石灰處治炭質泥巖路用性能研究

魏 密，李雪芹，余承喜

(1.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

炭質泥巖于我國廣西及西南山區等地廣泛分布，其因富含炭質常表現出易崩解、遇水易軟化膨脹、受載條件下承載力偏低等諸多不良特性[1]，高速公路等工程建設中多采用繞道避行或棄土換填等處理措施，施工成本大幅增加[2]。而隨著我國交通事業的迅猛發展和環保要求的不斷提高，直接取土或開山采石等方式獲取的天然優質填料已不能滿足路基填筑的緊迫需求，資源匱乏使得利用炭質泥巖這一不良填料修筑路基勢在必行。隨之而來的是，施工及服役期內炭質泥巖的工程表現已被相關研究人員持續關注。

近年來，已有學者意識到炭質泥巖的特殊性能并針對沉降變形及邊坡失穩等常見問題進行探索。鄧輝等[3]通過室內試驗對炭質泥巖填料的路用性能進行考察，綜合考慮多項指標后指出炭質泥巖僅適用于93區及以下位置的路基填筑。馬慧君等[4]以廣西境內的廢棄炭質泥巖為研究對象，建立了四參數多元回歸模型對其沉降特性進行預估分析，并借助實測數據驗證了模型的合理性。莫凱等[5]以實際工程為依托，借助數值計算軟件，分析了半正弦荷載下不同工況對應的炭質泥巖路堤動力變形響應。葉朝良等[6]進行的系統性室內試驗結果表明，炭質泥巖因具有較強的親水能力而導致遇水軟化后沉降變形大幅增大，隨后提出路基施工時應嚴格防控填料浸水軟化以避免工后及運營期沉降過大而危害行車安全。班鷹[7]深入分析了實際工程中炭質泥巖邊坡滑塌的本質原因并提出了保障工程安全的施工要點。劉新喜等[8]基于蠕變本構模型，討論了考慮炭質泥巖的蠕變特性對其邊坡安全系數的影響。研究發現若考慮蠕變特性，邊坡位移量較不考慮蠕變特性有明顯增大而安全系數則降低約20%，可見在分析炭質泥巖邊坡穩定性時應重點關注其蠕變特性。

綜上所述，已有成果多關注于炭質泥巖本身的多項特性與演化規律并為工程實際提供了大量有益參考，但關于化學處治炭質泥巖路用性能的研究卻鮮見報導?；诖?，本文對炭質泥巖路基填料進行石灰處治，通過室內試驗考察其崩解情況、CBR及抗壓強度等路用性能，以期為類似工程實踐提供參考依據。

1 天然炭質泥巖工程性質分析

1.1 基本物理性能

本文所用炭質泥巖取自廣西壯族自治區，依照《公路土工試驗規程》(JTG E40-2017)中所要求的測定方法，對其進行室內基本物理性能試驗。顆粒分析結果如圖1所示，計算可知不均勻系數為Cu=3.7<5且曲率系數Cc=0.9<1，據此判定該炭質泥巖具有不良級配，難以充分壓實。此外，擊實試驗與界限含水率測定結果列于表1。

圖1 炭質泥巖顆粒級配曲線圖

表1 基本物理性能測試結果統計表

隨后，對炭質泥巖試樣開展X射線分析以探究礦物成分對其路用性能的影響。由表2結果可知，該試樣中長石含量達16.21%，復雜環境條件及降雨入滲等因素共同作用導致長石變為蒙脫石等親水物質，比表面積增大且顆粒間結合水膜變厚，進一步削弱了顆粒間的連接力，進而易出現崩解現象。

表2 炭質泥巖成分分析表

1.2 崩解與無側限抗壓強度試驗

前期研究顯示，炭質泥巖因崩解而強度衰減是導致其填筑的路基易發生病害的關鍵問題。為此，對炭質泥巖試樣開展崩解試驗以考察其崩解特性，試驗方法參考已有文獻[9]，結果如圖2所示。分析可知，試樣質量的崩解損失量隨干濕循環的增長而增大，直至經歷6次循環后崩解趨于穩定，造成的質量損失率約為10.3%。

圖2 炭質泥巖崩解試驗結果曲線圖

從表3不難看出，炭質泥巖的單軸抗壓強度隨其濕度水平的增加而明顯降低。綜合圖2所示崩解性試驗結果，可知當所處環境的濕度較大時，炭質泥巖會崩解裂化為粒徑更小的顆粒，導致強度驟減而引發路基災變。

表3 炭質泥巖單軸抗壓強度數值表

1.3 CBR與膨脹率試驗

CBR值可反映填料強度，故對本研究炭質泥巖進行CBR測試，同時，也關注其膨脹率，試驗時試件壓實度選定為96%。數據顯示，該炭質泥巖的膨脹率為0.91%，不及《公路路基設計規范》(JTGD30-2015)中以40%作為界限值的判斷依據。此外，CBR值為7.35%，不滿足高速公路和一級公路路基填料的CBR值不得低于8%的要求。顯然，此天然炭質泥巖路基填料需改良處治以提高路用性能。

2 石灰處治炭質泥巖路用性能

2.1 擊實試驗

對不良填料進行化學處治時，添加石灰的方法因取材容易而被廣泛采用。參考已有文獻關于改良土石灰摻量的相關說明[10]，分別對天然炭質泥巖加入4%、6%、8%及10%的生石灰(含70%氧化鈣)。隨后，對石灰處治填料進行重型擊實，試驗結果匯總于表4。

表4 石灰處治炭質泥巖擊實結果表

觀察表4，發現石灰的加入提高了炭質泥巖的最佳含水率，降低了炭質泥巖最大干密度?？赡艿脑蚴巧抑泻械难趸}等礦質與炭質泥巖內部的水發生反應產生氫氧化鈣等化合物，且反應過程中持續放熱消減了泥巖水分，導致最佳含水率有所升高。同時，反應過程中帶來的氫氧化鈣與炭質泥巖中的石英等硅酸鹽物質反應生成硅酸鈣等膠體繼而與其他顆粒出現凝聚現象，使得炭質泥巖密實效果降低，干密度出現衰減。

2.2 無側限抗壓強度試驗

根據表4給出的各石灰摻量對應的炭質泥巖技術參數，制備最佳含水率和96%壓實度下的試件并按規范養護7 d，隨后測定無側限抗壓強度，試驗結果如圖3所示。

圖3 炭質泥巖7 d無側限抗壓強度曲線圖

圖3表明，7 d無側限抗壓強度隨石灰摻量的增多而持續變大，且當石灰摻量為8%時其值超過0.8 MPa。這是因為石灰水化所得的水化物不但與石灰顆粒共同形成堅硬骨架，還使炭質泥巖顆粒穩定成團。對于高速公路而言，通常采取0.8 MPa作為路床填料的強度控制指標[6]，因此，全面考慮上述試驗結果以及經濟成本，認為8%可作為改良炭質泥巖的最佳石灰摻量。

2.3 改良效果驗證

采用體現路基抗變形性質的指標即回彈模量，以檢測石灰處治炭質泥巖的實用效果。將添加8%石灰的炭質泥巖按要求在路基現場填筑試驗段。通過便攜式落錘彎沉儀測定路基頂面回彈模量，承載板直徑為30 cm。分析表5中現場實測結果，12個測點的回彈模量值最低為60.7 MPa，平均值為79.2 MPa。根據現行的2017版瀝青路面設計規范要求，路基頂面回彈模量≥50 MPa，因此，摻入8%石灰的炭質泥巖滿足路基填筑要求，路用性能較好。

表5 路基現場回彈模量實測結果表(MPa)

3 結語

本研究通過對炭質泥巖的基本物理性能、崩解情況、抗壓強度及CBR等指標進行室內試驗，得到如下關于其路用性能的主要結論：

(1)炭質泥巖內部因石英與長石含量較高，外界環境下長期風化作用使得其逐漸產生蒙脫石等親水物質并持續積累，導致干濕循環下炭質泥巖發生崩解，且此過程帶來的崩解損失約為總質量的10.3%。此外，炭質泥巖的抗壓強度在干燥狀態下高于吸水狀態。

(2)對天然炭質泥巖開展的CBR試驗結果表明，其強度較低，不滿足現行規范規定值?；诖?，需對其穩定性和強度給予高度重視。

(3)經石灰處治后炭質泥巖的無側限抗壓強度與最佳含水率有所提高，最大干密度出現降低。同時，以滿足強度為標準，發現8%的石灰摻量可使路基現場的回彈模量實測值達到要求。進而，從經濟性角度出發，8%可作為炭質泥巖改良時的最佳石灰用量。