石灰-粉煤灰固化黃土配合比設計及力學性能評估

翟花鋒　董鵬飛

摘要：濕陷性黃土在我國分布廣闊，具有承載力低、壓縮性大及水敏感度高等不利工程特性。在黃土路基修筑時，采用合理配合比的石灰-粉煤灰來固化黃土，不僅可以提高路基的工程性能，還能取得經濟、環保的雙重效益。本論述結合工程實際和相關規范，對不同配合比的石灰及石灰-粉煤灰固化黃土進行加州承載比試驗和靜回彈模量試驗以確定石灰-粉煤灰穩定黃土在路基填筑中的配合比。試驗結果顯示，當石灰-粉煤灰固化黃土配合比為2%石灰+3.84%粉煤灰時，可以兼顧經濟、環保及工程質量等多重要素。此外，還提出了路基力學指標預測模型，可為路基長期工程質量評估提供參考。

關鍵詞：黃土路基；石灰-粉煤灰；配合比；預測模型

中圖分類號：U414???????????????????????????? 文獻標志碼：A

0引言

在我國，黃土的分布面積約為630000 km2，主要集中在黃土高原地區，其覆蓋厚度為100 m ～300 m 。在工程領域，黃土因其承載力較低、壓縮性較大、水敏感性較高被歸入問題土類[1]。因此，在黃土地區修筑路基時，需要對黃土采取加固措施以提高其承載力并減小其壓縮變形。

黃土的加固措施可分為兩大類，即物理加固和化學加固。對于一般土類，通常通過物理加固即可滿足工程需求。而對于黃土，需要物理加固和化學加固相結合。目前，常用的化學加固劑有石灰、水泥、粉煤灰及礦渣等[2]。石灰因其價格便宜、施工簡單、加固效果穩定而常用于黃土加固，其使用歷史已超過一千年。隨著工業的發展，諸如粉煤灰和高爐礦渣等工業副產品引起了一系列環境問題。隨著公眾對環境問題的日益重視，工程領域對工業廢渣的回收利用研究取得了巨大突破。研究發現：在石灰加固土中摻入粉煤灰不僅可以改善其強度，抗凍性能也顯著提升。這種力學性能的提升除了粉煤灰的填充作用外，主要歸因于加入粉煤灰后所產生的一系列化學反應。在石灰-粉煤灰固化土中，石灰作為激發劑在孔隙水中形成了堿性環境，粉煤灰中含有豐富的二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）及氧化鐵（Fe2O3）等，在這個堿性環境中發生了一系列火山灰反應，生成水化硅酸鈣、氯酸鈣及鐵酸鈣等膠凝產物，將固化土中的固體顆粒粘合在一起，從而使黃土力學性能顯著提升。隨著養護時間的推移，這些膠凝產物逐漸硬化，固化土的力學性能進一步提升[3]。

學者們對石灰-粉煤灰固化黃土的研究較多，這些研究主要針對某個影響因素對某個力學性能本身的影響，很少結合相關工程實際或規范。對于不同的工程項目，其質量評估所采用的力學指標不盡相同，所摻入的結合料含量也各異[4]。比如，路面基層質量的衡量指標為無側限抗壓強度和劈裂強度，所用的結合料含量一般為20%～30%；路基和地基所用的力學指標一般為承載力和局部變形，所摻入的結合料含量一般低于10%；在邊坡穩定性實驗計算中，抗剪強度又是其中一個關鍵參數，所用的結合料含量也低于10%。以上這些要素在很多文獻中沒有被考慮到。此外，學者們在石灰粉煤灰配合比的研究中總是以達到最大力學指標值為目標而確定配合比，沒有考慮經濟因素。

基于以上問題，本論述結合工程實際及相關規范，通過加州承載比試驗和靜回彈模量試驗對石灰-粉煤灰固化黃土及石灰固化黃土的加州承載比（CBR）及靜回彈模量（MR ）進行研究。通過力學性能對比，確定石灰-粉煤灰固化黃土在路基填筑中的配合比，以期取得經濟、環保、工程性能提升的多重效益，并建立數學模型，對石灰-粉煤灰固化黃土路基的力學性能進行預測。

1試驗材料及方法

1.1試驗材料

（1）黃土

用于試驗的黃土取自蘭州市安寧區某基坑，基坑深度約8 m，黃土的天然含水量約3%。制樣前，將黃土風干、碾壓然后過0.5 mm孔篩以提高黃土粒徑的均一性。測得黃土的液限為24.3%，塑限為11.2%，比重為2.71。

（2）石灰和粉煤灰

用于試驗的石灰和粉煤灰購自河南省某化學品公司，比重分別為2.41和2.26，石灰和粉煤灰的化學組分見表1所列。

1.2試樣制備

石灰固化黃土歷史悠久，施工經驗豐富，《黃土地區公路路基設計與施工技術規范》（JTGT D31-05-2017）建議在黃土路基處理中，熟石灰的用量為8%[5]，因此石灰穩定黃土中，石灰摻量范圍為：4%、6%、8%、10%和12%。石灰-粉煤灰穩定黃土中，石灰（L ）和粉煤灰（F ）的摻量組成為：2% L +2% F、2% L +4% F、2% L +6% F、2% L +8% F、2% L +10% F 及4% L +2% F、4% L +4% F、4% L +6% F、4% L +8% F。加州承載比和靜回彈模量試驗所用試樣尺寸一致，其高度為120 mm、直徑為152 mm 。試樣制備前，先對各配合比土樣進行重型標準擊實試驗以確定其最大干密度（MDD ）和最優含水量（OWC），見表2所列。由表2可見，這3類固化土的 MDD 均隨結合料含量的增大而減小，其 OWC 隨結合料含量的增大而增大。所有試樣均采用重型擊實法制備，各配比試樣在其最優含水率下分3層擊實以確保試樣整體的均勻性，每層50擊，這樣試樣的壓實度可達95%以上。制樣制備完成后，用塑料薄膜將其包裹，置于恒溫箱中分別養護7 d、14 d、28 d、60 d、90 d 及180 d。為提高試驗結果的可靠度，試驗中采用3個平行試樣。

1.3試驗方法

（1）加州承載比試驗

按照《公路土工試驗規程》（JTG E40-2020）開展試驗[6]。將養護達到規定齡期的試樣浸泡96 h 后放入 CBR 試驗儀上，加載后記錄貫入量為2.5 mm 和5 mm 時的壓力值，取貫入量2.5 mm 和5 mm 中較大的 CBR 值作為該組配合比試樣的 CBR。

（2）回彈模量試驗

參照《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）[6]，鑒于本試驗為固化土，試驗中將最大單位壓力調整為800 kPa，將最大壓力分6級在杠桿壓力儀上對試樣分級施加荷載，記錄每級荷載作用下的回彈變形，最后計算每級荷載作用下的 MR。

2結果與分析

2.1確定配合比

本論述以《黃土地區公路路基設計與施工技術規范》（JTGT D31-05-2017）中推薦的8%石灰固化黃土為基準[5]，通過力學等效原理，確定石灰-粉煤灰固化黃土在路基加固中的配合比。對于齡期為7 d 和28d 的石灰固化黃土與石灰-粉煤灰固化黃土，其 CBR 隨結合料含量增長趨勢如圖1所示。由圖1可見，當結合料含量相同時，這3種固化土中，2%石灰-粉煤灰固化黃土 CBR 值最大，石灰固化黃土 CBR 值最小。這是因為在石灰固化土中，參與火山灰反應的 SiO2、Al2O3及 Fe2O3等主要來自于黃土，其含量較小；而在石灰-粉煤灰固化黃土中，粉煤灰的加入不僅進一步填充了固化土的內部孔隙，而且引入了大量 SiO2、Al2O3及 Fe2O3等，其火山灰反應較石灰固化土更加劇烈，所產生的膠凝產物也更多。因此在結合料含量相同時，石灰-粉煤灰固化黃土的 CBR 值比石灰固化黃土的 CBR 值更高。此外，研究表明：在石灰固化土中，創造滿足火山灰反應的堿性環境所需的最小石灰含量為3%[7]，且粉煤灰也是堿性的，因此在2%和4%石灰-粉煤灰固化黃土中所形成的堿性環境均能滿足火山灰反應要求，但是當結合料含量相同時，2%石灰-粉煤灰固化黃土中所含的反應物較4%石灰-粉煤灰固化黃土更多，而且石灰具有親水性，能吸附更多參與火山灰反應的水分，因此2%石灰-粉煤灰固化黃土的 CBR 值大于4%石灰-粉煤灰固化黃土的 CBR 值。對于每個齡期的固化黃土，其 CBR 值與結合料含量間呈線性關系。基于 CBR 值與結合料含量間的線性關系，建立了兩種石灰-粉煤灰固化黃土結合料間的換算關系，如圖1所示。基于此換算關系得出：對于2%石灰-粉煤灰固化黃土，其CBR 與養護7 d 和28d 8%石灰固化黃土的CBR 相同時，所需的粉煤灰摻量分別為3.21%和3.84%；對于4%石灰-粉煤灰固化黃土，其CBR 與養護7 d 和28 d 8%石灰固化黃土的CBR 相同時，所需的粉煤灰摻量分別為2.37%和2.44%。

齡期為7 d 和28 d 的石灰固化黃土與石灰-粉煤灰固化黃土 MR 隨結合料含量的變化關系如圖2所示。

由圖2可以看出，這3種固化黃土 MR 值與結合料含量間也呈線性關系，并且當結合料含量相同時，2%石灰-粉煤灰固化黃土 MR 值最大，石灰固化黃土 MR 值最小。同樣，基于獲得相同的 MR，建立了2種石灰-粉煤灰固化黃土結合料間的換算關系。由換算關系可以得出：對于2%石灰-粉煤灰固化黃土，其 MR 與養護7 d 和28 d 8%石灰固化黃土的 MR 相同時，所需的粉煤灰摻量分別為0.61%和2.2%；對于4%石灰-粉煤灰固化黃土，其 MR 與養護7 d 和28 d 8%石灰固化黃土的MR 相同時，所需的粉煤灰摻量分別為0.42%和0.77%。

綜合3種固化黃土的兩個主要的路基評估指標（CBR 和MR ）的對比結果，可以得出：當石灰-粉煤灰固化黃土配合比為2%石灰+3.84%粉煤灰可以兼顧工程質量及經濟雙方面效益。

2.2力學性能預測

鑒于以上結論，本節只開展2%石灰-粉煤灰固化黃土 CBR 及 MR 的預測研究。固化土的力學性能一般受到養護齡期、固化材料類別與含量、密實度及養護環境等因素的影響。7 d 和28 d 齡期是評估固化土力學性能的重要時間節點，因此，本論述選用固化黃土7 d 和28 d 齡期的力學指標數值為參考值，將每一配比的固化黃土各齡期的力學指標值除以其7 d 或28d 時的力學值（標準化處理），得到各力學指標的標準值；標準化處理消除了固化黃土中土的類型、密度及養護環境的影響，因此，標準化處理后，2%石灰-粉煤灰固化黃土 CBR 及MR 的影響因素只有養護齡期 T 。在大多數文獻中，一般采用對數函數來捕捉固化土力學性能與養護齡期間的關系，但是，采用對數函數預測力學性能時存在一些不足：（1）當養護期為1 d 時，對數函數所計算的力學指標值為0，這與實際不符；（2）對數函數隨因變量呈現持續增長趨勢，但對于固化土而言，當齡期達到一定值時，其力學指標值會趨于某個固定值，因而從長遠來看，采用對數函數進行固化土力學指標預測是不合理的。鑒于此，本論述采用經標準化處理后的雙曲線函數進行2%石灰-粉煤灰固化黃土 CBR 及MR 的預測[8]，如式1和2所示。

式中，CBRt和 MR，t 為某一齡期的 CBR和MR；CBRr和 MR，r 為參考的 CBR 和MR，r一般為7 d或28 d；T0為參考養護期，其數值和 r一致；α、β、γ為回歸系數。

通過對試驗數據的回歸擬合，分別對公式1和2中擬合系數的值進行求解，如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出，基于公式1和公式2對試驗數據進行回歸擬合，相關系數（R2）均達到0.98以上。因此，基于7 d 和28 d 的 CBR 和MR，采用標準化處理的雙曲線模型可以很好地捕捉2%石灰-粉煤灰固化黃土隨齡期的變化趨勢。在工程應用中，可以根據路基填筑后7 d或28 d力學指標（CBR 和MR ），采用本論述提出的預測模型對路基長期的工程質量進行估算。

3結束語

本論述對不同配合比的石灰固化黃土及石灰-粉煤灰固化黃土進行了一系列加州承載比試驗和靜回彈模量試驗，得出以下結論：

（1）通過與8%石灰固化黃土 CBR 與MR 值對比，得出當石灰-粉煤灰固化黃土配合比為2%石灰+3.84%粉煤灰時，可以兼顧經濟、環保及工程質量多方面要素；

（2）采用標準化修正的雙曲線模型可以很好地捕捉2%石灰-粉煤灰固化黃土的 CBR 和 MR 隨齡期的變化趨勢，可以應用該模型，根據路基養護7 d 或28d 的力學指標值，對長期力學指標進行估算。

參考文獻：

[1] 張亞國，梁偉，郭松峰，等.黃土孔隙結構演化對其土-水特性影響分析[J].工程地質學報，2022，30（6）：1998-2005.

[2] 王浩然，楊卓，紀曉彬，等.改良黃土的強度特性研究[J].江蘇建材，2021（6）：20-23.

[3] 周小虎.石灰粉煤灰穩定黃土的無側限抗壓強度研究[J].中國建材科技，2021，30（5）：90-93.

[4] 楊斐斐.灰土擠密樁加固濕陷性黃土路基效果分析[J].新疆有色金屬，2022，45（4）：11-12.

[5] 黃土地區公路路基設計與施工技術規范.JTG-T D31-05-2017[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.

[6] 公路土工試驗規程. JTG 3430-2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[7] 韓文軍.石灰粉煤灰穩定黃土基層的力學性能試驗研究[D].蘭州理工大學，2022.

[8] 王妍.養護齡期對石灰改善黃土工程特性影響的試驗研究[D].西安：長安大學，2012.