二灰土路面底基层材料配比试验研究

尤红军，韩 洋，刘佳男，海 龙，游志忠

（1.阜新蒙古族自治县环境保护局；2.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3.北京城建六建设集团有限公司，北京 101500）

二灰土路面底基层材料配比试验研究

尤红军1，韩 洋1，刘佳男1，海 龙2，游志忠3

（1.阜新蒙古族自治县环境保护局；2.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3.北京城建六建设集团有限公司，北京 101500）

二灰土用作高速公路底基层材料，既可保障底基层的强度要求，又可大量利用粉煤灰，还可降低石灰和土的使用量，对减轻粉煤灰排放危害、保护土地资源有重要意义。本文以辽河油田热电厂粉煤灰、盘锦本地产石灰和风砂土为试验材料，首先分析了二灰土材料强度的形成机理，然后阐述了二灰土原料的准备工作，最后研究了二灰土的配合比设计方法，以期得到满足高速公路底基层填料标准的材料配合比和施工指标。

二灰土；底基层；材料配比；最佳含水率

我国是世界上最大的粉煤灰排放国，随着电力工业的发展，粉煤灰排放量呈逐年增加的趋势[1]。粉煤灰的堆放不仅占用大量土地，给发电企业带来巨大的经济压力，也对生态环境造成重大破坏[2-3]。二灰土路面底基层是使用石灰、粉煤灰和土，按一定配合比，加水拌和、摊铺、碾压而成的底基层[4-5]。石灰和粉煤灰为胶凝材料，经过一系列物理和化学作用与土结合为整体，既可保障底基层的强度要求，又可大量利用粉煤灰。各燃煤电厂排放的粉煤灰性质上有诸多差异，适宜利用的方式也存在很大差别[6-9]。本文分析辽河油田热电厂粉煤灰、盘锦本地产石灰和风砂土的性质，试验研究不同的原料比例关系、拌和水用量和混合材料压实度等影响二灰土材料强度的因素，得到满足高速公路底基层填料标准的材料配合比和施工指标。

1 二灰土材料强度形成机理

采用二灰土做底基层或基层填料时，石灰与粉煤灰的比例常控制在1:4～1:2（一般粉土以1:2为宜），石灰粉煤灰与细粒土的比例常控制在30:70～90:10。石灰、粉煤灰和土充分混合后加水，将发生离子交换作用、碳酸化作用、结晶作用和火山灰作用。火山灰作用是石灰与土中活性的氧化硅和氧化铝发生化学反应，生成多水硅酸钙和多水铝酸钙的过程，其反应式为：xCa(OH)2+SiO2+（n-1）H2O→ xCaO·SiO2·nH2O；xCa(OH)2+Al2O3+（n-1）H2O→xCaO·Al2O3·nH2O，式中：x表示1或2。

火山灰反应是在不断吸收水分的情况下逐渐发生的，具有水硬性质。粉煤灰中含有一定量的活性SiO2和Al2O3，故火山灰反应是形成二灰土强度和水稳定性的主要因素。Ca(OH)2·nH2O所形成的立体结晶网格、结晶硅酸钙(xCaO·SiO2·nH2O)和结晶铝酸钙(xCaO·Al2O3·nH2O)虽然不多，但这些胶凝物质能够在固体与水的二相环境下发生硬化，且这种作用随时间的增长持续发展，使二灰土的整体结构强度更高。另外，这些胶凝物质在土的团粒外围形成一层稳定的保护膜，具有很强的粘结力，可以把土团粒胶结起来，这也是二灰土形成强度和水稳定性的基本因素。

2 二灰土原料的准备

2.1 粉煤灰的基本性质

试验用粉煤灰取自辽河油田热电厂储灰仓，没有经过破碎和筛分等处理。该粉煤灰颗粒较细、呈暗灰色，初步判断含水率较少。其化学成分如表1所示。

表1 粉煤灰的化学组成

由表1可知，该粉煤灰主要化学组分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，占总量的87.15%，其属于硅铝型粉煤灰。该粉煤灰的其他性质如表2所示。

按照我国现行标准GB1596-2005的规定[10]，拌制水泥混凝土和砂浆时，做掺合料的粉煤灰成品应满足相关标准要求。该粉煤灰为三级灰，价格低廉，适用于用作二灰土原料。

2.2 石灰的基本性质

各种化学组成的石灰均可用于稳定土，但是生石灰与土和粉煤灰中的水分接触后会迅速结球，造成混合材料混合很不均匀。另外，生石灰容易水化，保存和运输的条件控制较为严格，因此在路面底基层施工中应尽量使用消石灰。本次试验所用消石灰为盘锦本地产钙质消石灰，符合III级消石灰的技术指标[11]，检验结果如表3所示。

表2 粉煤灰的一般性质

表3 消石灰的质量检验结果

2.3 土的基本性质

各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土和粘土都可以用石灰和粉煤灰联合稳定。我国《公路路面基层施工技术规范》要求宜采用塑性指数12～20的粘性土（亚粘土），土块的最大粒径不应大于15 mm，有机质含量超过10%的土不宜选用[12]。本次试验用土取自盘山县东郭镇，处于大凌河东岸高阶地。该土为风砂土，干燥状态下外观呈灰黄色、含砂粒多、结构松散、有机质含量少。使用光电式液塑限联合测定仪测定土样的液塑限，结果如表4所示。

表4 风砂土的液塑限试验结果

由表4可知，盘山县东郭镇风砂土满足公路路面底基层材料塑性指数、土块最大粒径和有机质含量的要求，储量丰富、取用方便，适宜作为二灰土原料。

3 二灰土的配合比设计

影响二灰土底基层强度的因素，有内因和外因两方面。内因有土质、石灰等级、粉煤灰品质、混合料配比、含水率与密实度等；外因有养护时间、环境温度和湿度、机械压实方式和工艺指标、行车作用等。在二灰土的配比设计中，首先需要用重型击实试验测定不同配比条件下混合料的含水率与干密度的关系，从而确定各种配比混合料的最佳含水率和最大干密度。试验4种材料配比方案，消石灰：粉煤灰：风砂土的干质量比分别为6:12:82、6:18:76、8:16:76和8:24:68。混合时先将粉煤灰和消石灰充分混合后再与风砂土混合。通过击实试验得到各种配比混合料的最佳含水率和最大干密度，然后按照各种配比的最佳含水率，按压实度为95%的标准制备多组试样，放到标准养护室养护7 d后进行无侧限抗压强度试验。各种配比的重型击实试验结果如图1所示。

图1 各配比二灰土的击实曲线

试验得出方案1的最佳含水率为16.1%，最大干密度为1.748 g/cm3；方案2的最佳含水率为17.5%，最大干密度为1.685 g/cm3；方案3的最佳含水率为17.9%，最大干密度为1.650 g/cm3；方案4的最佳含水率为19.6%，最大干密度为1.543 g/cm3。

在二灰土的最佳含水率条件下制备95%压实度的试件，浸水养护7 d后测得单轴抗压强度如表5所示。

表5 95%压实度时二灰土的抗压强度

根据相关规定，二灰土底基层材料的7 d浸水抗压强度需不小于0.6 MPa[12]。由试验结果可知，配比为消石灰：粉煤灰：风砂土=6:12:82的二灰土最佳含水率为16.1%左右，压实度95%以上的单轴抗压强度为0.71 MPa，可作为高速公路底基层填料；配比为消石灰：粉煤灰：风砂土=8:16:76的二灰土也可作为高速公路底基层填料，最佳含水率为17.9%左右，压实度需要控制在95%以上。

4 结论

火山灰反应是形成二灰土强度和水稳定性的主要因素，二灰土的整体结构强度随时间增长而增强；辽河油田热电厂粉煤灰为硅铝型二级粉煤灰，盘锦一般土为典型细颗粒风砂土，有机质含量少。两种材料来源广泛，价格低廉，适宜作为二灰土原料；配比为消石灰:粉煤灰:风砂土=6:12:78的二灰土作为高速公路底基层填料，最佳含水率为16.1%左右，压实度需要控制在95%以上；配比为消石灰:粉煤灰:风砂土=8:12:84的二灰土也可作为高速公路底基层填料，最佳含水率为17.9%左右，压实度需要控制在95%以上。

1 张 强，梁 杰，石玉桥，等.粉煤灰综合利用现状[J].广州化工，2013，41（14）：6.

2 茅沈栋，李 镇，方 莹.粉煤灰资源化利用的研究现状[J].混凝土，2011，（7）：82-84.

3 张 莉.粉煤灰的环境影响与综合利用[J].北方环境，2012，（4）：239-249.

4 唐凤喜，吴 君，韩东生.二灰稳定土配合比设计及施工注意事项[J].山西建筑，2007，7（20）：175.

5 邱国峰，傅光奇.高速公路二灰土底基层配合比的确定与施工[J].广州大学学报，2004，3（2）：168-171.

6 钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[M].北京：科学出版社，2002.

7 姚占勇，练继建，艾贻中，等.黄河冲（淤）积粉质二灰土的压实特性研究[J].岩土工程学报，2007，29（5）：664-670.

8 王明仕，张 晓，杨娜娜.覆煤及粉煤灰回用土壤砷质量比与赋存形态研究[J].安全与环境学报，2012，12（5）：102-104.

9 陈 稳，韩秀丽.粉煤灰综合利用现状及发展趋势[J].洁净煤技术，2004，10（3）：59–61.

10 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB1596-2005 用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].北京：中国标准出版社，2005.

11 中华人民共和国工业和信息化部.JC/T481-2013建筑消石灰粉[S].北京：中国标准出版社，2013.

12 中华人民共和国交通部.JTJ034-2000 公路路面基层施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2000.

Test and Research on Mixture Ratio of Base Material of Lime Soil Pavement

You Hongjun1,Han Yang1,Liu Jianan1,Hai Long2,You Zhizhong3
(1.Environmental Protection Agency of Fuxin Mongolian Autonomous County; 2.School of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 3.Beijing Urban Construction 6 Group Co.,Ltd.,Beijing 101500,China)

Lime soil used as the base material of expressway can not only ensure the strength of the basement but also make extensive use of fly ash.It can also reduce the amount of lime and soil used,and it is important to reduce the harm of fly ash and protect the resources of the land significance.In this paper,Liaohe Oilfield Thermal Power Plant fly ash,Panjin local production of lime and wind sand as the test material,first of all,the formation of lime-limestone material strength mechanism,and then elaborated the preparation of lime-lime soil raw materials,the final study of lime-lime soil mix design Method,in order to get the material to meet the highway filling standards and construction indicators.

lime soil; subsoil; material ratio; optimum moisture content

U41604

A

1008-9500(2017)11-0035-04

2017-09-12

尤红军（1970-），男，辽宁阜新人，工程师，从事环境灾害防治和工业固体废弃物综合利用的研究工作。