二灰土路面底基層材料配比試驗(yàn)研究

尤紅軍，韓 洋，劉佳男，海 龍，游志忠

（1.阜新蒙古族自治縣環(huán)境保護(hù)局；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.北京城建六建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101500）

二灰土路面底基層材料配比試驗(yàn)研究

尤紅軍1，韓 洋1，劉佳男1，海 龍2，游志忠3

（1.阜新蒙古族自治縣環(huán)境保護(hù)局；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.北京城建六建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101500）

二灰土用作高速公路底基層材料，既可保障底基層的強(qiáng)度要求，又可大量利用粉煤灰，還可降低石灰和土的使用量，對(duì)減輕粉煤灰排放危害、保護(hù)土地資源有重要意義。本文以遼河油田熱電廠粉煤灰、盤(pán)錦本地產(chǎn)石灰和風(fēng)砂土為試驗(yàn)材料，首先分析了二灰土材料強(qiáng)度的形成機(jī)理，然后闡述了二灰土原料的準(zhǔn)備工作，最后研究了二灰土的配合比設(shè)計(jì)方法，以期得到滿足高速公路底基層填料標(biāo)準(zhǔn)的材料配合比和施工指標(biāo)。

二灰土；底基層；材料配比；最佳含水率

我國(guó)是世界上最大的粉煤灰排放國(guó)，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，粉煤灰排放量呈逐年增加的趨勢(shì)[1]。粉煤灰的堆放不僅占用大量土地，給發(fā)電企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)壓力，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成重大破壞[2-3]。二灰土路面底基層是使用石灰、粉煤灰和土，按一定配合比，加水拌和、攤鋪、碾壓而成的底基層[4-5]。石灰和粉煤灰為膠凝材料，經(jīng)過(guò)一系列物理和化學(xué)作用與土結(jié)合為整體，既可保障底基層的強(qiáng)度要求，又可大量利用粉煤灰。各燃煤電廠排放的粉煤灰性質(zhì)上有諸多差異，適宜利用的方式也存在很大差別[6-9]。本文分析遼河油田熱電廠粉煤灰、盤(pán)錦本地產(chǎn)石灰和風(fēng)砂土的性質(zhì)，試驗(yàn)研究不同的原料比例關(guān)系、拌和水用量和混合材料壓實(shí)度等影響二灰土材料強(qiáng)度的因素，得到滿足高速公路底基層填料標(biāo)準(zhǔn)的材料配合比和施工指標(biāo)。

1 二灰土材料強(qiáng)度形成機(jī)理

采用二灰土做底基層或基層填料時(shí)，石灰與粉煤灰的比例常控制在1:4～1:2（一般粉土以1:2為宜），石灰粉煤灰與細(xì)粒土的比例常控制在30:70～90:10。石灰、粉煤灰和土充分混合后加水，將發(fā)生離子交換作用、碳酸化作用、結(jié)晶作用和火山灰作用。火山灰作用是石灰與土中活性的氧化硅和氧化鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成多水硅酸鈣和多水鋁酸鈣的過(guò)程，其反應(yīng)式為：xCa(OH)2+SiO2+（n-1）H2O→ xCaO·SiO2·nH2O；xCa(OH)2+Al2O3+（n-1）H2O→xCaO·Al2O3·nH2O，式中：x表示1或2。

火山灰反應(yīng)是在不斷吸收水分的情況下逐漸發(fā)生的，具有水硬性質(zhì)。粉煤灰中含有一定量的活性SiO2和Al2O3，故火山灰反應(yīng)是形成二灰土強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的主要因素。Ca(OH)2·nH2O所形成的立體結(jié)晶網(wǎng)格、結(jié)晶硅酸鈣(xCaO·SiO2·nH2O)和結(jié)晶鋁酸鈣(xCaO·Al2O3·nH2O)雖然不多，但這些膠凝物質(zhì)能夠在固體與水的二相環(huán)境下發(fā)生硬化，且這種作用隨時(shí)間的增長(zhǎng)持續(xù)發(fā)展，使二灰土的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高。另外，這些膠凝物質(zhì)在土的團(tuán)粒外圍形成一層穩(wěn)定的保護(hù)膜，具有很強(qiáng)的粘結(jié)力，可以把土團(tuán)粒膠結(jié)起來(lái)，這也是二灰土形成強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的基本因素。

2 二灰土原料的準(zhǔn)備

2.1 粉煤灰的基本性質(zhì)

試驗(yàn)用粉煤灰取自遼河油田熱電廠儲(chǔ)灰倉(cāng)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)破碎和篩分等處理。該粉煤灰顆粒較細(xì)、呈暗灰色，初步判斷含水率較少。其化學(xué)成分如表1所示。

表1 粉煤灰的化學(xué)組成

由表1可知，該粉煤灰主要化學(xué)組分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，占總量的87.15%，其屬于硅鋁型粉煤灰。該粉煤灰的其他性質(zhì)如表2所示。

按照我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB1596-2005的規(guī)定[10]，拌制水泥混凝土和砂漿時(shí)，做摻合料的粉煤灰成品應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。該粉煤灰為三級(jí)灰，價(jià)格低廉，適用于用作二灰土原料。

2.2 石灰的基本性質(zhì)

各種化學(xué)組成的石灰均可用于穩(wěn)定土，但是生石灰與土和粉煤灰中的水分接觸后會(huì)迅速結(jié)球，造成混合材料混合很不均勻。另外，生石灰容易水化，保存和運(yùn)輸?shù)臈l件控制較為嚴(yán)格，因此在路面底基層施工中應(yīng)盡量使用消石灰。本次試驗(yàn)所用消石灰為盤(pán)錦本地產(chǎn)鈣質(zhì)消石灰，符合III級(jí)消石灰的技術(shù)指標(biāo)[11]，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 粉煤灰的一般性質(zhì)

表3 消石灰的質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 土的基本性質(zhì)

各種成因的亞砂土、亞粘土、粉土和粘土都可以用石灰和粉煤灰聯(lián)合穩(wěn)定。我國(guó)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》要求宜采用塑性指數(shù)12～20的粘性土（亞粘土），土塊的最大粒徑不應(yīng)大于15 mm，有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)10%的土不宜選用[12]。本次試驗(yàn)用土取自盤(pán)山縣東郭鎮(zhèn)，處于大凌河?xùn)|岸高階地。該土為風(fēng)砂土，干燥狀態(tài)下外觀呈灰黃色、含砂粒多、結(jié)構(gòu)松散、有機(jī)質(zhì)含量少。使用光電式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定土樣的液塑限，結(jié)果如表4所示。

表4 風(fēng)砂土的液塑限試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，盤(pán)山縣東郭鎮(zhèn)風(fēng)砂土滿足公路路面底基層材料塑性指數(shù)、土塊最大粒徑和有機(jī)質(zhì)含量的要求，儲(chǔ)量豐富、取用方便，適宜作為二灰土原料。

3 二灰土的配合比設(shè)計(jì)

影響二灰土底基層強(qiáng)度的因素，有內(nèi)因和外因兩方面。內(nèi)因有土質(zhì)、石灰等級(jí)、粉煤灰品質(zhì)、混合料配比、含水率與密實(shí)度等；外因有養(yǎng)護(hù)時(shí)間、環(huán)境溫度和濕度、機(jī)械壓實(shí)方式和工藝指標(biāo)、行車(chē)作用等。在二灰土的配比設(shè)計(jì)中，首先需要用重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定不同配比條件下混合料的含水率與干密度的關(guān)系，從而確定各種配比混合料的最佳含水率和最大干密度。試驗(yàn)4種材料配比方案，消石灰：粉煤灰：風(fēng)砂土的干質(zhì)量比分別為6:12:82、6:18:76、8:16:76和8:24:68。混合時(shí)先將粉煤灰和消石灰充分混合后再與風(fēng)砂土混合。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到各種配比混合料的最佳含水率和最大干密度，然后按照各種配比的最佳含水率，按壓實(shí)度為95%的標(biāo)準(zhǔn)制備多組試樣，放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。各種配比的重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 各配比二灰土的擊實(shí)曲線

試驗(yàn)得出方案1的最佳含水率為16.1%，最大干密度為1.748 g/cm3；方案2的最佳含水率為17.5%，最大干密度為1.685 g/cm3；方案3的最佳含水率為17.9%，最大干密度為1.650 g/cm3；方案4的最佳含水率為19.6%，最大干密度為1.543 g/cm3。

在二灰土的最佳含水率條件下制備95%壓實(shí)度的試件，浸水養(yǎng)護(hù)7 d后測(cè)得單軸抗壓強(qiáng)度如表5所示。

表5 95%壓實(shí)度時(shí)二灰土的抗壓強(qiáng)度

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，二灰土底基層材料的7 d浸水抗壓強(qiáng)度需不小于0.6 MPa[12]。由試驗(yàn)結(jié)果可知，配比為消石灰：粉煤灰：風(fēng)砂土=6:12:82的二灰土最佳含水率為16.1%左右，壓實(shí)度95%以上的單軸抗壓強(qiáng)度為0.71 MPa，可作為高速公路底基層填料；配比為消石灰：粉煤灰：風(fēng)砂土=8:16:76的二灰土也可作為高速公路底基層填料，最佳含水率為17.9%左右，壓實(shí)度需要控制在95%以上。

4 結(jié)論

火山灰反應(yīng)是形成二灰土強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的主要因素，二灰土的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)而增強(qiáng)；遼河油田熱電廠粉煤灰為硅鋁型二級(jí)粉煤灰，盤(pán)錦一般土為典型細(xì)顆粒風(fēng)砂土，有機(jī)質(zhì)含量少。兩種材料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，適宜作為二灰土原料；配比為消石灰:粉煤灰:風(fēng)砂土=6:12:78的二灰土作為高速公路底基層填料，最佳含水率為16.1%左右，壓實(shí)度需要控制在95%以上；配比為消石灰:粉煤灰:風(fēng)砂土=8:12:84的二灰土也可作為高速公路底基層填料，最佳含水率為17.9%左右，壓實(shí)度需要控制在95%以上。

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11 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.JC/T481-2013建筑消石灰粉[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

12 中華人民共和國(guó)交通部.JTJ034-2000 公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2000.

Test and Research on Mixture Ratio of Base Material of Lime Soil Pavement

You Hongjun1,Han Yang1,Liu Jianan1,Hai Long2,You Zhizhong3
(1.Environmental Protection Agency of Fuxin Mongolian Autonomous County; 2.School of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 3.Beijing Urban Construction 6 Group Co.,Ltd.,Beijing 101500,China)

Lime soil used as the base material of expressway can not only ensure the strength of the basement but also make extensive use of fly ash.It can also reduce the amount of lime and soil used,and it is important to reduce the harm of fly ash and protect the resources of the land significance.In this paper,Liaohe Oilfield Thermal Power Plant fly ash,Panjin local production of lime and wind sand as the test material,first of all,the formation of lime-limestone material strength mechanism,and then elaborated the preparation of lime-lime soil raw materials,the final study of lime-lime soil mix design Method,in order to get the material to meet the highway filling standards and construction indicators.

lime soil; subsoil; material ratio; optimum moisture content

U41604

A

1008-9500(2017)11-0035-04

2017-09-12

尤紅軍（1970-），男，遼寧阜新人，工程師，從事環(huán)境災(zāi)害防治和工業(yè)固體廢棄物綜合利用的研究工作。