飛灰在膨脹土路基加固處治中的應用

池育源

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

膨脹土路基所出現的邊坡坍塌、滑溜、擋墻外移等病害，嚴重影響道路使用質量和使用壽命，因此使用膨脹土時應給予足夠的重視，做好防護與加固工作[1]。膨脹土主要分為由蒙脫石組成為主的高膨脹土和由伊利石和高嶺土為主組成的有限膨脹土。根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）通過自由膨脹率Fs將膨脹土分為弱、中和強膨脹土3類：40%≤ Fs＜65%為弱性膨脹土，65%≤ Fs＜90%為中等膨脹土，Fs≥90%為強性膨脹土[2]。它們的共同特性都是親水性的土粒呈離散狀態，高塑性并且對溫度和濕度的變化非常敏感，從而吸水膨脹，失水收縮產生較大的脹縮變形。變形受束縛會產生附加應力直至發生裂縫，發生更嚴重的沉降、滑坡等邊坡失穩病害。現階段工程上主要通過在土體中摻加石灰、水泥和粉煤灰來穩定膨脹土。考慮到焚燒飛灰含有類似于前幾種物質的固化體，本文依托某二級公路將使用飛灰與水泥混合對該工程所使用的膨脹土進行改良，通過室內試驗來確定對該工程的最佳飛灰水泥添加量，最終運用于實際工程。

1 膨脹土受干濕循環影響的直剪試驗

膨脹土在經過干濕循環后會產生裂縫，抗剪性能隨之減弱。在不同干濕循環次數條件下，通過直剪試驗測定土體的黏聚力和內摩擦角來表征土體抗剪強度的變化。

試驗方案：制作6組土體試樣，每組3個平行試樣，試驗數據取3個試樣的平均值以減少離散性。取其中5組土體進行干濕循環，一組在20℃溫度，無風干燥的條件下靜置。每一次干濕循環的具體操作為用噴壺往試樣澆水至土體吸水飽和，靜置2 h，把吸水后的試樣放在30℃烘箱里并開吹風，直至試樣干燥至澆水前狀態。用干濕循環處理后的試樣和自然狀態土樣做直剪試驗時土體需再澆水至飽和，用來模擬路基在存在水的滲透力的情況下的最不利狀態。為達到以上目的需要采用快剪法來進行試驗，保持孔隙水壓力不變。另外加載的垂直荷載不應小于設計荷載。經過試驗測得黏聚力c數值和內摩擦角f數值如表1以及變化曲線如圖1。

表1 干濕循環對固結直剪強度指標的影響

圖1 內摩擦角隨干濕循環次數的變化曲線

由表1可知，5次干濕循環后土的黏聚力指標從84.2 kPa降到37.9 kPa，降低了55%；內摩擦角指標從17.9°降到12.9°，降低了28%，其中以黏聚力指標下降更明顯。由圖1試驗曲線可知，在經過5次干濕循環后，兩強度指標已變化不大，也就是說明經過5次干濕循環土體的裂縫已經充分發展了，該強度即可作為殘余強度參考指標。

2 膨脹土的飛灰處理試驗

處理方式是用垃圾焚燒飛灰和水泥當作穩定劑來穩定膨脹土，由于焚燒飛灰中含有大量的二氧化硅，三氧化二鋁和氧化鈣，成分組合和火山灰相似，可與親水土粒發生物理化學反應，使土體形成一定力學強度[3]，因此可以與水泥一起固化穩定膨脹土，這樣既可以實現對垃圾焚燒產物的再利用，減少環境的污染，又能提升膨脹土的物理指標，達到穩定路基的目標。由于垃圾焚燒飛灰含有大量重金屬，例如鉛、鎘、錳和銅等，還有一定含量的可溶性鹽，所以在使用前必須進行水洗預處理。

2.1 飛灰與水泥的配比試驗

作為穩定劑的飛灰水泥混合物摻入膨脹土通過固結等一系列物理化學作用增加土體的穩定性，固結作用越好，其混合物的抗壓強度也應越高[4]，因此以無側限抗壓強度為參考指標選取水泥和飛灰的配比，試驗選取了水泥70%，垃圾焚燒飛灰30%；水泥50%，垃圾焚燒飛灰50%；水泥30%，垃圾焚燒飛灰70%三組試驗作為對比。養護時間分別3 d、7 d、14 d和28 d，并測試其對應強度。

試驗方案：垃圾焚燒飛灰水洗時間為30 min，水灰比25∶1，過濾處理后的飛灰，去掉多余的水分，然后在50℃的烘箱中放置15 h至恒重，把形成的塊狀物敲碎再混合均勻。按照所設計的飛灰水泥配比將混合物用水泥砂漿攪拌機攪拌，攪拌時間為2 min，加入3%的水再繼續攪拌5 min，將攪拌好的漿液加入模型制成40 mm×40 mm×60 mm的試塊并進行噴水養護，并在成型的第3天、7天、14天和28天測量其無側限抗壓強度。經試驗測得數據如表2。

由表2可以看出，當水泥與飛灰的配比為3∶7時，養護28 d強度僅為155 MPa；當配比為1∶1時，第28天養護強度為311 MPa，提高了1倍；當配比為 7∶3 時，28 d 養護強度為 445.75 MPa，相比 1∶1 配比提高了43%。表明當水泥與飛灰配比越高，養護末期無側限抗壓強度越高，原因是當水泥越多時固化程度越高，但考慮到膨脹土本身強度很高，摻加穩定劑主要目的是為了降低膨脹率。但飛灰摻量過高時，由于飛灰本身遇水會發生較大的膨脹變形并且出現裂縫，這樣反而增加了膨脹土的不穩定性。經過綜合分析決定采用水泥與飛灰的配比為1∶1。

表2 飛灰固化試塊無側限抗壓強度

2.2 不同劑量穩定劑處治膨脹土試驗

對該公路某路段路基膨脹土選取不同劑量的摻加劑進行重型擊實試驗，膨脹率試驗和濕養6 d保水1 d的浸水無側限抗壓強度測算。試驗取樣穩定劑摻量為0%、3%、5%、7%。試驗結果如表3。

表3 摻加穩定劑前后膨脹土物理參數對比

由表3可以看出，擊實后的膨脹土膨脹力隨穩定劑摻量增加而減少，當摻量為7%時，膨脹力為40 MPa，僅為不加穩定劑的15%，自由膨脹率為37%，為不加穩定劑的57%。摻入穩定劑后膨脹率和收縮系數都有所減少，并且在摻量為5%的范圍內脹縮總率與脹縮系數隨著穩定劑摻量增加而減小，說明穩定劑確實增加了土體的水穩定性，且強度大幅增加，減少了裂縫的發生。當摻加量為5%時膨脹土的脹縮總率為0.16%，脹縮系數為0.15，接近于0，而且浸水無側限抗壓強度為1.35 MPa，為4組試驗中最大值。

在加入穩定劑后土體的最佳含水率隨著產量的增加而減少，而最大干密度是先增加后減少，摻量為5%時達到最大值1.93 g/cm3，原因是飛灰水泥的密度比膨脹土大，所以最大干密度在一定摻量范圍內會隨著穩定劑增加而增大，但是穩定劑摻入量過多時由于其物理化學作用使土體的孔隙率增大，難以壓實，所以最大干密度數值有所下降。綜上，為達到最佳水穩定性和減少裂縫的目標，確定穩定劑施工摻量為5%。

3 回彈模量實驗

回彈模量是衡量路基承載能力的重要參數，反映路基在瞬時荷載作用下恢復變形的能力。在干濕循環作用下，膨脹土強度會減弱，回彈模量也隨之改變。回彈模量過小會導致路面結構設計厚度增加，使工程成本增加。為了探究膨脹土在經受干濕循環后的回彈模量變化規律，筆者做了在不同循環次數下穩定劑摻量為0%、3%、5%和7%的對比試驗。試驗數據如表4。

表4 不同干濕循環次數下改良膨脹土回彈模量 MPa

由表4可知，當穩定劑摻量一定時，膨脹土回彈模量隨著干濕循環次數增加而減少。尤其是在第一次干濕循環后回彈模量下降最快，穩定劑摻量為0%時衰減28%，摻量為3%時衰減22%，摻量為5%時衰減18%，摻量為7%時也是衰減18%。后面幾次干濕循環衰減程度相對較小，原因是第一次干濕循環后土體內部出現大量微裂縫，使土體強度大幅下降，后面幾次循環裂縫發展緩慢，因此回彈模量數值衰減變緩。另外摻加穩定劑后衰減速度變低，同比降低10%左右。

當循環次數一定時，摻加5%和7%比例穩定劑后回彈模量明顯提升，尤其在末期回彈模量數值趨于穩定時，摻加5%穩定劑時土體回彈模量提升到57.20 MPa，比未摻加穩定劑提升了1倍，主要原因是穩定劑的固結作用減少并且延緩了內部裂縫的產生，維持了土體強度的穩定。摻量7%比例穩定劑時回彈模量相較提升很小，在干濕循環末期只提升了2.07 MPa，原因是當摻量為5%時，穩定劑已經和土體充分發生固結反應，因此提升穩定劑摻量對回彈模量的數值影響很小。

4 工程應用及現場檢驗

由室內試驗研究可知，飛灰和水泥穩定劑的摻量為5%時對膨脹土的改良效果最好，因此將該結論運用于該公路，并對該公路的K4+400—K6+970段（挖方段）進行取樣進行壓實度和無側限抗壓強度測試，并觀察施工后效果。

4.1 壓實度檢驗

養生60 d后用環刀法對該路段進行壓實度測量，取樣點間隔50 m，檢測結果表明平均壓實度為97%，土樣最低壓實度為95%，可知該路段壓實度滿足《公路路基施工技術規范》（JTG F10—2006）要求（壓實度大于等于95%）。

4.2 無側限抗壓強度鉆芯取樣檢測

養生60 d后對該路段每隔50 m進行鉆芯取樣帶回實驗室進行無側限抗壓強度試驗，土樣平均無側限抗壓強度為1.27 MPa，強度符合要求。

在膨脹土中摻加5%的飛灰水泥穩定劑，施工結束60 d后路基未發生明顯沉降，路面平整，在降雨天氣邊坡未出現明顯裂縫。

5 結論

a）膨脹土吸水膨脹，失水收縮的特性使得邊坡在干濕循環下出現裂縫并快速發展，使得土體強度降低并在極限狀態下發生失穩。

b）添加垃圾焚燒飛灰和水泥混合的穩定劑對膨脹土具有良好的穩定效果，就該路段而言飛灰和水泥的最佳配比為1∶1，穩定劑的最佳摻入量為5%。

c）摻加5%穩定劑后使膨脹土回彈模量大幅提升，在4次干濕循環后能達到57.20 MPa，并且在干濕循環條件下回彈模量衰減變緩。