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 柏威偉

 （中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司  武漢  430063）

摘要  針對魯北地區(qū)鹽漬土特性，結(jié)合濟樂高速公路項目，采用石灰、粉煤灰、水泥及高爐礦渣等無機結(jié)合料作為改良劑，對魯北地區(qū)典型鹽漬土進行了單摻和雙摻不同配比下的耐久性試驗。試驗研究結(jié)果顯示，單摻石灰無法滿足長期路用性能，加入水泥等改良劑后加固土具有較好的力學性能和耐久性，可以滿足長期路用性能要求。

關(guān)鍵詞  鹽漬土  改良  耐久性無機結(jié)合料

1前言

 山東境內(nèi)的東營、菏澤、聊城、德州、濱州、淄博、濟寧、濟南等黃河下游沖積平原及三角洲地區(qū)分布著大面積的黃河沖積粉土。黃河沖積粉土由新老堆積體反復(fù)淤淀形成。這種特殊的形成原因使得粉土顆粒級配很集中，即顆粒均勻，磨圓度較高，相互之間的咬合作用很差，而且長期的沖刷作用使得粉土土層里面的粘粒含量極低。此外，受長期河床淤積抬高、海陸進退的影響及海水的倒?jié)B作用使得粉土里面的含鹽量較高。此類含鹽粉土難以壓實，同時作為路基填料極易發(fā)生鹽脹、溶蝕、凍脹等許多病害，其工程性質(zhì)差，無法直接作為路基填料使用，必須進行改良。

 京滬高速公路濟南至樂陵段路線全長約115km，此類鹽漬土分布廣泛，全線均為填方，路基填料需求量巨大，約2 181萬m3，本地優(yōu)質(zhì)填料匱乏，如填料外運，造價高昂，必須考慮因地制宜、就地取材，對鹽漬土進行改良以作為路基填料。當?shù)毓�路一般使用摻生石灰的方法對鹽漬土進行改良處理，但是長期實踐發(fā)現(xiàn)路基耐久性不佳，路基病害高發(fā)。如何在解決填料來源問題的同時，預(yù)防和減少路基后期病害，確保公路建成營運后的長期穩(wěn)定性，并為今后本地區(qū)類似地段道路工程的修建提供理論指導(dǎo)與工程參考，是亟待解決的問題。

 路基填料的耐久性一般由于濕循環(huán)和凍融循環(huán)的質(zhì)量或強度損失率確定。美國規(guī)范規(guī)定，由ASTM標準試驗得到的干濕循環(huán)和凍融循環(huán)最大允許質(zhì)量損失率來控制耐久性，要求粉質(zhì)土不超過8%、粘性土不超過6%。我國鐵路行業(yè)以5次干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的強度損失率控制。如鄭西客運專線鐵路的水泥改良黃土和石灰改良黃土均以5次循環(huán)的相關(guān)指標損失率作為評價指標。中國鐵道第三勘察設(shè)計院的研究表明，粉粘土改良時，干濕循環(huán)的強度損失率的控制根據(jù)失水率與土的塑性指數(shù)來確定，其中規(guī)定塑性指數(shù)在10～17范圍內(nèi)、失水率在0%～45%之間時，強度損失率應(yīng)控制在10%～35%�！豆�路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)中規(guī)定，凍融循環(huán)可選擇5次（養(yǎng)生28 d）與10次（養(yǎng)生180 d）2種，試驗中的質(zhì)量損失率不得超過5%。但沒有對干濕循環(huán)試驗的次數(shù)作出明確要求。

 本項目改良鹽漬土的耐久性試驗采用干濕循環(huán)與凍融循環(huán)進行，結(jié)合以上成果及鹽漬土填料的相關(guān)指標，考慮填筑部位為路堤部分，以5次干濕循環(huán)的強度損失率不超過10%和5次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率不超過8%來選擇各方案的摻量水平。

2試驗材料及方案

 對于細粒土的加固，現(xiàn)有研究成果較多，但除了傳統(tǒng)的無機結(jié)合料加固方案外，其他具有推廣價值的加固方案較少。本文研究結(jié)合當?shù)卦�材料狀況和施工工藝，選擇無機結(jié)合料加固方案，根據(jù)線路沿線無機結(jié)合料來源的調(diào)查，線路所經(jīng)地區(qū)易獲得的無機結(jié)合料有：石灰、粉煤灰、水泥和高爐礦渣。

2.1試驗材料

 (1)天然鹽漬土。本試驗研究土樣取自濟南至樂陵高速公路第V標段典型鹽漬土路段，位于商河縣境內(nèi)。考慮到鹽漬土含鹽量及種類會由于取土層位的不同而產(chǎn)生變化，對所取土樣進行了風干、碾碎并反復(fù)拌勻。

 界限含水量測試表明，塑限為20. 5%，液限為27.6%(10 mm)，30. 5% (17 mm)，塑性指數(shù)為7. 1(10 mm)，10. 5(17 mm)，按《巖土工程勘察規(guī)范》屬低液限粉土。

 顆粒分析數(shù)據(jù)表明，最大粒徑不超過0. 25mm，細粒含量>91. 55%，不均勻系數(shù)為4.5，小于5，曲率系數(shù)為1. 39，介于1～3之間，級配不良。

 含鹽量試驗表明，含鹽總量為3. 422%，Cl-與S042_的質(zhì)量比均值為0.42，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)分類，該鹽漬土屬于亞硫酸鹽漬土，鹽漬化程度為中鹽漬土。

 力學性能試驗數(shù)據(jù)表明，天然鹽漬土抗壓回彈模量為26. 408 MPa，小于公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范(JTG D50- 2006)中對土基回彈模量的要求；天然鹽漬土承載比為2. 84%，無法滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》中對路基填料的最小強度要求（高速公路要求最小CBR值不小于4），因此，天然鹽漬土無法直接作為路基填料，必須改良。

 (2)固化劑（石灰、水泥、粉煤灰和礦渣）。試驗用的石灰(limestone fines，LF)其消解過后有效Ca0和Mg0總含量為58. 5%，屬III級石灰。主要成分是Ca0。

 本實驗所用的水泥來自濟南當?shù)氐钠胀ü杷猁}水泥，高爐礦渣來自濟鋼集團，礦渣密度為2. 87g/cm3，比表面積為416 m2/kg，SO。含量2.41%，含水量為0. 5%，燒失量為2.93%，Cl含量為0. 021%。

2.2試驗方案

 常見的無機結(jié)合料主要有單摻、雙摻2種，單摻的改良劑通常有水泥、石灰，雙摻的改良劑通常有石灰十粉煤灰。根據(jù)沿線調(diào)研的結(jié)果，線路沿線經(jīng)過地區(qū)易得的無機料有石灰、粉煤灰、水泥與高爐礦渣。以往研究中對高爐礦渣作為改良劑的情況討論較少。本課題根據(jù)以往研究成果并結(jié)合線路沿線實際情況，選的改良劑方案為：單摻（水泥、石灰）、雙摻（石灰十水泥、石灰十粉煤灰、石灰十高爐礦渣）。

 本研究中改良劑摻量選擇是參考國內(nèi)外對一般路基土填料改良試驗研究成果，結(jié)合本工程中鹽漬土含鹽量等條件確定。共5種方案，每種取4個摻量水平，共計20種情況，具體情況如下。

 單摻：水泥(2%，4%，6%，8%)、石灰(3%，6%．9%，12%)。

 雙摻：石灰十水泥(按1：1配制，石灰摻量1. 5%，3%，4.5%，6%)

 石灰十粉煤灰(按1：1配制，石灰摻量3%，6%，9%，12%)

 石灰十高爐礦渣(按1：1配制，石灰摻量3%，6%，9%，12%)。

2.3干濕循環(huán)試驗

改良鹽漬土的耐干濕循環(huán)能力是指其抵抗自然環(huán)境中水分變化產(chǎn)生破壞的能力，它是改良鹽漬土耐久性最重要的指標之一。由于路基土一般位于地下水位以上，在毛細力作用下吸入地下水，而又通過蒸騰和蒸發(fā)作用散失水分，致使路基土含水量不斷的變化，其強度也發(fā)生變化。干濕循環(huán)試驗是模擬現(xiàn)場路基土的吸水一失水循環(huán)，分析干濕循環(huán)對試件力學性能的影響。首先，將試件放于水槽中，加水至據(jù)試件底部高約2 cm，浸泡1d后，擦干表面水分放人20。C烘箱中1 d，即為1次循環(huán)。如此5次后測定試件強度，得出干濕循環(huán)對于改良鹽漬土的影響。干濕循環(huán)試驗采用尺寸為10 cm×10 cm，正常養(yǎng)護28 d的試件進行。試驗結(jié)果見圖1。

2.4凍融循環(huán)試驗

 鹽漬土在受到正負溫度變化影響后，其中含有的鹽分相態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生鹽脹與溶陷，造成路基松散、粘結(jié)力下降，強度降低。本試驗采用凍融循環(huán)試驗檢驗改良鹽漬土抵抗自然環(huán)境中凍融產(chǎn)生破壞的能力，它也是評價改良鹽漬土耐久性的關(guān)鍵指標之一。

由于改良鹽漬土的抗凍性試驗?zāi)壳斑�沒有統(tǒng)一標準，本次試驗主要參照混凝土抗凍性試驗標準，用慢凍法進行試驗。所用儀器設(shè)備主要有冰箱、融化水槽和試件盒。按無側(cè)限抗壓強度成型方法制試件，放在標準養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護到規(guī)定齡期，到達試驗齡期的前1 d對試件稱重，然后將試件放在（20士3）℃的水中浸泡8h，水深高于試件頂面2 cm。將浸水完畢、試件擦干表面后裝入試件盒中，放入冰箱。在-17～- 20℃的氣溫中凍結(jié)4h（氣溫未達到此溫度前的時間不計在內(nèi)）。試件凍結(jié)完畢后，將試件連同試件盒一起放入溫度為（20士3）℃的水中融化4h(水面高于試件頂面2 cm，試件間距大于2 cm)。此為1次凍融循環(huán)，如此反復(fù)進行。凍融循環(huán)試驗采用5次循環(huán)，達到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)時，取出凍融試件，稱量試件質(zhì)量，計算質(zhì)量損失率，以質(zhì)量損失作為評價指標。試驗結(jié)果見圖2。

 由圖1、圖2可見，石灰改良鹽漬土在5次干濕循環(huán)后強度明顯下降，3%的摻量水平下達到37. 3%，水穩(wěn)性較差；5次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率較大，3%的摻量水平下達到60. 4%，抗凍性不良；隨石灰摻量的增加，水穩(wěn)性及抗凍性均有所提高，石灰摻量水平達12%時，強度損失率為23. 2%，質(zhì)量損失率為38.1%。水泥改良鹽漬土的水穩(wěn)性較好，抗凍性強，8%的摻量水平下，強度損失率為2. 8%，質(zhì)量損失率為2.2%，為所有改良方案中效果最好的一組。雙摻改良方案中石灰十水泥的水穩(wěn)性與抗凍性最好、石灰十礦渣次之、石灰十粉煤灰再次之。三摻方案的水穩(wěn)性與抗凍性好于雙摻方案，其中摻礦渣的要好于摻粉煤灰。

3結(jié)論

 以前述質(zhì)量損失率不超過8%與強度損失率不超過10%為選擇標準，則石灰單摻方案的水穩(wěn)性與抗凍性較差，不作為推薦方案；水泥單摻中摻量4%，6%，8%等方案均可選；雙摻方案中石灰十粉煤灰方案和石灰十礦渣方案均不可選；石灰十水泥雙摻中摻量4. 5%+4. s%，6%+6%等方案可選。