粉煤灰改良紅層填料物理力學特性研究＊

黃志勤，余云燕

（蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730000）

紅層泥巖是紅色黏土沉積巖和碎屑的總稱，研究表明，中國紅層泥巖面積超過80 萬km，甘肅紅層泥巖分布面積約7.96 萬km，約占全國紅層面積的10%。路基作為公路基礎，須具備強度高、耐久性好等特點，并能抵抗各種自然因素的影響，因此對填料的選用有嚴格的控制要求。甘肅地區紅層填料易風化、遇水易軟化、水敏性強，相比常用填料，其工程性質并不理想。紅層是蘭州新區機場高速公路建設中不可避免的區域性巖體，而整條線路都使用優質填料并不符合經濟要求，因此，通過改良使紅層泥巖的力學性能達到路基填料的標準，是研究的焦點問題。眾多專家學者對蘭州地區的紅層泥巖進行了研究。羅崇亮等取蘭州地區紅層泥巖為研究對象，通過常規三軸試驗，深入研究含水率會對試樣破壞狀態產生的影響，結果表明：含水率低于最優含水率時，破壞形式為剪切破壞；含水率高于最優含水率時，破壞形式為鼓狀破壞；同時含水率增加，黏聚力和內摩擦角變小。余云燕等分析了蘭州地區紅層泥巖的基本物理力學性質，并與其他地區紅層進行對比，發現該地區紅層泥巖土液限較低，最優含水率低于西南地區同類型土，礦物成分主要為石英石和石灰石。朱彥鵬等針對蘭州原狀紅層土，按深度和方位不同劃分組進行直剪試驗，結果顯示，抗剪強度隨豎向壓力增大而增大，黏聚力隨埋深深度增加先增大后減。中國川藏和部分南方地區紅層泥巖的研究成果如下，徐華等取川藏鐵路成雅段原狀紅層黏土進行物理改良，摻料為固定級配的弱風化紅層泥巖碎石，經現場施工試驗顯示原狀土和摻碎石兩組填料級配均良好，原狀土與碎石質量比為1∶1 時無側限抗壓強度較大。馮強以四川地區紅層泥巖土為研究對象，分析其遇水后的膨脹性和軟化性，并通過擊實、承載比和三軸試驗，得到最大干密度和CBR 值，并劃分填料等級。張中云等對遂渝鐵路沿線紅層泥巖開展路堤離心模型試驗，得到施工期沉降、工后沉降與時間的關系，并與非改良紅層泥巖的離心模型試驗結果對比。熊力通過試驗分析了湖南地區紅層軟巖崩解規律，建立紅層軟巖崩解的能量耗散模型，認為飽和液對紅砂巖的崩解有較強抑制作用。祝艷波等選用石灰、粉煤灰和水泥對宜巴高速公路紅層泥巖土進行化學改良，評價不同改良填料的水穩定性和承載比，并對不同摻料的改良效果進行等級劃分，結果表明：水泥改良效果最好，石灰和粉煤灰改良效果次之。

現階段關于蘭州境內的紅層研究僅限于研究素土物理力學性質，改良研究更為稀缺，故本文選取蘭州新區機場附近的紅層泥巖為試驗土樣，依托實際項目，確定合適的粉煤灰改良摻量，通過大量室內試驗，研究紅層填料在不同粉煤灰摻量和不同養護齡期下的改良效果。

1 試驗材料及其物理力學性質

試驗材料取自蘭州新區某公路基邊坡表層，為不規則塊狀，顏色為淡棕紅色，改良材料為粉煤灰廢渣，取自蘭州某工廠，呈灰白色粉末狀。

1.1 基本物理力學性質

參照JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》進行室內試驗。結果如表1 所示。

表1 基本物理力學性質

1.2 易溶鹽試驗

控制浸提液的土水比例及浸泡時間，進行易溶鹽總量測定，可得出酸堿度（pH）及陰陽離子含量，紅層泥巖以及粉煤灰pH 值分別為7.93 和10.36，偏堿性，離子含量如表2 所示。粉煤灰浸出的含水溶鹽中Na+K和Ca占比高，分別為0.656%和0.265%，二者可以交換紅層中的SO離子，促使土顆粒快速凝聚，有效提高土體強度同時也抑制了變形。

表2 易溶鹽試驗結果

2 紅層泥巖改良試驗

2.1 改良試驗方案

將紅層泥巖與粉煤灰質量比例按照49∶1、24∶1、47∶3、23∶2、9∶1 混合（摻粉煤灰量2%、4%、6%、8%、10%），先通過擊實試驗獲得各填料的最優含水率和最大干密度后，再進行固結和無側限抗壓強度試驗。

2.2 擊實試驗

配置土樣含水率范圍為12%～24%，通過試驗得知，粉煤灰摻量為2%時，最優含水率為18.94%，最大干密度為1.772 g/cm，粉煤灰摻量的增加使最大干密度逐漸降低，最優含水率逐漸增加，粉煤灰摻量為10%時，最優含水率為19.62%，最大干密度為1.748 g/cm。粉煤灰中的高價陽離子可置換出紅層泥巖中原有的低價陽離子，使土體發生離子交換反應。

2.3 固結試驗

考慮到2%間隔的粉煤灰摻量對土的樣影響不明顯，故對2%、6%、10%摻量的改良填料開展后續的研究。改良試樣按養護時間分別為0 d、7 d、14 d、28 d 進行4 組試驗，壓縮系數與養護天數關系如圖1所示。

圖1 壓縮系數與養護天數關系

粉煤灰摻量和養護時間的增加，均會使改良土的壓縮系數不斷減小。10%粉煤灰摻量（28 d）壓縮系數最小，為0.14。

2.4 無側限強度試驗

改良土分別養護7 d、14 d、28 d，試驗結果如圖2所示。

圖2 強度與養護齡期關系

以28 d 養護組數據進行分析，素土強度為0.139 MPa，粉煤灰摻量2%組強度為0.217 MPa，與素土組相比增長56.1%，摻量6%組0.232 MPa，與2%組相比增長6.9%，摻量10%組強度為0.24 MPa，較6%組增長3.4%，可見粉煤灰對紅層泥巖土強度改量敏感度在6%摻量后減弱，且6%組較素土增長66.9%，效果明顯；以10%的粉煤灰摻量組數據分析，養護0 d強度為0.16 MPa，7 d 組強度為0.204 MPa，同比增長27.5%，14 d 組強度為0.218 MPa，較7 d 組增長了6.9%，而28 d 組強度為0.24 MPa，較14 d 組增長10.1%，可見粉煤灰對紅層泥巖土強度改良敏感度在7 d 后減弱；綜合對比3 種摻量改良土的強度，可見10%粉煤灰摻量的改良土強度最大，28 d 養護效果最好。

3 結論

本文借助有關項目背景，選取粉煤灰為紅層泥巖改良摻料，探究紅層泥巖在不同粉煤灰摻量的影響下，最大干密度、壓縮系數和抗壓強度變化規律，找出最優配比，得到以下結論。

粉煤灰改良紅層泥巖的效果明顯，摻入粉煤灰，可有效降低土體塑性指數、提高最優含水率。粉煤灰的化學成分中可以用來作為離子交換的高價離子，使土顆粒快速凝聚，有效提高土體強度，抑制脹縮變形。但需養護才可逐步發生化學反應。

粉煤灰摻入后，壓縮系數變小。改良土的壓縮系數與粉煤灰摻量及養護時間負相關。粉煤灰摻量為10%、養護時間為28 d 時壓縮系數最小，為0.14。

在改良材料粉煤灰摻入后，無側限抗壓強度顯著提高，且與粉煤灰摻量及養護時間均正相關。粉煤灰摻量為10%、養護時間為28 d 時改良土的無側限抗壓強度最高，為0.24 MPa。