公路基层钢渣二灰土稳定性试验分析

安杰

（唐山交通建设试验检测有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

钢渣作为冶金工业的废渣，其产生量逐年增加，钢渣资源化利用问题日益受到各界的关注和重视。公路基层作为公路的重要组成部分之一，具有承上启下的作用，一旦基层结构失稳，将对路面结构造成严重影响，因此，确保基层的整体稳定性十分重要。二灰土在基层施工中较为常见，向二灰土中掺入适量的钢渣，能够达到改良的效果，可使基层的稳定性进一步提高。本文对公路基层钢渣二灰土稳定性试验进行分析。

1 工程概况

某公路工程中的一个路段全长11.765km，该路段所处地区的气候变化较大，雨季集中在每年的7～8月，在此期间，公路路基处于保水状态。在冬季时，受低温影响，公路基层会形成季节性冻土，随着冻融不断循环，基层材料的强度大量损失，基层稳定性下降。为解决这一问题，可在基层施工掺入适量的钢渣，制备成钢渣二灰土。下文通过试验分析钢渣二灰土的稳定性。

2 公路基层钢渣二灰土稳定性试验

钢渣二灰土稳定性试验包括以下内容：界限含水率试验、击实试验、干缩试验、冻融循环试验、无荷载浸水膨胀试验、无侧限抗压强度试验等。

2.1 原材料

2.1.1 黄土

从该路段中采取扰动黄土，由工程土分类可知，其属于粉质黏土的范畴。依据现行规范标准的相关要求，检测土壤的物理性质，具体如下：直径大于0.075mm的颗粒含量为9.1%，0.005～0.075mm的颗粒含量为83.3%，小于0.005mm的颗粒含量为8.6%；比重为2.661；最大干密度为1.74g/cm³，与之对应的最佳含水量为15.4%；液、塑限及塑性指数分别为27.5%、18.2%和9.3，掺入钢渣石灰混合料的细料适用于该地区的黄土，可在公路基层施工中应用[1]。

2.1.2 二灰

主要为粉煤灰和石灰，前者的颗粒较细、比重小、孔洞多，形态以粉末状为主，干密度相对较小。相关规范规定，用于公路基层的粉煤灰中氧化铝、氧化铁以及二氧化硅的总含量应达到70%以上，烧失量不大于20%，比表面积大于2 500cm2/g[2]。通过检测，用于试验的粉煤灰氧化物总含量为71.2%，与技术标准的要求相符；后者为胶凝材料，相关研究结果显示，早期抗压强度高的石灰改性土有利于压实，遇水稳定性好。石灰颗粒的表面积与细度有关，二者成正比，即细度越大，表面积越大，掺量相同的前提下，与其他填料的结合越充分。本次试验中使用的石灰，粒径和有效活性均与现行技术标准的相关要求相符。

2.1.3 钢渣粉

该材料中含有部分水泥熟料矿物，如铝酸三钙、铁铝酸四钙等，使钢渣粉具备良好的活性和水硬性，水化反应后，会生成具有胶凝性的水化产物，如水化铝酸、氢氧化钙等。本次试验中，钢渣粉的主要化学成分及组成百分比为：氧化钙38.61%；三氧化二铁27.88%；二氧化硅14.18%；氧化镁00.35；三氧化二铝4.56%；游离氧化钙3.42%[3]。

2.2 试验仪器

根据试验内容，准备相应的试验仪器，具体如下：光电式液塑限测定仪（用于界限含水率试验）；数控电动击实仪和电动脱模仪器（用于击实试验）；标准固结仪和千分表，一种的精度为0.001，另一种的精度为0.01（用于干缩试验和无荷载浸水膨胀试验）；低温试验箱和恒温恒湿保温箱（用于冻融循环试验）；电液伺服万能试验机（用于无侧限抗压强度试验）。

2.3 试样配比

（1）通过掺入少量的粉煤灰能够使二灰土的早期强度得到大幅提升，使道路施工早期强度低的问题得到有效解决，避免了对车辆通行，尤其是重载车辆通行的影响。采用掺入钢渣粉的方法，对二灰土继续改良，使其成为钢渣二灰土，除了能解决强度问题外，还能使大量的钢渣粉被有效利用，基层材料的遇水稳定性也随之提高。依托钢渣粉掺入量的研究成果，在二灰钢渣混合料不掺土的前提下，对比不同级配的性能，使钢渣二灰土的应用具有可行性。借助试验，从中选出路用性能优势较大的掺量范围，以指导施工。

（2）本次试验中的钢渣二灰土是一种混合料，由钢渣粉、粉煤灰、石灰和黄土，按照一定比例加水拌和后，达到所测最大干密度和最佳含水率后，按96%以上的压实度压制而成。设计路基高度时，需要考虑路基所在区域的地表积水、地下水情况以及基底和填筑材料的毛细水作用。同时，要确保路基具有足够的强度、耐久性和稳定性，若是稳定性不足，则应采取相应的措施处理，以减少工后沉降。压实度应与现行规范标准的规定要求相符，即上路堤，路面底面以下0.8～1.5m，一级和二级压实度为94%，三级压实度为93%；下路堤，路面底面1.5以下，一级压实度为93%，二级和三级压实度为92%[4]。

（3）三种龄期分别为14d、28d和56d，做饱水试验时，需应对上述三种龄期的试样逐一测试，无荷载浸水膨胀、干缩、干湿及冻融循环试验，则可选取龄期为28d的试样，这是三种龄期中最具代表性的一种。

2.4 试验方法

2.4.1 击实试验

本次试验中，击实试验采用电动击实仪完成，该方法在细粒土中具有良好的适用性。本次试验中，采用甲类击实方法，具体的试验要点如下：

（1）按土体性质做重型击实试验，在试验正式开始前，应预制5～7种不同含水量的散土样，每种土样的含水量相差2%左右，将土样拌匀后，在常温条件下，密封保存10h。

（2）采用分层的方法，将松散土样分5层装入击实筒，装入一层击实一层，每一层的击实次数为27次，待土样成型后，将击实筒取出，对土样表层做拉毛处理，随后使用脱模仪，将土样从击实筒中推出。

（3）土样制成后，可从中心位置处取小样，分别测定干、湿密度，据此获得与该含水率相对应的干密度。按上述步骤，对不同含水率的土样逐一试验，获得不同的干密度后，绘制出相关曲线，最终得出该配比下的试样最佳含水率和最大干密度。

2.4.2 无荷载浸水膨胀试验

该试验主要是测定在无荷载、有侧限的条件下，试样浸水后，竖直方向的膨胀高度，这个高度与试样原高度的比值，即为膨胀率。这种方法在测定击实土样及原状土样的膨胀率方面具有良好的效果，能较为真实地反映出降雨或地下水升高引起的路基膨胀变形情况。试验要点如下：

（1）分别取两种不同龄期的试样，一种为7d龄期，另一种为28d龄期，随后在环刀上均匀涂抹凡士林，从试样上切取直径58mm、高35mm的试样。随后将切下的试样放置在透水石上，置于器皿中，装好百分表，使其触针接触到上部的透水石，但不发生偏移的现象。

（2）向器皿内注入适量的蒸馏水，使水面与试样的表面高度齐平，自注水便开始计时，直至不再膨胀为止，将变化停止的时间记录下来。随后依据相关公式计算出膨胀率，并绘制出关系曲线。

2.4.3 干缩试验

干缩试验在击实黏质土中具有良好的适用性，主要的试验目的如下：研究常温状态下，无机结合料稳定料暴露一段时间后的干缩量、干缩应变、干缩系数以及失水率等数据的变化情况，绘制出相应的关系曲线，分析失水程度与体积收缩变小的关系。试验内容如下：

（1）依据相关试验规程的规定要求，干缩试验需要细粒土制成的小梁试样，每组4根，两根用于测定干缩量，另外两根用于测定失水量。

（2）取龄期为7d的试样，放置于试验装置上，在正常温湿度的条件下，每天测量一次千分表的读数，当千分表的读数不再发生变化时，说明试样的含水量停止变化。

（3）对试样每天的失水量及千分表上的收缩量数据如实记录，依据规范中给出的公式，计算干缩试验的相关指标。

2.4.4 饱水试验

基层是公路的重要组成部分之一，基本处于地下水位以上，地下水会呈现出上升的趋势，上表面在蒸发作用下，会散失大量水分，含水率会随之变化。通过对上述过程的模拟，可以为研究水对基层土体的侵蚀破坏提供参考依据。借助饱水试验，可在不同饱水时间后，开展无侧限抗压强度试验。从荷载、环境等角度，分析试样在持续饱水破坏后的水稳定性情况，就此判定钢渣二灰土的水稳定性是否与现行规范的要求相符。试验内容如下：

（1）依据相关试验规程的规定，制作直径为50m、高50mm的试样，每组制作三个，分别测出无侧限抗压强度后，取平均值。随后取三种不同龄期的试样，分别为14d、28d和56d，将三种试样全部置于自然环境中，风干24h，随后使试样完全饱水。

（2）将滤纸垫在试样的底部，以免转移试样时造成破损，随后将试样连同滤纸一并置于透水石上，向水槽内注入清水，使水位达到透水石顶面以下1.0mm的位置处，此时水槽应保持平稳。在孔隙水压力的影响下，以透水石替代吸水通道，模拟自然条件下的吸水过程，通过对吸水时间的控制，模拟出试样的饱水过程。

（3）当试样吸水饱和后，其表面会存在一部分自由水，将其擦干后，依据相关试验规程的要求，对试样做无侧限抗压强度试验。在试验过程中，要注意以下事项：将加载速度设定为匀速，控制在0.5MPa/s，加载速率保持在1.0mm/min，避免过慢或过快，影响试样破坏的模拟效果[5]。按照规范给出的公式，计算出试样饱水后的无侧限抗压强度，据此分析不同试样在不同饱水时间的变化规律。

2.4.5 干湿循环试验

本工程所在地区的降雨集中在每年的7～8月，这两个月中的降水量相对较大，全年的蒸发量也较大。使得公路基层土体常年处于干旱与降雨相互交替的环境中。在对改良的钢渣二灰土开展干湿循环试验时，需要模拟出当地的各种气候条件，以循环吸水和失水的方式，使试样膨胀、收缩，基于环境因素，分析试样的破坏程度，据此判断钢渣二灰土的水稳定性，看是否满足规范要求。试验要点如下：

（1）试样的规格与饱水试验的试样规格相同，即直径50mm、高度50mm。将试样放置于自然环境中风干24h，以此来模拟干燥过程。

（2）将试样放置在铺设滤纸的透水石上，置于水槽内，吸水24h后，为一个干湿循环。

（3）当试样吸水完毕后，可以做无侧限抗压强度试验，先将表面的水擦干，利用相应的公式，计算循环次数为2次、4次、6次、10次时试样的无侧限抗压强度，最终得出试样的强度损失情况[6]。

2.4.6 冻融循环试验

本工程所在地为季节性冻土区，春秋两个季节的昼夜温差很大。土体在冻融作用下会出现冻胀及压缩下沉等现象，由此对公路基层土体的稳定性产生一定程度的影响。基于环境因素，分析试样的破坏情况，对试样进行冻融后，测出抗冻性指标，从而判断钢渣二灰土的稳定性，看是否与相关规范要求相符。试验内容如下：

（1）选用圆柱形试样，龄期为28d，直径为102mm，高度为102mm，试验开始前，先将试样以密封的方式保存。

（2）将试验中的冻结温度调节至-20℃，融化温度调节为20℃，由于试样处于密封状态，在不失水的前提下开展冷冻-融化的循环试验，循环次数为1次、2次、5次和10次[7]。对融化后的试样做无侧限抗压强度试验，按照相关公式，计算出试样的强度损失程度及抗冻性指标。

（3）试样在冻融一次后，强度出现下降的趋势，速率相对比较平缓，当试样冷冻后，部分孔隙水结冰，导致体积膨胀。土中的水力梯度开始扩大，对冻结的部分产生冻胀作用，在冻胀过程中，土层产生出一定的膨胀力，使土体颗粒之间相互挤压，结构随之变得疏松，土颗粒的粒距增大，与水混合后，出现鼓胀的现象[8]。经过5次冻融循环后，冰冻胶结和冻胀破坏的效果全部开始减弱，抗压强度趋于稳定；经过10次冻融后，试样仍然保持较高的抗压强度，由此说明，钢渣二灰土的稳定性较高。

3 结语

为验证钢渣对公路基层二灰土的改良效果，通过试验，研究分析了钢渣二灰土的干缩、膨胀、抗冻性、水稳定性以及抗压强度等工程特性，为钢渣的资源化利用提供支撑。经过钢渣改良后的二灰土基层，整体稳定性得到大幅度提升，可以保证公路的施工质量。