鲁北地区改良盐渍土耐久性试验研究

 柏威伟

 （中铁第四勘察设计院集团有限公司  武汉  430063）

摘要  针对鲁北地区盐渍土特性，结合济乐高速公路项目，采用石灰、粉煤灰、水泥及高炉矿渣等无机结合料作为改良剂，对鲁北地区典型盐渍土进行了单掺和双掺不同配比下的耐久性试验。试验研究结果显示，单掺石灰无法满足长期路用性能，加入水泥等改良剂后加固土具有较好的力学性能和耐久性，可以满足长期路用性能要求。

关键词  盐渍土  改良  耐久性无机结合料

1前言

 山东境内的东营、菏泽、聊城、德州、滨州、淄博、济宁、济南等黄河下游冲积平原及三角洲地区分布着大面积的黄河冲积粉土。黄河冲积粉土由新老堆积体反复淤淀形成。这种特殊的形成原因使得粉土颗粒级配很集中，即颗粒均匀，磨圆度较高，相互之间的咬合作用很差，而且长期的冲刷作用使得粉土土层里面的粘粒含量极低。此外，受长期河床淤积抬高、海陆进退的影响及海水的倒渗作用使得粉土里面的含盐量较高。此类含盐粉土难以压实，同时作为路基填料极易发生盐胀、溶蚀、冻胀等许多病害，其工程性质差，无法直接作为路基填料使用，必须进行改良。

 京沪高速公路济南至乐陵段路线全长约115km，此类盐渍土分布广泛，全线均为填方，路基填料需求量巨大，约2 181万m3，本地优质填料匮乏，如填料外运，造价高昂，必须考虑因地制宜、就地取材，对盐渍土进行改良以作为路基填料。当地公路一般使用掺生石灰的方法对盐渍土进行改良处理，但是长期实践发现路基耐久性不佳，路基病害高发。如何在解决填料来源问题的同时，预防和减少路基后期病害，确保公路建成营运后的长期稳定性，并为今后本地区类似地段道路工程的修建提供理论指导与工程参考，是亟待解决的问题。

 路基填料的耐久性一般由于湿循环和冻融循环的质量或强度损失率确定。美国规范规定，由ASTM标准试验得到的干湿循环和冻融循环最大允许质量损失率来控制耐久性，要求粉质土不超过8%、粘性土不超过6%。我国铁路行业以5次干湿循环和冻融循环的强度损失率控制。如郑西客运专线铁路的水泥改良黄土和石灰改良黄土均以5次循环的相关指标损失率作为评价指标。中国铁道第三勘察设计院的研究表明，粉粘土改良时，干湿循环的强度损失率的控制根据失水率与土的塑性指数来确定，其中规定塑性指数在10～17范围内、失水率在0%～45%之间时，强度损失率应控制在10%～35%。《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中规定，冻融循环可选择5次（养生28 d）与10次（养生180 d）2种，试验中的质量损失率不得超过5%。但没有对干湿循环试验的次数作出明确要求。

 本项目改良盐渍土的耐久性试验采用干湿循环与冻融循环进行，结合以上成果及盐渍土填料的相关指标，考虑填筑部位为路堤部分，以5次干湿循环的强度损失率不超过10%和5次冻融循环的质量损失率不超过8%来选择各方案的掺量水平。

2试验材料及方案

 对于细粒土的加固，现有研究成果较多，但除了传统的无机结合料加固方案外，其他具有推广价值的加固方案较少。本文研究结合当地原材料状况和施工工艺，选择无机结合料加固方案，根据线路沿线无机结合料来源的调查，线路所经地区易获得的无机结合料有：石灰、粉煤灰、水泥和高炉矿渣。

2.1试验材料

 (1)天然盐渍土。本试验研究土样取自济南至乐陵高速公路第V标段典型盐渍土路段，位于商河县境内。考虑到盐渍土含盐量及种类会由于取土层位的不同而产生变化，对所取土样进行了风干、碾碎并反复拌匀。

 界限含水量测试表明，塑限为20. 5%，液限为27.6%(10 mm)，30. 5% (17 mm)，塑性指数为7. 1(10 mm)，10. 5(17 mm)，按《岩土工程勘察规范》属低液限粉土。

 颗粒分析数据表明，最大粒径不超过0. 25mm，细粒含量>91. 55%，不均匀系数为4.5，小于5，曲率系数为1. 39，介于1～3之间，级配不良。

 含盐量试验表明，含盐总量为3. 422%，Cl-与S042_的质量比均值为0.42，根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)分类，该盐渍土属于亚硫酸盐渍土，盐渍化程度为中盐渍土。

 力学性能试验数据表明，天然盐渍土抗压回弹模量为26. 408 MPa，小于公路沥青路面设计规范(JTG D50- 2006)中对土基回弹模量的要求；天然盐渍土承载比为2. 84%，无法满足《公路路基设计规范》中对路基填料的最小强度要求（高速公路要求最小CBR值不小于4），因此，天然盐渍土无法直接作为路基填料，必须改良。

 (2)固化剂（石灰、水泥、粉煤灰和矿渣）。试验用的石灰(limestone fines，LF)其消解过后有效Ca0和Mg0总含量为58. 5%，属III级石灰。主要成分是Ca0。

 本实验所用的水泥来自济南当地的普通硅酸盐水泥，高炉矿渣来自济钢集团，矿渣密度为2. 87g/cm3，比表面积为416 m2/kg，SO。含量2.41%，含水量为0. 5%，烧失量为2.93%，Cl含量为0. 021%。

2.2试验方案

 常见的无机结合料主要有单掺、双掺2种，单掺的改良剂通常有水泥、石灰，双掺的改良剂通常有石灰十粉煤灰。根据沿线调研的结果，线路沿线经过地区易得的无机料有石灰、粉煤灰、水泥与高炉矿渣。以往研究中对高炉矿渣作为改良剂的情况讨论较少。本课题根据以往研究成果并结合线路沿线实际情况，选的改良剂方案为：单掺（水泥、石灰）、双掺（石灰十水泥、石灰十粉煤灰、石灰十高炉矿渣）。

 本研究中改良剂掺量选择是参考国内外对一般路基土填料改良试验研究成果，结合本工程中盐渍土含盐量等条件确定。共5种方案，每种取4个掺量水平，共计20种情况，具体情况如下。

 单掺：水泥(2%，4%，6%，8%)、石灰(3%，6%．9%，12%)。

 双掺：石灰十水泥(按1：1配制，石灰掺量1. 5%，3%，4.5%，6%)

 石灰十粉煤灰(按1：1配制，石灰掺量3%，6%，9%，12%)

 石灰十高炉矿渣(按1：1配制，石灰掺量3%，6%，9%，12%)。

2.3干湿循环试验

改良盐渍土的耐干湿循环能力是指其抵抗自然环境中水分变化产生破坏的能力，它是改良盐渍土耐久性最重要的指标之一。由于路基土一般位于地下水位以上，在毛细力作用下吸入地下水，而又通过蒸腾和蒸发作用散失水分，致使路基土含水量不断的变化，其强度也发生变化。干湿循环试验是模拟现场路基土的吸水一失水循环，分析干湿循环对试件力学性能的影响。首先，将试件放于水槽中，加水至据试件底部高约2 cm，浸泡1d后，擦干表面水分放人20。C烘箱中1 d，即为1次循环。如此5次后测定试件强度，得出干湿循环对于改良盐渍土的影响。干湿循环试验采用尺寸为10 cm×10 cm，正常养护28 d的试件进行。试验结果见图1。

2.4冻融循环试验

 盐渍土在受到正负温度变化影响后，其中含有的盐分相态将发生变化，产生盐胀与溶陷，造成路基松散、粘结力下降，强度降低。本试验采用冻融循环试验检验改良盐渍土抵抗自然环境中冻融产生破坏的能力，它也是评价改良盐渍土耐久性的关键指标之一。

由于改良盐渍土的抗冻性试验目前还没有统一标准，本次试验主要参照混凝土抗冻性试验标准，用慢冻法进行试验。所用仪器设备主要有冰箱、融化水槽和试件盒。按无侧限抗压强度成型方法制试件，放在标准养护箱中进行养护到规定龄期，到达试验龄期的前1 d对试件称重，然后将试件放在（20士3）℃的水中浸泡8h，水深高于试件顶面2 cm。将浸水完毕、试件擦干表面后装入试件盒中，放入冰箱。在-17～- 20℃的气温中冻结4h（气温未达到此温度前的时间不计在内）。试件冻结完毕后，将试件连同试件盒一起放入温度为（20士3）℃的水中融化4h(水面高于试件顶面2 cm，试件间距大于2 cm)。此为1次冻融循环，如此反复进行。冻融循环试验采用5次循环，达到规定的循环次数时，取出冻融试件，称量试件质量，计算质量损失率，以质量损失作为评价指标。试验结果见图2。

 由图1、图2可见，石灰改良盐渍土在5次干湿循环后强度明显下降，3%的掺量水平下达到37. 3%，水稳性较差；5次冻融循环后质量损失率较大，3%的掺量水平下达到60. 4%，抗冻性不良；随石灰掺量的增加，水稳性及抗冻性均有所提高，石灰掺量水平达12%时，强度损失率为23. 2%，质量损失率为38.1%。水泥改良盐渍土的水稳性较好，抗冻性强，8%的掺量水平下，强度损失率为2. 8%，质量损失率为2.2%，为所有改良方案中效果最好的一组。双掺改良方案中石灰十水泥的水稳性与抗冻性最好、石灰十矿渣次之、石灰十粉煤灰再次之。三掺方案的水稳性与抗冻性好于双掺方案，其中掺矿渣的要好于掺粉煤灰。

3结论

 以前述质量损失率不超过8%与强度损失率不超过10%为选择标准，则石灰单掺方案的水稳性与抗冻性较差，不作为推荐方案；水泥单掺中掺量4%，6%，8%等方案均可选；双掺方案中石灰十粉煤灰方案和石灰十矿渣方案均不可选；石灰十水泥双掺中掺量4. 5%+4. s%，6%+6%等方案可选。