1. 引言
随着国民经济的不断发展,城市内的各种结构纷纷拔地而起,大量的工程渣土也源源不断地产生。而随着环境保护政策的不断推进,这些渣土正面临着无处安放的境地,而筑路所需要的优质碎石却被限制开采。将工程渣土改良后用作路基路面材料势必带来巨大的技术、经济和环保效益,对促进城市可持续发展具有重要的意义。
工程建设开挖出来的渣土多为细颗粒的粉土或黏土。近年来,在沿海或平原地区公路建设中,细颗土改良后用作路基路面材料深受重视,但在实际工程中以路基填筑 [1] [2] [3] [4] 为主,针对路面基层的研究比较少。尤红军 [5] 通过试验研究了二灰土用作路面基层的配合比,黄新 [6] 探讨了水泥稳定细砂用于路面基层的可行性;胡朝辉 [7] 在对水泥稳定粉砂土进行试验的基础上,研究了稳定土的强度构成;京福高速公路采用三灰土(石灰 + 粉煤灰 + 水泥)作为路面底基层,杜学玲 [8] 研究了三灰土的合理配合比。程兆民 [9] 分析了稳定土基层的施工要点。这些研究为细粒土的工程应用提供了基础。
绍兴位于杭州湾北岸,钱塘江畔,景色优美,是中国优秀的旅游城市。近年来城市建设产生的渣土大量增加,而受环境保护的影响,碎石等地质材料的开采被严格限制。将工程渣土合理利用对绍兴的发展具有举足轻重的影响。为此,本文以绍兴盖北镇的粉质黏土为研究对象,分别采用石灰、水泥以及石灰 + 水泥为结合料,开展了稳定土的强度特性试验,并分析了改良后用于路面基层或底基层的可行性,为实现工程渣土处理的路用资源化提供技术支撑。
2. 试验土样的基本特性
试验所用的土样取自绍兴盖北镇新东线公路工程。土样呈黄褐色粉砂状,取回后以《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020) [10] 为依据,先后开展了筛分、击实、液塑限、比重、加州承载比以及直剪试验,获得了土样的基本物理力学参数,试验结果见图1和表1。由此可得,该土样的不均匀系数为Cu = 8.3,曲率系数Cc = 0.75,部分粒组(0.01~0.04 mm)缺乏,粒径大于0.075 mm的土颗粒占总质量的68%,结合土样的塑性指数(IP = 14.2)分析可知,该土样为级配不良的粉质黏土;土样具有一定的抗剪强度,但浸水条件下的CBR值较低。
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Figure 1. Grading curve of silty clay
图1. 粉质黏土的级配曲线
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Table 1. Basic physical and mechanical parameters of silty clay
表1. 粉质黏土的基本物理力学参数
3. 稳定粉质黏土的强度试验
为了将该粉质黏土用于路面基层或底基层,拟以石灰、水泥以及石灰 + 水泥作为结合料对其进行改良。单掺石灰或水泥时,掺量为0%、2%、4%、6%、8%、10%,石灰、水泥双掺时,考虑三种组合:2% + 2%、3% + 3%、4% + 4%。石灰采用三级灰、水泥采用普通硅酸盐水泥(PO.32.5)。先完成三种方案下稳定土的击实试验,获取不同处治方案下的最优含水率,再据此制样,开展承载比试验、无侧限抗压试验和直剪试验,以获得稳定土的强度变化规律,为该土体的充分利用提供依据。
3.1. 不同改良方案下的最佳含水率
试验采用重型击实法进行(图2)。由每种掺量下的击实试验可以获得相应的最大干密度和最佳含水率,再将最佳含水率、最大干密度与结合料掺量的关系绘制成曲线图,如图3和图4所示。分析可知,当在粉质黏土中掺入2%的石灰或水泥后,土样的最佳含水率出现了近2%的增量,但随着石灰或水泥掺量的进一步增加,土样的最佳含水率反而出现下降,但下减幅度逐渐减小;当掺量大于2%后,相同掺量下水泥稳定土的最佳含水率大于石灰稳定土。石灰和水泥双掺时(图中的掺量是总掺量),其最佳含水率与单掺石灰时相差不大。最大干密度基本上随结合料掺量的增加而增大,但石灰稳定土的最大干密度较水泥稳定土的最大干密度稍大,石灰水泥双掺时的最大干密度与单掺石灰时相当。
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Figure 3. Relation curve of optimum water content and binder content
图3. 最佳含水与结合料掺量的关系曲线
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Figure 4. Relation curve between maximum dry density and binder content
图4. 最大干密度与结合料掺量的关系曲线
3.2. 加州承载比(CBR)
加州承载比是评价材料浸水后抵抗局部破坏的能力,也是路基路面材料需要重点考察的能力。不同方案下的稳定粉质黏土承载比试验(图5)结果见图6。可以看到,当粉质黏土采用水泥改良后,其抵抗局部破坏的能力(CBR值)较素土有了大幅提升,且随着水泥掺量的增加CBR值也稳定提高;采用石灰改良时,当石灰的掺量较小时,CBR值增加幅度较小,随着石灰掺量增大后,土样的CBR值的增幅加大,当掺量达到10%时,石灰稳定土样的CBR值已经和水泥稳定土样的CBR值接近;但在相同掺量下,水泥稳定土的CBR值总大于石灰稳定土,说明对于粉质黏土,以水泥为改良剂优于以石灰为改良剂。石灰 + 水泥联合改良下土体的CBR值介于两者之间。
3.3. 无侧限抗压强度
无侧限抗压强度是评价路面材料另一个重要参数,特别是对于经石灰或水泥稳定后细粒土而言,路面规范提出了明确的要求。为此,按上述改良方案制备了直径为50 mm、高为100 mm圆柱形试样,养护7天并在最后一天将试样浸在水中,然后进行无侧限抗压强度试验。试验过程见图7。试验发现,当以石灰为结合料时,各掺量下的试样浸水24 h后其无侧限抗压强度基本为零,当进行石灰、水泥双掺后,其无限侧抗压强度也基本为零。这表明,对于粉质黏土不宜以石灰为结合料进行改良处理。
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Figure 6. Relationship curve between CBR value of stabilized soil and dosage of modifier
图6. 稳定土CBR值与改良剂掺量的关系曲线
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Figure 7. Unconfined compressive strength test
图7. 无侧限抗压强度试验
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Figure 8. Relationship curve between unconfined compressive strength and binder content of cement stabilized soil
图8. 水泥稳定土无侧限抗压强度与结合料掺量的关系曲线
水泥稳定粉质黏土的无侧限抗压强度试验结果见图8。可见,以水泥为改良剂时,试样的无侧限抗压强度随有了明显的增长,且基本上随掺量的增加线性增大,并满足式(1)所示的关系。
(1)
式中,
为水泥稳定土的7天无侧限抗压强度(MPa);
为水泥掺量,%。
4. 稳定粉质黏土用于路基路面基层的可行性分析
我国《公路路基设计规范》(JTG D30-2015) [11] 规定:高速公路、一级公路的上路床(路基顶面以下0~0.3 m)填料强度CBR不小于8%,填料最大粒径应小于100 mm,液限应小于50%、塑性指数小于26%。对比试验结果可知,该粉质黏土的CBR值过低,不宜直接用于路基填筑,但掺入2%的水泥或掺入4%的石灰后,其强度可以满足路基填筑要求。
半刚性基层是我国道路常用的结构层,这种结构层是以经水泥、石灰等无机结合料对处治后的碎石类和细粒土等填筑而成,具有成本低,整体性好的特点。我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017) [12] 对在各种等级的道路中均允许采用半刚性基层或底基层,但有一些明确的要求:1、当采用水泥稳定类材料时,水泥的掺量宜为3%~6%。2、水泥稳定类材料可以用于各种等级的路面基层或底基层,但7天无侧限抗压强度随道路等级的提高而提高,当于二级及二级以下轻交通公路的底基层时,其强度要求最低,但也应不小于1.0 MPa。我国《城镇道路路面设计规范》(CJJ169-2012) [13] 也允许以半刚性材料作为道路的基层,要求半刚性基层的最小厚度不小于150 mm,水泥稳定类可用于各种交通等级的道路,而石灰稳定类材料宜用于各类交通等级的下基层以及中、轻交通的基层;规范对稳定土的强度提出了如表2所示的要求。将试验结果与上述要求对比分析可知,作为一种粉砂性的细粒土,粉质黏土不宜采用石灰进行改良,而采用水泥进行改良的话,在常用水泥掺量范围内,水泥稳定粉质黏土的抗压强度还是比较低,当水泥掺量达到10%也不能满足轻交通城镇道路下基层的要求。但水泥改良效果还是比较明显的,如确需将其用于路面基层或底基,可以进一步提高水泥掺量或多种结合料或改良剂共同使用。
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Table 2. Strength requirements of semi rigid materials for urban roads (MPa)
表2. 城镇道路半刚性材料的强度要求(MPa)
5. 结论
随着城镇建设的不断扩张和资源利用要求的不断提高,工程建设中产生的渣土合理化利用正日益受到重视。本文在室内土工试验获得绍兴粉质黏土基本物理力学特性的基础上,以石灰、水泥以及石灰 + 水泥作为结合料对粉质黏土进行了改良,测试不同改良方案下稳定土的强度,并探讨了改良后用于路面基层填筑的可行性。主要结论有:
1) 绍兴盖北镇粉质黏土是一种级配不良的细料土,具有一定的抗剪强度,但其CBR值较低。
2) 改良粉质黏土的CBR值随石灰、水泥掺量的增加而增大,但相同掺量下,水泥稳定土的CBR值高于石灰稳定土。掺入2%的水泥4%的石灰后,其强度可以满足路基填筑要求。
3) 水泥稳定粉质黏土的7天无侧限抗压强度随水泥掺量的增加而增大,各掺量下的石灰稳定粉质黏土的7天无侧限抗压强度均为零。粉质黏土不宜以石灰为改良剂。
4) 常用掺量(<10%)下水泥稳定粉质黏土的强度较低,不能满足路基基层的要求。如确需将其用于路面基层或底基,可以进一步提高水泥掺量或多种结合料或改良剂共同使用。
基金项目
浙江省建设科技项目(2020K153),浙江交通科技项目(2020004)。