杜延軍 劉松玉 覃小綱 魏明俐 吳繼峰，2

(1東南大學(xué)巖土工程研究所，南京210096)

(2江蘇鴻基科技有限公司，南京210008)

江蘇常州某繞城高速公路地處長江三角洲地帶，周邊缺乏優(yōu)質(zhì)路基填料.為避免外地調(diào)運推高建設(shè)成本，同時節(jié)約本地耕地資源，擬選用京杭大運河開挖土作為路基填料.這種土在長三角和太湖沖積平原地帶大量分布，其天然含水率(多不低于30%)雖未達(dá)到液限，但大大高于最優(yōu)含水率(一般在14% ～17%)，且土中黏粒含量較多，工程中稱之為過濕土[1].過濕土難以碾壓擊實，強行碾壓后的過濕土填料可能會導(dǎo)致路基遇水崩塌、干縮開裂等病害，因此需經(jīng)一定技術(shù)處治才能用作填料.

石灰作為不良填料的固化穩(wěn)定劑，已在工程實踐中得到廣泛的應(yīng)用和研究.但是石灰穩(wěn)定土中的CSH凝膠收縮后可能引起路基開裂[2]，其穩(wěn)定效果也隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而衰弱[3]，可能導(dǎo)致路面反射裂縫或路基失穩(wěn)等病害.另外，石灰施工時易揚塵，影響周邊環(huán)境.而采用工業(yè)廢渣作為筑路材料，不僅造價低，且能解決廢渣的存儲和污染問題，逐漸成為研究應(yīng)用的熱點.方祥位等[2]、孫樹林等[4-5]分別以不同的工業(yè)廢渣為主要原料研發(fā)了新型土壤固化劑，對軟土、黃土和膨脹土取得了較好的改性效果;龐巍等[6]探討了采用電石灰改良濱海地區(qū)鹽漬土路基的可行性.

電石渣是電石水解獲取乙炔氣時生成的廢渣，主要成分為氫氧化鈣.由于具有高堿性，長期堆放易造成土地鈣化、污染周邊水土.采用電石渣改良過濕黏土作為路基填料，可望滿足路基填土的路用性能要求，并解決電石渣露天堆放導(dǎo)致的環(huán)境污染.基于此，本文通過在常州西繞城高速F匝道現(xiàn)場填筑試驗段分別測定電石渣和石灰改良路基的CBR、回彈模量和貫入阻力等力學(xué)指標(biāo)，對比分析2種改良劑對路基填土力學(xué)性能的影響規(guī)律，對電石渣改良過濕黏土路基填料的有效性進行驗證.

1 電石渣性質(zhì)和穩(wěn)定原理

電石渣取自江蘇常飛乙炔制造公司.采用氮吸附分析儀、馬爾文激光粒度儀和X射線熒光光譜儀等分別測定電石渣和生石灰的化學(xué)成分、粒度分布等特性指標(biāo)，如表1和表2所示.由表可見，電石渣中鈣含量與生石灰基本一致，SiO2和Al2O3含量略高于生石灰.電石渣中粒徑小于74 μm的顆粒含量明顯多于生石灰，74 μm以上的顆粒含量僅約為生石灰的一半，比表面積遠(yuǎn)高于生石灰，約為后者的5倍.

表1 改良劑的主要化學(xué)成分 %

表2 改良劑的主要物理化學(xué)指標(biāo)

上述結(jié)果表明，和生石灰比較，電石渣也具備離子交換、火山灰反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)和結(jié)晶反應(yīng)所需的Ca2+，并且能提供堿性激發(fā)環(huán)境以促進火山灰反應(yīng)的進行;同時，電石渣比表面積更大，利于促進上述物理化學(xué)反應(yīng)的充分進行.因此，只要施工前采取合適的翻拌和晾曬措施，將電石渣的含水率(約60%)降至符合施工要求的水平，并避免長時間與空氣中的CO2發(fā)生碳化，電石渣就能夠與過濕土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，改善過濕土路基填料的工程性質(zhì).

2 現(xiàn)場試驗方案

2.1 試驗段概況

所用過濕黏土的物理指標(biāo)如表3所示.該土樣的細(xì)粒含量占97.5%，液限低于50%，塑性指數(shù)為17.9，屬于低液限黏土，其天然含水率未達(dá)液限但明顯高于最優(yōu)含水率，難以碾壓擊實，且CBR小于8%，無法直接用作路基填料.

表3 試驗段過濕黏土的物理指標(biāo)

試驗段總長100 m，路堤填筑高度為1.6～2.6 m，94區(qū)和96區(qū)各分4層填筑，每層壓實厚度約20 cm.試驗層為路堤中部的94區(qū)④ 層和96區(qū)①層，電石渣摻量(電石渣干重與素土干重比)和生石灰摻量(生石灰重與素土干重比)分別為5%和6%.路基斷面見圖1.施工前，為防止現(xiàn)場堆放的電石渣因長期暴露于空氣發(fā)生碳化，需在其表面覆蓋密封薄膜.由于電石渣含水量較高(約60%)，需翻曬降低含水量至接近最優(yōu)含水率后再與素土拌和.施工工藝與石灰穩(wěn)定填料相同，采用路拌法施工.分層碾壓時，按照《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[7]要求控制壓實度(路床壓實度大于等于96%，上路堤壓實度大于等于94%).試驗層養(yǎng)護17 d后進行后續(xù)施工，期間第8～14 d天氣為中雨.

圖1 試驗段路基橫斷面示意圖

2.2 試驗方法

依照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》[8]，在 0，7，17 d齡期時[8]分別開展土基CBR試驗、承載板法測定回彈模量試驗和動力錐貫入測試.測點布置如圖2所示(C4和D4測點僅進行了貫入阻力測試).

圖2 測點平面布置圖(單位:m)

2.2.1 土基CBR試驗

平整測點周圍土表，安裝貫入桿、千斤頂、支架平臺、百分表和承載板等測試設(shè)備，由載重汽車提供反力.用45 N貫入荷載清零測力計和百分表，啟動千斤頂使貫入桿以1 mm/min的速度壓入土基，達(dá)到規(guī)定貫入量時讀取測力計讀數(shù)，繪制并修正壓強-貫入量曲線，讀取規(guī)定的荷載壓強P，按下式確定現(xiàn)場CBR:

式中，P0為對應(yīng)貫入度的標(biāo)準(zhǔn)壓力.

2.2.2 承載板法測試回彈模量試驗

平整土基表面，安裝承載板、千斤頂?shù)燃虞d設(shè)備，確保千斤頂和襯墊物安裝垂直，之后安放彎沉儀，采用逐級加載卸載的方法，測出每級荷載下相應(yīng)的土基回彈變形值，按下式計算土基回彈模量:

式中，μ0為土的泊松比，取0.35;D為承載板直徑，本次試驗中D=30 cm;pi為承載板壓力，MPa;Li為對應(yīng)的回彈變形，cm.

2.2.3 動力錐貫入測試

動力錐貫入儀(DCP)的落錘質(zhì)量m=10 kg，錐尖角度為60°，落距h=1 m.安放探桿時保持豎直，讓落錘從探桿頂端自由下落.每擊打5次讀一次數(shù)，記錄貫入量.連續(xù)擊打，直至貫入至所需的深度.動力錐貫入指數(shù)(DCPI)和土體貫入阻力(Rs)計算公式如下:

式中，ΔDp為貫入深度，mm;ΔBc為對應(yīng)的錘擊數(shù);Pd為錐頭貫入距離，cm;Ws為土體反力所做的功，J;g為重力加速度，m/s2;v0為落錘的初始速度，m/s(本試驗中為0);v為落錘的速度，m/s.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 土基CBR

土基CBR值反映了路基抗局部剪力的性能，是衡量路基填料強度的重要指標(biāo)[9].以94區(qū)④ 層為例，不同齡期下各測點的土基CBR如圖3所示.可見，0 d時電石渣穩(wěn)定填料的CBR和生石灰穩(wěn)定填料較為接近，均值都為45左右;7 d時，2種改良填料的CBR值有不同程度的提高，其中電石渣穩(wěn)定填料的改良效果更明顯，CBR均值為117，高于石灰穩(wěn)定填料的97;17 d時，由于降雨入滲引起路基填料含水量增加(水穩(wěn)性降低)，并可能導(dǎo)致穩(wěn)定填料中鈣離子溶出，進而抑制電石渣(或生石灰)與填料土的火山灰反應(yīng)[3，10]，因此填料 CBR 下降.對比而言，電石渣穩(wěn)定填料的CBR均值降至99，高于石灰穩(wěn)定填料的77，表明電石渣穩(wěn)定填料的局部抗剪切能力要優(yōu)于石灰穩(wěn)定填料.

圖3 土基CBR隨齡期的變化

3.2 回彈模量

圖4 回彈模量隨齡期的變化

回彈模量是路基路面設(shè)計的重要參數(shù)之一[11].以94區(qū)④ 層為例，不同齡期下各測點的回彈模量(Mr)如圖4所示.可見，養(yǎng)護初期，2種穩(wěn)定填料的Mr基本相同;養(yǎng)護至7 d時，電石渣穩(wěn)定填料的Mr明顯增大，均值約為養(yǎng)護初期的2倍.7 d后由于降雨阻礙了改良反應(yīng)，Mr并未隨齡期持續(xù)增長，17 d時較7 d時略有降低.已有研究表明[12]，浸水在養(yǎng)護初期利于改良反應(yīng)的進行，14 d后則呈明顯的副作用，并導(dǎo)致回彈模量減小.相較于養(yǎng)護初期，17 d時電石渣穩(wěn)定填料的Mr均值仍增大了53%.對比而言，石灰穩(wěn)定填料的抗回彈性能在養(yǎng)護期間的變化較小，7 d和17 d時其均值僅增加14%和8%.可見，電石渣穩(wěn)定填料的抗回彈性能要明顯優(yōu)于石灰穩(wěn)定填料.

3.3 動力錐貫入試驗

動力錐貫入試驗可簡單有效地判定路基材料的力學(xué)性能.以94區(qū)④層為例，不同齡期下各測點的貫入指數(shù)(DCPI)值如表4所示.

表4 不同齡期下各測點DCPI值

圖5 不同齡期時貫入阻力對比

養(yǎng)護初期，電石渣穩(wěn)定填料的DCPI略大于生石灰穩(wěn)定填料;至17 d時，電石渣穩(wěn)定填料的DCPI為2.3 ～3.1，低于石灰穩(wěn)定填料的3.0 ～5.4.材料剛度越高，其DCPI越低[13].這與圖5中貫入阻力隨齡期的變化規(guī)律一致.養(yǎng)護初期各測點Rs約在20 kJ/m以下;降雨后Rs有所下降，但17 d時電石渣穩(wěn)定填料的Rs較0 d時仍有提高，而生石灰穩(wěn)定填料在17 d時僅與0 d時基本相同.這也表明，隨著齡期增長，電石渣穩(wěn)定填料的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性均優(yōu)于生石灰穩(wěn)定填料，該結(jié)論與作者開展的室內(nèi)試驗結(jié)論[14]一致.

3.4 相關(guān)性分析

結(jié)合貫入試驗，通過DCPI-CBR和DCPI-Mr的相關(guān)性換算路基材料的力學(xué)參數(shù)是近年的研究熱點.盡管有研究表明，在DCPI與CBR或Mr的相關(guān)性公式中加入路基填料的物理特性指標(biāo)(例如干密度、液塑限等)可適度提高相關(guān)關(guān)聯(lián)度[15]，但建立DCPI與CBR或Mr的對數(shù)相關(guān)性則具有更好的工程可操作性[13]，我國《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》[8]也推薦 DCPI與 CBR或 Mr為對數(shù)相關(guān)關(guān)系.據(jù)此，本研究采用對數(shù)方程擬合2種穩(wěn)定填料試驗層位各測試點處的DCPI與CBR和Mr的相關(guān)性，結(jié)果如圖6所示.受各測點處含水率、施工和測量誤差等因素影響，各組實測數(shù)據(jù)均有一定程度的離散.盡管CBR和動力貫入試驗方法不同，但兩者本質(zhì)上測量的是同一種性質(zhì)[16]，故2種填料的DCPI與CBR的相關(guān)性均較高.Mr和DCPI表征了材料的不同性質(zhì)，上述影響因素對兩者的作用規(guī)律不盡相同，故DCPI與Mr的相關(guān)性較低.這與文獻(xiàn)[13]的規(guī)律相一致.對比而言，生石灰改良填料相關(guān)性(R2=0.099)明顯低于電石渣改良填料(R2=0.594).

圖6 試驗結(jié)果相關(guān)性

4 經(jīng)濟和社會效益分析

采用電石渣作為改良劑穩(wěn)定過濕黏土路基填料不僅具有良好的工程特性，還具有顯著的經(jīng)濟和社會環(huán)境效益.表5為采用不同改良劑方案的成本對比.可見，由于電石渣的單價不足生石灰的1/10，可以大幅降低工程成本.另一方面，石灰施工時有嚴(yán)重的揚塵現(xiàn)象，易對施工人員的健康和周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響;而電石渣施工時無揚塵(見圖7)，避免了上述問題.此外，生產(chǎn)1 t生石灰需釋放0.8 t CO2，大量使用生石灰不利于減少溫室氣體排放;而電石渣是獲取乙炔時生產(chǎn)的廢渣，其生產(chǎn)過程中CO2排放少.采用電石渣作為穩(wěn)定劑，符合國家二氧化碳減排和廢棄物循環(huán)利用的政策.

表5 電石渣和生石灰的成本對比

圖7 電石渣和石灰施工揚塵對比

5 結(jié)論

1)電石渣的含Ca2+量和堿性激發(fā)能力與生石灰相近，但比表面積遠(yuǎn)大于生石灰，更利于改良土內(nèi)的離子交換和火山灰反應(yīng)等物理化學(xué)反應(yīng)的充分進行.

2)在相同摻量下，隨著齡期增長，電石渣穩(wěn)定填料的水穩(wěn)定性更佳，CBR和Mr等力學(xué)指標(biāo)改善顯著且性能較均勻，與DCPI相關(guān)性較高，明顯優(yōu)于石灰穩(wěn)定填料.

3)電石渣的工程成本低，不足生石灰的1/10;且生產(chǎn)過程中CO2排放少、施工中無揚塵，利于節(jié)能減排、保護環(huán)境.

4)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，采用電石渣穩(wěn)定過濕黏土路基填料，具有良好的工程應(yīng)用前景和顯著的社會經(jīng)濟效益.

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