电石渣稳定过湿黏土路基填料路用性能现场试验研究

杜延军 刘松玉 覃小纲 魏明俐 吴继峰，2

(1东南大学岩土工程研究所，南京210096)

(2江苏鸿基科技有限公司，南京210008)

江苏常州某绕城高速公路地处长江三角洲地带，周边缺乏优质路基填料.为避免外地调运推高建设成本，同时节约本地耕地资源，拟选用京杭大运河开挖土作为路基填料.这种土在长三角和太湖冲积平原地带大量分布，其天然含水率(多不低于30%)虽未达到液限，但大大高于最优含水率(一般在14% ～17%)，且土中黏粒含量较多，工程中称之为过湿土[1].过湿土难以碾压击实，强行碾压后的过湿土填料可能会导致路基遇水崩塌、干缩开裂等病害，因此需经一定技术处治才能用作填料.

石灰作为不良填料的固化稳定剂，已在工程实践中得到广泛的应用和研究.但是石灰稳定土中的CSH凝胶收缩后可能引起路基开裂[2]，其稳定效果也随干湿循环次数的增加而衰弱[3]，可能导致路面反射裂缝或路基失稳等病害.另外，石灰施工时易扬尘，影响周边环境.而采用工业废渣作为筑路材料，不仅造价低，且能解决废渣的存储和污染问题，逐渐成为研究应用的热点.方祥位等[2]、孙树林等[4-5]分别以不同的工业废渣为主要原料研发了新型土壤固化剂，对软土、黄土和膨胀土取得了较好的改性效果;庞巍等[6]探讨了采用电石灰改良滨海地区盐渍土路基的可行性.

电石渣是电石水解获取乙炔气时生成的废渣，主要成分为氢氧化钙.由于具有高碱性，长期堆放易造成土地钙化、污染周边水土.采用电石渣改良过湿黏土作为路基填料，可望满足路基填土的路用性能要求，并解决电石渣露天堆放导致的环境污染.基于此，本文通过在常州西绕城高速F匝道现场填筑试验段分别测定电石渣和石灰改良路基的CBR、回弹模量和贯入阻力等力学指标，对比分析2种改良剂对路基填土力学性能的影响规律，对电石渣改良过湿黏土路基填料的有效性进行验证.

1 电石渣性质和稳定原理

电石渣取自江苏常飞乙炔制造公司.采用氮吸附分析仪、马尔文激光粒度仪和X射线荧光光谱仪等分别测定电石渣和生石灰的化学成分、粒度分布等特性指标，如表1和表2所示.由表可见，电石渣中钙含量与生石灰基本一致，SiO2和Al2O3含量略高于生石灰.电石渣中粒径小于74 μm的颗粒含量明显多于生石灰，74 μm以上的颗粒含量仅约为生石灰的一半，比表面积远高于生石灰，约为后者的5倍.

表1 改良剂的主要化学成分 %

表2 改良剂的主要物理化学指标

上述结果表明，和生石灰比较，电石渣也具备离子交换、火山灰反应、碳酸化反应和结晶反应所需的Ca2+，并且能提供碱性激发环境以促进火山灰反应的进行;同时，电石渣比表面积更大，利于促进上述物理化学反应的充分进行.因此，只要施工前采取合适的翻拌和晾晒措施，将电石渣的含水率(约60%)降至符合施工要求的水平，并避免长时间与空气中的CO2发生碳化，电石渣就能够与过湿土发生一系列物理化学反应，改善过湿土路基填料的工程性质.

2 现场试验方案

2.1 试验段概况

所用过湿黏土的物理指标如表3所示.该土样的细粒含量占97.5%，液限低于50%，塑性指数为17.9，属于低液限黏土，其天然含水率未达液限但明显高于最优含水率，难以碾压击实，且CBR小于8%，无法直接用作路基填料.

表3 试验段过湿黏土的物理指标

试验段总长100 m，路堤填筑高度为1.6～2.6 m，94区和96区各分4层填筑，每层压实厚度约20 cm.试验层为路堤中部的94区④ 层和96区①层，电石渣掺量(电石渣干重与素土干重比)和生石灰掺量(生石灰重与素土干重比)分别为5%和6%.路基断面见图1.施工前，为防止现场堆放的电石渣因长期暴露于空气发生碳化，需在其表面覆盖密封薄膜.由于电石渣含水量较高(约60%)，需翻晒降低含水量至接近最优含水率后再与素土拌和.施工工艺与石灰稳定填料相同，采用路拌法施工.分层碾压时，按照《公路路基施工技术规范》[7]要求控制压实度(路床压实度大于等于96%，上路堤压实度大于等于94%).试验层养护17 d后进行后续施工，期间第8～14 d天气为中雨.

图1 试验段路基横断面示意图

2.2 试验方法

依照《公路路基路面现场测试规程》[8]，在 0，7，17 d龄期时[8]分别开展土基CBR试验、承载板法测定回弹模量试验和动力锥贯入测试.测点布置如图2所示(C4和D4测点仅进行了贯入阻力测试).

图2 测点平面布置图(单位:m)

2.2.1 土基CBR试验

平整测点周围土表，安装贯入杆、千斤顶、支架平台、百分表和承载板等测试设备，由载重汽车提供反力.用45 N贯入荷载清零测力计和百分表，启动千斤顶使贯入杆以1 mm/min的速度压入土基，达到规定贯入量时读取测力计读数，绘制并修正压强-贯入量曲线，读取规定的荷载压强P，按下式确定现场CBR:

式中，P0为对应贯入度的标准压力.

2.2.2 承载板法测试回弹模量试验

平整土基表面，安装承载板、千斤顶等加载设备，确保千斤顶和衬垫物安装垂直，之后安放弯沉仪，采用逐级加载卸载的方法，测出每级荷载下相应的土基回弹变形值，按下式计算土基回弹模量:

式中，μ0为土的泊松比，取0.35;D为承载板直径，本次试验中D=30 cm;pi为承载板压力，MPa;Li为对应的回弹变形，cm.

2.2.3 动力锥贯入测试

动力锥贯入仪(DCP)的落锤质量m=10 kg，锥尖角度为60°，落距h=1 m.安放探杆时保持竖直，让落锤从探杆顶端自由下落.每击打5次读一次数，记录贯入量.连续击打，直至贯入至所需的深度.动力锥贯入指数(DCPI)和土体贯入阻力(Rs)计算公式如下:

式中，ΔDp为贯入深度，mm;ΔBc为对应的锤击数;Pd为锥头贯入距离，cm;Ws为土体反力所做的功，J;g为重力加速度，m/s2;v0为落锤的初始速度，m/s(本试验中为0);v为落锤的速度，m/s.

3 结果分析与讨论

3.1 土基CBR

土基CBR值反映了路基抗局部剪力的性能，是衡量路基填料强度的重要指标[9].以94区④ 层为例，不同龄期下各测点的土基CBR如图3所示.可见，0 d时电石渣稳定填料的CBR和生石灰稳定填料较为接近，均值都为45左右;7 d时，2种改良填料的CBR值有不同程度的提高，其中电石渣稳定填料的改良效果更明显，CBR均值为117，高于石灰稳定填料的97;17 d时，由于降雨入渗引起路基填料含水量增加(水稳性降低)，并可能导致稳定填料中钙离子溶出，进而抑制电石渣(或生石灰)与填料土的火山灰反应[3，10]，因此填料 CBR 下降.对比而言，电石渣稳定填料的CBR均值降至99，高于石灰稳定填料的77，表明电石渣稳定填料的局部抗剪切能力要优于石灰稳定填料.

图3 土基CBR随龄期的变化

3.2 回弹模量

图4 回弹模量随龄期的变化

回弹模量是路基路面设计的重要参数之一[11].以94区④ 层为例，不同龄期下各测点的回弹模量(Mr)如图4所示.可见，养护初期，2种稳定填料的Mr基本相同;养护至7 d时，电石渣稳定填料的Mr明显增大，均值约为养护初期的2倍.7 d后由于降雨阻碍了改良反应，Mr并未随龄期持续增长，17 d时较7 d时略有降低.已有研究表明[12]，浸水在养护初期利于改良反应的进行，14 d后则呈明显的副作用，并导致回弹模量减小.相较于养护初期，17 d时电石渣稳定填料的Mr均值仍增大了53%.对比而言，石灰稳定填料的抗回弹性能在养护期间的变化较小，7 d和17 d时其均值仅增加14%和8%.可见，电石渣稳定填料的抗回弹性能要明显优于石灰稳定填料.

3.3 动力锥贯入试验

动力锥贯入试验可简单有效地判定路基材料的力学性能.以94区④层为例，不同龄期下各测点的贯入指数(DCPI)值如表4所示.

表4 不同龄期下各测点DCPI值

图5 不同龄期时贯入阻力对比

养护初期，电石渣稳定填料的DCPI略大于生石灰稳定填料;至17 d时，电石渣稳定填料的DCPI为2.3 ～3.1，低于石灰稳定填料的3.0 ～5.4.材料刚度越高，其DCPI越低[13].这与图5中贯入阻力随龄期的变化规律一致.养护初期各测点Rs约在20 kJ/m以下;降雨后Rs有所下降，但17 d时电石渣稳定填料的Rs较0 d时仍有提高，而生石灰稳定填料在17 d时仅与0 d时基本相同.这也表明，随着龄期增长，电石渣稳定填料的力学性能和水稳定性均优于生石灰稳定填料，该结论与作者开展的室内试验结论[14]一致.

3.4 相关性分析

结合贯入试验，通过DCPI-CBR和DCPI-Mr的相关性换算路基材料的力学参数是近年的研究热点.尽管有研究表明，在DCPI与CBR或Mr的相关性公式中加入路基填料的物理特性指标(例如干密度、液塑限等)可适度提高相关关联度[15]，但建立DCPI与CBR或Mr的对数相关性则具有更好的工程可操作性[13]，我国《公路路基路面现场测试规程》[8]也推荐 DCPI与 CBR或 Mr为对数相关关系.据此，本研究采用对数方程拟合2种稳定填料试验层位各测试点处的DCPI与CBR和Mr的相关性，结果如图6所示.受各测点处含水率、施工和测量误差等因素影响，各组实测数据均有一定程度的离散.尽管CBR和动力贯入试验方法不同，但两者本质上测量的是同一种性质[16]，故2种填料的DCPI与CBR的相关性均较高.Mr和DCPI表征了材料的不同性质，上述影响因素对两者的作用规律不尽相同，故DCPI与Mr的相关性较低.这与文献[13]的规律相一致.对比而言，生石灰改良填料相关性(R2=0.099)明显低于电石渣改良填料(R2=0.594).

图6 试验结果相关性

4 经济和社会效益分析

采用电石渣作为改良剂稳定过湿黏土路基填料不仅具有良好的工程特性，还具有显著的经济和社会环境效益.表5为采用不同改良剂方案的成本对比.可见，由于电石渣的单价不足生石灰的1/10，可以大幅降低工程成本.另一方面，石灰施工时有严重的扬尘现象，易对施工人员的健康和周边环境产生不利影响;而电石渣施工时无扬尘(见图7)，避免了上述问题.此外，生产1 t生石灰需释放0.8 t CO2，大量使用生石灰不利于减少温室气体排放;而电石渣是获取乙炔时生产的废渣，其生产过程中CO2排放少.采用电石渣作为稳定剂，符合国家二氧化碳减排和废弃物循环利用的政策.

表5 电石渣和生石灰的成本对比

图7 电石渣和石灰施工扬尘对比

5 结论

1)电石渣的含Ca2+量和碱性激发能力与生石灰相近，但比表面积远大于生石灰，更利于改良土内的离子交换和火山灰反应等物理化学反应的充分进行.

2)在相同掺量下，随着龄期增长，电石渣稳定填料的水稳定性更佳，CBR和Mr等力学指标改善显著且性能较均匀，与DCPI相关性较高，明显优于石灰稳定填料.

3)电石渣的工程成本低，不足生石灰的1/10;且生产过程中CO2排放少、施工中无扬尘，利于节能减排、保护环境.

4)现场试验结果表明，采用电石渣稳定过湿黏土路基填料，具有良好的工程应用前景和显著的社会经济效益.

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