炉渣-矿渣-电石渣复配稳定特殊土在路基中的应用研究

甫尔海提·艾尼瓦尔

(新疆交投建设管理有限责任公司， 乌鲁木齐 830000)

新疆S21沿线地质状况复杂多样，包括盐渍土、膨胀泥岩土、风积沙土、湿陷粉土和软弱粘土等多种特殊土。如何在保证路基强度和稳定性的条件下，将经过处理的特殊土用作路基填料，这对降低工程造价意义重大。目前，关于特殊土路基处治方法多种多样，常见的有换土垫层法、振密法、挤密法、排水固结法、置换法、加筋法、胶结法、冷热处理法等[1-3]，但这些传统特殊土路基处理方式的适用性有限、工程造价相对较高。为此，研究人员不断寻求更高经济效益的处治方式[4]。如何利用工业废渣处治路基土成为其中优化选项之一，其中借助钢渣、宕渣等工业废渣处治路基成为热点研究内容[5-6]。相较传统方法(水泥、石灰固化土、有机类固化剂等)处治特殊土路基[7-9]，利用工业废渣在碱性激发剂的作用下可生成胶凝性水化物特性，以此制备固化剂，固化效果优于传统水泥固化，且在处治不良地基土实际应用效果较现有传统换填处治成本低、效果更好，这为处治特殊土路基提供新的思路[10-12]。但目前对利用工业废渣与特殊土的土样配伍性、配合比设计等问题研究较少，尤其是多元工业废渣的复配处治路基的研究更少。鉴于此，本项目拟结合炉渣-矿渣-电石渣特性及公路特殊土路基特点，对三渣处治特殊土路基技术进行研究，以期实现废渣高效利用、降低路基处治成本，解决特殊土路基处理难题，为实现绿色高效公路建设提供一定的工程参考和技术支持。

1 原材料物化特性分析

1.1 工业废渣特性分析

为分析工业废渣(炉渣、矿渣、电石渣)特性，调研选取昆仑钢铁矿渣、甘泉堡炉渣、中泰化学电石渣等工业废渣，通过XRF荧光光谱分析得到其主要化学成分，结果见表1。

表1 工业废渣主要化学成分

由表1可知，3种工业废渣中，矿渣和电石渣中化学成分以CaO、SiO2为主，其中CaO占比约为50%；而炉渣中各化学成分含量基本相当，占比在10%～30%之间。三者的化学成分组成与普通硅酸盐水泥的成分相似，对其稳定土的性能提升有利。

1.2 粉粘土特性分析

为分析粉粘土工程特性，按照土工试验规程，对粉粘土进行颗粒筛分试验、液塑限联合测定试验，粉粘土的粒径筛分结果见表2，锥入深度hp与含水率ω的关系曲线如图1所示。

表2 粉粘土的粒径筛分结果

图1 粉粘土的锥入深度hp与含水率ω的关系曲线

由表2可知，粉粘土颗粒0.25 mm以下质量约为95%，其中0.01 mm～0.075 mm质量约为80%。根据锥入深度hp与含水率ω关系曲线，得出粉粘土的液限为27.6%、塑限为16.7%，塑性指数为10.9。说明该粉粘土中细颗粒含量较高，其比表面积相对较大，则达到最佳状态需结合的水量也较大[13]。

2 三渣体系最优配合比确定

为确定三渣体系(炉渣、矿渣、电石渣)的最优组成比例，按照不同三渣配比稳定特殊土(粉质粘土、盐渍土、风积沙)，其中三渣体系选择10%、15%两种不同掺量，水灰比为0.4，测试其7 d、28 d无侧限抗压强度。不同三渣配比下7 d、28 d无侧限抗压强度变化曲线分别如图2、图3所示。

由图2、图3可知，炉渣、矿渣、电石渣稳定粉质粘土7 d无侧限抗压强度效果最好，其次盐渍土，风积沙波动较大效果最差。其中矿渣的组成成分与普通硅酸盐成分比例组成十分接近，而炉渣颗粒相对较大、电石渣粒径较小，三者相互补充使得三渣体系的级配组成更合理，其中矿渣作为胶凝体系强度形成主要来源，其组成占比较多[14-15]。整体而言，三渣体系与粉质粘土、盐渍土的配伍性较好，强度均满足路基修筑要求。综合考虑，初步得出强度优异的试验配比为矿渣∶炉渣∶电石渣=8∶3∶4。

3 三渣稳定粉粘土配伍性验证

将三渣体系按照矿渣∶炉渣∶电石渣=8∶3∶4配比合成后，开展三渣稳定粉粘土的颗粒筛分试验以及液塑限联合测定试验，三渣稳定粉粘土的粒径筛分结果见表3，锥入深度hp与含水率ω的关系曲线如图4所示。

(a) 10%掺量的三渣稳定特殊土

(b) 15%掺量的三渣稳定特殊土

(a) 10%掺量的三渣稳定特殊土

(b) 15%掺量的三渣稳定特殊土

表3 三渣稳定粉粘土的粒径筛分结果

图4 三渣稳定粉粘土的锥入深度hp与含水率ω的关系曲线

经试验可得，三渣稳定粉粘土的液限为33.7%、塑限为22.9%，塑性指数为10.8，与单一粉粘土液塑限值相比，其液限、塑限值分别提高了22%、37%，说明采用三渣稳定粉粘土后，其对水的敏感性变小，对其承载力提升有利，工程性质更好。

4 三渣稳定粉粘土强度试验

为了验证三渣稳定粉粘土的强度，采用JTG 3430—2020《公路土工试验规程》中重型击实法得到三渣稳定粉粘土(其中矿渣∶炉渣∶电石渣配比为8∶3∶4，三渣体掺量为15%)的最大干密度、最佳含水率分别为1.89 g/cm3、14.1%，并成型最佳含水率下三渣稳定粉粘土试件，测试其承载比(CBR)、回弹模量、渗透系数等，结果见表4。

由表4可知，相对于每层击实50次，每层击实98次试件的性能(CBR、回弹模量以及渗透系数)更优，即随击实次数增加，三渣稳定粉粘土的压实度越高、吸水量更少、膨胀量更小、干密度更大，从而其性能较优。但每层击实50次和每层击实98次制备试件的CBR值均大于30%、回弹模量均大于200 MPa，远超过JTG/T 3610—2019《公路路基施工技术规范》相应的规定要求，满足路基填筑要求。

表4 三渣稳定粉粘土的性能测试结果

5 结论

1) 通过XRF荧光光谱分析试验分析得到3种工业废渣的主要化学成分，矿渣和电石渣中化学成分以CaO、SiO2为主，其中CaO占比约为50%，而炉渣中各化学成分含量基本相当，占比在10%～30%之间，其化学成分组成与普通硅酸盐水泥的成分相似，对其稳定土的性能提升有利。

2) 基于三渣稳定粉粘土抗压强度最优原则推荐了三渣体系最优配合比，研究表明矿渣∶炉渣∶电石渣为8∶3∶4时，三渣稳定粉粘土抗压强度最佳。

3) 验证了三渣稳定粉粘土的CBR，在其最佳含水率为14.1%、最大干密度为1.89 g/cm3时，测得三渣稳定粉粘土试件的CBR值均大于30%、回弹模量均大于200 MPa，远超规范的要求，满足路基填筑要求，证明其可用于路基填土。