绍兴市工程渣土路用性能改良研究*

2021-10-24赵丽君

工程技术研究 2021年16期

赵丽君，朱挻，刘泽，何矾，李洪

1.绍兴市城投再生资源有限公司，浙江绍兴 312000

2.绍兴市城市建设投资集团有限公司，浙江绍兴 312000

3.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201

随着城市化进程的加快，城建工程中产生的渣土数量惊人。工程渣土一方面侵占了城市用地，影响了城市景观，另一方面会给环境带来污染和安全隐患。但工程渣土作为一种重要的土方资源，经一定处理后可具有强度高、稳定性好等特性，因此，将工程渣土改良后作路基填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[1-2]。

目前，国内外学者针对改良土进行了大量的研究，取得了丰富的研究成果。王春阳[3]研究了石灰改良软土力学特性，以及冻融条件下含水率、颗粒粒径和养护方式对石灰改良软土抗剪强度的影响规律。邬瑞光等[4]分析了石灰土的无侧限抗压强度随石灰剂量、龄期的增长规律。查甫生等[5]探究了粉煤灰、石灰-粉煤灰掺合物对膨胀土的基本工程性质指标、击实特性、胀缩性以及无侧限抗压强度的影响特征，发现掺粉煤灰改良可有效降低膨胀土的胀缩性，且土的力学强度指标都有了较大幅度的提高。杨广庆[6]研究了水泥改良土的临界动应力、累积塑性变形、弹性变形和回弹模量的变化规律及影响因素。

文章以绍兴工程渣土为研究对象，在获得其基本物理力学特性的基础上，分别采用石灰、水泥以及石灰+水泥三种固化剂，开展改良工程渣土的击实试验、承载比试验以及无侧限抗压强度试验，促进工程渣土处理的路用资源化。

1 原状土基本参数与改良方法

在绍兴市越城区城南大道某段施工现场抓取部分土样，运送至土工实验室进行测试，以《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）为依据，获得土样的基本物理力学参数，如表1所示。该土样的液限较高，塑限较低，具有吸水膨胀、失水皱缩的性质，判定为高液限淤泥质黏土，且塑性指数大于26，不能直接作为路用填料，需要改良处理。另外，原状土的CBR值为5.6，根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015），用于高速公路和一、二级公路的路床填料不满足最低承载比要求，且采用细粒土填筑路基时，可能会出现填料遇水时毛细现象严重等问题。

表1 原状淤泥质黏土的基本物理力学参数

以石灰、水泥以及石灰联合水泥作为改良剂，石灰采用三级灰、水泥采用普通硅酸盐水泥（P·O32.5），对原状淤泥质黏土进行改良，完成固化剂掺量分别为2%、4%、6%、8%、10%的改良土击实试验、承载比试验以及无侧限抗压试验，分析比较不同固化剂、不同掺量下淤泥质黏土的力学特性，从而为该地区的土体改良提供基本依据。

2 击实特性分析

（1）淤泥质黏土样的素土和不同石灰掺量下干密度随含水量变化的规律如图1所示。可以看出，素土的最大干密度最大，而混合料的最大干密度随掺入料含量的增加而减少，2%改良石灰土对应的最大干密度为1.82g/cm3，而10%改良石灰土对应的最大干密度下降到1.68g/cm3。最佳含水量随掺入料含量的增加而减少，2%改良石灰土的最佳含水量为20.55%，而10%改良石灰土的最佳含水量为15.52%。

图1 石灰改良淤泥质黏土击实曲线

分析原因认为，试验过程中将石灰与土拌和，淤泥质黏土中细小颗粒占比较大，颗粒的絮凝和絮聚使土结构即刻发生变化，细小的黏土颗粒就形成了粗颗粒状的较大颗粒，增大了颗粒间的摩阻力和空隙，这种变化影响了土的压实性能，土的最大干密度减小。石灰与土的水化反应消耗掉了土中的一部分水分，而石灰的掺量越大，放热反应需要消耗的水分越多，从而得到的含水量就越小。

但是，改良石灰淤泥质黏土的最大干密度并不是成比例减小的，当掺灰量在8%～10%范围时，最大干密度的减少量呈停滞状态，这一特点反映出合理含灰率的确定必须以系统试验资料为基础，盲目地增加或减少石灰的含量，不一定能达到最佳的工程效果。

（2）淤泥质黏土在不同水泥掺量下的击实曲线如图2所示，可得淤泥质黏土的最大干密度随水泥掺量的增加而减小，与石灰改良的情况一致，并且同等掺量下水泥的最大干密度比石灰大。淤泥质黏土的最佳含水量呈现出先增大后减小的趋势，过多掺量的水泥可能会抑制水泥与土发生的反应，且同等掺量下水泥改良的对应的最佳含水量比石灰小，说明水泥的水化反应需水量比石灰小。

图2 水泥改良淤泥质黏土击实曲线

（3）淤泥质黏土在石灰+水泥改良下干密度随含水量的变化如图3所示，可得淤泥质黏土的最大干密度随二灰掺量的增加而减小，而最佳含水量的变化无明显的规律。对比图1和图2可以发现，同等改良剂掺量下，二灰改良后土体的最大干密度以及最佳含水量比单一石灰改良或单一水泥改良更小，说明石灰+水泥联合改良淤泥质渣土易形成更多的胶结体，使土样更难以被击实。

图3 石灰+水泥改良淤泥质黏土击实曲线

3 承载比特性分析

（1）淤泥质黏土改良土。淤泥质黏土改良后的承载比曲线如图4所示。由图4可以看出，不同改良固化剂下，随着掺量的增加，CBR值也随之增大。石灰改良在掺量为2%时CBR值稍小于水泥改良；在掺量为6%左右时，石灰改良CBR值有明显的增大，大于同等掺量下水泥改良淤泥质黏土；掺量为8%之后，石灰改良CBR值反而减小，且小于同等掺量下水泥改良淤泥质黏土。通过对试验的分析认为，少量石灰加入土中，石灰与土发生反应，对土起到了稳定的作用，能较好地提高土的承载比；而过量的石灰与土中的水反应生成大量的Ca(OH)2吸附在土粒的周围，从而抑制了土粒之间的联结作用，破坏了土的整体性，从而导致CBR值减小。因此，淤泥质黏土采用石灰改良时应通过试验合理地确定石灰掺量，达到良好的工程性能，同时节约资源。

图4 改良淤泥质黏土的CBR曲线

水泥改良下淤泥质黏土的CBR值随着水泥掺量的增加基本呈线性增加，而掺量达到6%之后CBR值增加的趋势还是略有放缓，但仍在上升，说明对于1#淤泥质黏土，水泥掺量达到一定程度后改良效果也会稍有减弱，这与石灰改良是一致的。对于石灰+水泥联合改良淤泥质黏土，总掺量在6%时改良效果最好，总掺量为8%时，CBR值同样下降，但下降的增量较单一石灰改良时小，这是由两种改良剂的共同作用导致的。同时，总掺量不变时，石灰+水泥改良的淤泥质黏土CBR值都稍大于单一石灰或水泥改良的CBR值。

（2）不同压实度下的石灰改良土。以石灰为固化剂对土体进行改良，通过试验得到的CBR值完全能达到路基填料的要求，而石灰的水化反应速率较水泥小，土体的强度提高需要一定的时间，且石灰的反应需要消耗更多水，同时放出更多热量，进一步降低含水量。因此，石灰相对于水泥更适合大规模厂拌法，标准化、流程化处理工程渣土。

现阶段的高速公路技术规范对高速公路施工中的路基不同部位填料的最小CBR值提出了具体的标准，这些标准并未直接表明所给出的CBR值相对应的具体压实度。在实际的施工过程中，无法像室内试验一样将土体控制在最佳含水量，从而得到土体的最大压实度，只需使路基不同部位的压实度达到相应值即可，比如96%、95%、94%等。鉴于此，还需得到不同压实度对应土体的CBR值，以确保CBR值与实际施工相吻合。

笔者以击实试验得到的最佳含水量数据为基础，开展了不同掺量石灰改良淤泥质黏土在不同压实度下的CBR试验，结果如图5所示。由图5可见，同一石灰掺量下改良淤泥质黏土的承载比随压实度的增加而逐渐增大，当压实度较低时，三种掺量下的改良淤泥质黏土的承载比相差不大，但随着压实度的增加，石灰掺量对改良淤泥质黏土强度的影响就更明显：当压实度由90%增大到95%时，6%和8%掺量的改良土CBR值都大幅度增加，且8%掺量下的增幅较6%掺量大；当压实度进一步增加到100%时，三种掺量下的CBR值均继续增大，且6%掺量的改良土CBR值再次大幅度增大，而另两种掺量的改良土CBR值增幅较小。

图5 不同压实度下石灰改良淤泥质黏土的CBR曲线

4 无侧限抗压强度特性分析

（1）90%压实度。90%压实度下的无侧限抗压强度如表2所示，可见淤泥质黏土采用石灰改良时，其无侧限抗压强度随改良剂掺量的增加先增大后减小。石灰土存在一个最佳含灰率，当石灰掺量为6%时，最大无侧限抗压强度为0.79MPa。当采用的固化剂为水泥时，可以看到淤泥质黏土的无侧限抗压强度在一直增加，掺量较小时强度与石灰改良较为一致，当掺量较大时强度增量也变大。当采用二灰改良时，无侧限抗压强度与石灰处于同一水平。

表2 90%压实度下改良土无侧限抗压强度

（2）95%压实度。95%压实度下的无侧限抗压强度如表3所示。淤泥质黏土在水泥、石灰改良下，其无侧限抗压强度的发展都为先增大后减小，且在4%掺量时增长最为明显，过了4%掺量则开始逐渐减小。同样的，95%压实度下的石灰改良土的最佳含灰率为4%。采用二灰改良时，则无侧限抗压强度一直处于增加趋势。整体而言，石灰改良土的无侧限抗压强度要小于水泥改良土。从材料角度分析，这是因为石灰作为一种气硬性材料，具有较好的保水性，掺入土中改善了土体的可塑性，有助于改良土的施工，但在进行土体改良时硬化较慢，因而早期强度并不高，且石灰不适于长期处于潮湿的环境；而水泥是一种水硬性材料，具有早强性，加入了水泥的土体其强度提升会比较明显。