采用动态锥入度指数评估塘渣-粒化高炉矿渣稳定路面基层的性能

《Transportation Geotechnics》：Performance evaluation of pond ash–GGBS stabilized pavement subbase using dynamic cone penetration index

　　

摘要

利用池渣（PA）和粒化高炉矿渣（GGBS）等可持续材料可以有效减少环境污染。本研究旨在探讨PA和GGBS以0%至30%的比例用于路面基层中的适用性。研究涉及考察PA和GGBS对压实特性、无侧限抗压强度（UCS）、浸水加州承载比（CBR）和动态圆锥贯入试验（DCPT）的潜在影响。此外，在实验室模型水箱中15厘米和20厘米深度处进行了DCPT测试，以验证CBR值与DCPT结果的一致性。本研究的主要目标是确定在不同养护条件下，通过CBR–DCPT相关性推导出的浸水CBR值能够满足路面基层规定强度要求的最优深度。本研究还评估了对路面厚度的理解以及如何为柔性路面基层确定最小基层厚度。从试验结果可以看出，掺入25% GGBS后，PA的CBR值在4天浸水和28天浸水条件下分别从8.78%提高到46.4%和70.68%。掺入25% GGBS后，PA在28天养护条件下UCS值达到最大值2000 kPa。研究证明PA和GGBS可作为柔性路面基层的可行替代材料。

引言

传统材料在柔性路面中的大量使用导致了自然资源和高品质材料的短缺，同时增加了温室气体排放。与此同时，建设成本也给可持续路面建设带来了重大挑战。在此背景下，工业废料在柔性路面建设中的应用有助于克服这些局限并减少温室气体排放。工业废料因其大量可用、低成本且经济可行而被用作传统材料的替代品。除各种工业副产品外，本研究使用PA和GGBS来增强路面结构性能。

池渣是火电厂燃煤燃烧的副产品，主要成分为二氧化硅、氧化铝和氧化铁。由于其低堆积密度和高吸水能力，研究人员将其作为路面基层和路基填土的替代地质材料[1]。早期研究[2]、[3]最初关注松散和压实池渣材料的岩土特性，建立了土石工程中必要的基本工程特性。Sreedhar和Manoj[4]研究了石灰稳定对PA压实特性和CBR的提升作用。

后来的研究侧重于化学稳定化以提高承载阻力。Chand和Subbarao[5]、Priyanka[6]以及Suthar和Aggarwal[7]评估了石灰稳定池渣的强度、水力、CBR和耐久性能。进一步的研究集中于利用纤维增强压实PA（Swain和Nayak, 2012; [8]、[9]、[10]）控制道路建设中的沉降。对PA经济可行性的进一步探索则基于其环境效益和工业可扩展性，从成本效益角度与传统材料进行了比较评估。

GGBS是钢铁工业的副产品，由于其优异的火山灰活性和水化反应特性，已被广泛研究在岩土和道路建设中的潜在应用，因此GGBS可作为标准粒状基层材料的可行替代品Sridevi和Rao [11]。Dev和Robinson [12]通过研究PA在道路控制低强度材料（CLSM）中的应用，拓宽了工业废料材料的范围。结果表明PA可转化为具有良好流动性和强度的工程填料，从而提供可持续的废物管理方案。总体而言，上述研究确认池渣在CLSM中的应用非常有限。Kedar和Patel [13]报道，火山灰反应可以显著增强强度发展，通过化学活化可实现低等级F类粉煤灰的结构化应用。Yadu和Tripathi [14]以及Venkateswararao和Alisha [15]、Venkateswararao等 [16]对稳定高压缩性土壤工程行为的研究表明，GGBS可提高强度性能。此后，[17]、Raju等2021a、Raju等2021b、[18]评估了GGBS单独使用或与粉煤灰或石灰结合稳定黑棉土的效果。研究发现GGBS在膨胀土路基条件下的改善是有效的。Rajak等[19]研究了GGBS对池渣掺土路基稳定性的影响。其他研究表明，粉煤灰稳定矿渣混合物可作为传统地质材料的可持续替代品，并适合作为道路基层材料[20]、[21]。添加12%碳化钙残渣可使粉煤灰地聚物强度提高1.5倍，同时显著降低碳足迹[22]。 当回收沥青路面与粉煤灰地聚物混合时，观察到更优异的耐久性能[23]。粉煤灰和大理石粉的协同效应可使黏土的CBR值和回弹模量显著提升[24]。

建筑垃圾废物的利用将是路面应用中传统采石场粒状基层材料的可行替代方案[25]。添加污泥灰可显著改善低塑性黏土的工程特性[26]。在加筋土中，PA-土工格栅复合材料可有效地用作填料[27]。通过在低塑性黏土中加入数控（CNC）铣削废螺旋体，修改了其性能。此外，由于CNC与黏土混合使CBR提高了20%，路面厚度显著减少[28]。污泥灰和石粉的联合使用增强了低塑性粉土的岩土特性[28]。88%PA、3%石灰和9% GGBS的组合可满足柔性路面中等至重型交通荷载的基层要求[29]。表1展示了近期关于添加剂对PA行为影响的研究。

大多数现有的池渣和GGBS研究仅关注基本强度参数、力学和工程特性。然而，关于PA和GGBS联合使用的特定研究空白仍未完全填补。关于PA和GGBS稳定化与DCPT分析相关的研究十分有限。不同深度下的性能评估尚未得到研究。需要更多的实验研究来充分理解这种环保材料的优势。此外，微观结构研究仍是一个需要深入研究的方向。因此，将GGBS作为稳定池渣的可持续添加剂在交通和岩土应用中具有新颖而重要的意义。

为解决已识别的研究空白，本研究通过实验探索PA和GGBS在路面应用中的潜在用途。进行了压实、UCS、CBR和DCPT测试以评估这些混合料的行为。本研究的目标是确定在不同养护条件下，通过CBR–DCPT相关性推导出的浸水CBR值能够满足路面基层规定强度要求的最优深度。

本实验的成果将促进PA和GGBS的使用，从而推动可持续建设实践，如路面和岩土应用，在经济、工程和环境方面均具有益处。

节选摘要

材料

本研究采用池渣和GGBS，各材料的特性和级配曲线分别见表2和图1。

材料混合比例

本研究中采用了不同的混合比例，详见表3。PA和GGBS的比例从0%到30%，随着GGBS比例的增加，PA比例相应降低。本研究中首先以5%的GGBS增量来确定添加剂用量与岩土性能之间的最佳相关性。混合比例从0%到30% GGBS以5%为步长递增[30]。

GGBS对压实参数的影响

图4展示了PA中GGBS含量从0%到30%递增时的压实曲线。随着GGBS从0%增加到25%，最优含水率（OMC）呈下降趋势，而最大干密度（MDD）则有所提高；具体而言，OMC从33.9%降至24.6%，MDD从10.74 kN/m³增至13.3 kN/m³（对应25% GGBS）。OMC的降低可归因于GGBS较低的水分吸收特性。MDD的提高则可归因于GGBS的比表面积和细颗粒的综合影响。

结论

基于对提供输入数据的分析，可以得出以下结论：

• 1.
  观察发现，在0%至30%范围内向PA中添加GGBS改善了其压实特性，在25% GGBS掺量下OMC从33.9%降至24.6%，MDD从10.47 kN/m³增至13.3 kN/m³。这种改善主要是由于颗粒填充更加紧密。
• 2.
  GGBS与PA的混合使CBR显著改善，从8.78%提升至最大值46.4%。

CRediT作者贡献声明

T. Venkateswararao：撰写—初稿，方法论，调查研究，概念构思。E.Ramanjaneya Raju：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，监督，调查研究，概念构思。M. Heeralal：撰写—审阅与编辑，监督。

资金支持

作者声明本研究未收到任何资金支持、资助或其他拨款。

未引用参考文献

[48]、[49]、[50]、[51]、[54]、[55]、[56]、[59]、[60]、[62]、[63]。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢Vasireddy Venkatadri国际科技大学（印度）提供进行本研究所需的实验室设施。

T. Venkateswararao|E.Ramanjaneya Raju|M. Heeralal