變質軟巖路堤填料路用性能及振動壓實工藝研究[D].西安：長安大學，2013.

[8]張延杰，王旭，尹亞雄，等.水泥改良千枚巖棄渣用作鐵路路基填料的試驗研究[J].鐵道學報，2014（6）：81-86.

[9]公路路基設計規范：JTG D30-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.