高速公路路基粉煤灰固化特性研究

摘 要：在公路工程的施工過程中，常會遇到一種特性顯著的土體—膨脹土，這種土體具有極強的脹縮性。無論是受到水分浸滲還是經歷干燥失水，其體積與力學特性均會發生變化，對路基結構的穩固性構成潛在威脅，難以使施工后的道路基礎保證長期穩定。本文以某高速公路膨脹土為例，通過擊實試驗、自由膨脹率試驗、有荷膨脹率試驗、無荷膨脹率試驗、膨脹力試驗、收縮試驗，研究不同粉煤灰摻量下粉煤灰固化土的擊實特性與脹縮特性。結果表明，固化土的最大干密度、最優含水率、自由膨脹率、有荷膨脹率、無荷膨脹率、膨脹力、體縮率以及線縮率均隨著粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢。說明粉煤灰不僅具有減水作用，而且加入粉煤灰有效地改善了固化土的整體穩定性，對土體起到了積極作用。試驗得到固化土最佳的粉煤灰摻量為25%。

關鍵詞：公路工程；固化土；粉煤灰；膨脹土

中圖分類號：U 41" " 文獻標志碼：A

膨脹土容易吸水膨脹、失水收縮，在工程中會降低地基強度，使地基發生不均勻沉降或變形。在我國許多地方都存在膨脹土，因此為了使路基強度更高、穩定性更好，對膨脹土進行處理是十分有必要的[1-2]。許多學者對膨脹土進行固化處理研究，任文禮等[3]采用了石灰固化膨脹土，對不同石灰摻量下的固化土進行天然無側限抗壓強度試驗、飽和無側限抗壓強度試驗、無荷膨脹率試驗，結果發現，石灰摻量增加，土體兩種無側限抗壓強度均增加，無荷膨脹率降低；鮑桂勇等[4]研究了干濕循環作用下的水泥固化膨脹土的性能，結果發現在干濕循環作用下，水泥固化土的抗裂率、強度以及滲透率都得到了改善。

上述研究表明，通過使用固化劑固化膨脹土，可以提高土體的性能。本文將對粉煤灰固化高速公路工程中膨脹土的脹縮性能進行研究，通過擊實試驗、膨脹試驗，研究不同粉煤灰摻量下固化土的擊實特性、脹縮特性。研究結果可以為類似的工程情況提供參考價值。

1 工程概況

本文以某地高速公路為研究對象，全長19.2km，設計時速為120 km/h。根據地質勘察發現，土體分為4層，主要為粉質土和黏性土，具有中等膨脹性，需要對其進行處理。為了解固化后膨脹土的脹縮特性，研究采用粉煤灰固化膨脹土的處理方法對其進行有關試驗。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用土取自某高速公路，土體顏色呈現黃褐色，根據《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020），對膨脹土的基本性質進行室內土工試驗，膨脹土基本性質見表1。

試驗采用的粉煤灰選擇的二級粉煤灰。粉煤灰的粒徑在1μm～100μm，是經過高溫燃燒后形成的。粉煤灰的主要成分表見表2。

2.2 試驗方法

綜合大量學者的結果與本試驗土體的性質[5-6]，將粉煤灰摻量設置為0%、5%、10%、15%、20%、25%，對不同粉煤灰摻量下的固化土進行擊實試驗、脹縮試驗。養護齡期為28d。

2.2.1 擊實試驗

試驗采用輕型擊實法。將膨脹土放在105℃烘箱烘干，過4.75mm篩備用。按預先設計好的配合比加入粉煤灰和膨脹土，攪拌均勻后加入水（提前預估好含水率，每間隔2%設置一個含水率，共有5個不同的含水率），將其攪拌均勻，用塑料袋將土樣密封，靜置24h。將處理好的土樣分3次倒入擊實桶中，擊實后得到含水率與干密度之間的曲線圖。

2.2.2 膨縮試驗

本文脹縮試驗包括自由膨脹率試驗、有荷膨脹率試驗、無荷膨脹率試驗、膨脹力試驗、收縮試驗。自由膨脹率試驗所用材料過0.075mm篩。有荷膨脹率試驗、無荷膨脹率試驗、膨脹力試驗、收縮試驗土樣采用靜壓法制成高20mm、直徑61.8mm的環刀試樣（采用最佳含水率）。用保鮮膜包裹試樣放入恒溫（23℃）恒濕（相對濕度98%）養護箱中養護28d。按照《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020）進行試驗。

3 試驗結果

3.1 擊實試驗結果

圖1為不同粉煤灰摻量下膨脹土的最大干密度與最佳含水率圖。從圖中可以看到，隨著粉煤灰摻量增加，最大干密度和最佳含水率均逐漸減少。粉煤灰增加，最大干密度從1.71g/cm3減至1.62g/cm3，最佳含水率從26.73%減至25.52%。膨脹土與水反應會導致其表面在溶液中呈現出負電荷，其能與大量陽離子進行結合，同時置換出部分原有礦物質，進而構建由反離子構成的多層次結構，包括緊貼顆粒表面的固定層以及向外逐漸擴散的擴散層。在此過程中，負電荷的數量增加促進了結合水膜形成，該水膜緊密附著在土顆粒的外表面。當加入粉煤灰時，Ca2+會與土體中的K+、Na+進行置換，負電荷數量減少。隨著反離子層負電荷密度變小，擴散層逐漸變得稀疏，這個過程在本質上弱化了土顆粒間的相互關聯，增強了顆粒間的聚合力。在此轉變下，弱結合水與土顆粒間的間距明顯擴張，促使其轉化為自由水狀態，這個變化使最優含水率降低，最大干密度相應變小。而且粉煤灰的干密度小于膨脹土的干密度，兩者混合，固化土的干密度變小。最佳含水率降低，說明粉煤灰有減水作用。

3.2 脹縮試驗結果

膨脹土作為一種高度塑性的黏性土，其特性表現為吸水后體積膨脹、力學強度顯著降低以及失水過程中的收縮現象，形成裂縫。在電解質溶液的環境中，土內的水分子受礦物質影響，會受到陰陽離子間的靜電相互吸引作用，這種作用在非飽和狀態下尤為顯著。在此狀態下，多種外部與內部因素起到協同作用，導致膨脹土經歷水分流失與吸收時，分別展現出明顯的收縮與膨脹行為。因此對改良后土體的脹縮性能進行測試非常重要。

3.2.1 自由膨脹率

圖2為不同粉煤灰摻量下土體的自由膨脹率。從圖2可以看到，隨著粉煤灰摻量增加，土體的自由膨脹率降低，從66.19%降至51.43%，說明加入粉煤灰抑制了土體的膨脹率。當粉煤灰摻量為0%～15%時，自由膨脹率下降緩慢；當粉煤灰摻量為15%～25%，自由膨脹率下降迅速。加入粉煤灰后，膨脹土的體積顯著縮小，隨著粉煤灰與土體基質間的離子產生交換與結合作用，會對土體的持水性能產生影響。土體與粉煤灰之間產生化學反應會生成新的絮凝物質，新形成的物質在土體顆粒間構建出摩擦界面，有效地平衡了土體內部的膨脹應力，減少了膨脹現象。

3.2.2 有荷膨脹率

將有荷膨脹率試驗的荷載設置為20kPa、50kPa、70kPa，試驗結果如圖3所示。從圖中可以看到，在荷載相同的情況下，隨著粉煤灰摻量減少，固化土的有荷膨脹率降低；在粉煤灰摻量相同的情況下，隨著荷載增加，固化土的有荷膨脹率逐漸降低。加入粉煤灰后，其與土體之間發生反應生成了新物質，構成了新的土骨架，改變了土體結構，使土體的吸水膨脹性變差，從而提高了土體的性能。荷載增加使土體的豎向變形變小，抑制了土體膨脹。

3.2.3 荷膨脹率

可通過無外加載荷下的膨脹率來表征固化土受到側限約束時展現的膨脹特性，這個指標與實際情況下的膨脹表現吻合度較高，從而成為評估其膨脹特性的重要依據。圖4為粉煤灰固化土的無荷膨脹率試驗結果圖。從圖中可以看到，粉煤灰增加使固化土的無荷膨脹率逐漸降低。粉煤灰摻入會使膨脹土的粒徑分布與顆粒組成產生顯著變化，與此同時，其表面離子進行交換與結合，顆粒間也通過絮凝作用增強了相互之間的黏結力與摩擦力，進而在無外加荷載的環境下，顯著減弱了膨脹土的膨脹能力。當粉煤灰摻量為25%時，土體的無荷膨脹率最低，為8.68%。

3.2.4 膨脹力

圖5為不同粉煤灰摻量下固化土的膨脹力結果圖。從圖中可以看到，隨著粉煤灰增加，土體膨脹力呈現逐漸減少的趨勢。當粉煤灰摻量為0%～10%和15%～25%時，膨脹力迅速減少，當粉煤灰摻量為10%～15%時，膨脹力下降緩慢。總體來說，土體的膨脹力得到了改善。

3.2.5 收縮試驗

圖6為不同粉煤灰摻量下固化土的體縮率和線縮率結果。從圖中可以看到，隨著粉煤灰摻量增加，土體的體縮率和線縮率均呈現下降趨勢。土體最小體縮率為3.18%，最小線縮率為17.25%。證明粉煤灰對膨脹的收縮性具有抑制作用。

4 結論

本文對粉煤灰固化高速公路工程中膨脹土的脹縮性能進行研究，通過擊實試驗、膨脹試驗，研究不同粉煤灰摻量下固化土的擊實特性、脹縮特性，得出以下結論。1）隨著粉煤灰摻量增加，粉煤灰固化土的最大干密度變小，從1.71g/cm3減至1.62g/cm3，最佳含水率逐漸降低，從26.73%降至25.52%。2）隨著粉煤灰摻量增加，粉煤灰固化土的自由膨脹率、有荷膨脹率、無荷膨脹率、膨脹力、體縮率、線縮率均下降。3）粉煤灰對膨脹土的擊實特性以及脹縮性都起到了良好的改善作用，使土體的脹縮性降低，最佳粉煤灰摻量為25%。試驗結果可供后續工程參考。

參考文獻

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[2]劉晶晶，吳東彪，許龍，等.水泥-堿渣改良膨脹土干濕循環耐久性及其劣化機制試驗研究[J].科學技術與工程，2023，23（21）：9207-9218.

[3]任文禮，趙秀峰，陸志峰.石灰摻量對膨脹土力學及膨脹性能的動力學研究[J].江蘇科技信息，2023，40（6）：69-71.

[4]鮑桂勇，許楊少君，蔣植潔，等.干濕循環下水泥改性膨脹土裂隙及滲透特性研究[J].中外公路，2023，43（3）：198-204.

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