坦桑尼亚水稳红土砾料性能探讨
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摘 要：红土砾料是撒哈拉以南非洲地区常见的一种筑路材料，本文介绍了红土砾料在坦桑尼亚Geita-Usaaara公路项目中水稳底基层的应用过程，通过对红土砾料技术性能的统计分析，分析了不同红土砾料的级配组成，进行了不同含水率的击实试验，获得最佳含水率和最大干密度，并在此基础上开展了CBR试验，获得不同红土砾料的承载特性，进行了不同剂量的水泥配合比试验，得出了不同的UCS结果，总结出了红土砾料在该项目的应用技术，为后续类似项目提供一定的参考价值。
关键词：红土砾料 水泥稳定 底基层 UCS
中图分类号：U412 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）12（a）-0117-04
红土砾料是非洲地区广泛存在的一种天然筑路材料，根据法国、英国的研究资料，及其他在工程中应用过红土砾料的非洲国家的工程经验，一般认为红土砾料是在热带非洲地区典型的旱雨两季交替循环的条件下形成的。与弱酸性雨水的下渗、砾料原岩中不溶性铁、铝、硅等氧化物的胶结、复合、脱水等过程相关。颜色上有红褐色、黑褐色、土黄色等多种类别，但一般均由圆球状的铁质铝硅结合物、破碎微孔块石及碎屑和粉质粘性土组成。
坦桑尼亞公路工程设计施工中，因红土砾料天然料源特性不同，外观、颗粒级配、力学及物理性能均表现出较大差异性，主要用在垫层与底基层结构。其中性能较好的红土砾料可以作为被稳定材料用于路面结构。但红土砾料的组成复杂、种类较多，其工程性质与组成有很大关系，特别是受其中的粘性土的影响。本文依托坦桑尼亚Geita-Usagara公路项目建设，对所用的红土砾料进行了级配分析和击实试验，并完成了不同压实度水平下的CBR试验，分析了不同红土砾料的承载特性。进行了不同剂量的水泥配合比试验，得出了不同的UCS结果，总结出了红土砾料在该项目的应用技术，为后续类似项目提供一定的参考价值。
1 工程概况
坦桑尼亚Geita-Usagara公路工程项目（简称118公路），位于坦桑尼亚西北部，是坦桑尼亚政府自筹资金集设计与施工于一体的公路工程。公路全长90km，分为LOT1、LOT2两个标段。本工程于2008年1月7日签定合同，开工日期为2008年2月1日，工期两年，缺陷责任期为竣工验收之日起3年。施工主要内容包括路基土石方、底基层（水泥稳定层）、基层（碎石层）、双表处路面、桥涵及轮渡码头施工等。
2 材料要求
按照坦桑尼亚施工规范，红土砾料的原材料性质需满足以下要求，才能用作水泥稳定层。 检测方法按CML Tests-Tanroads中心实验室标准和方法确定。
2.1 料场勘探
首先确定红土砾料料场的大致边界，在红土砾料料场内网状布点，每50m一个点进行探挖，分别记录每个点的覆盖层厚度与红土砾料层厚度，并在CAD上标注每个点，并作网状图，确定每个点代表的面积，如表2所示，作储量计算表，计算得出红土砾料料场的可开采量。如图3所示，根据试验CBR结果，划定不同的区域，进一步精确开采位置。
2.2 性能分析
2.2.1 整体分析
级配筛分是土质分类标准的主要指标之一，为了测定红土砾料中各粒组占土粒总质量百分数，按照CML筛分的尺寸要求，对红土砾料料场进行取样筛分，各个粒径通过率见表3所示。
其中5mm通过率的平均值为47.3%，可见其粗集料含量接近50%;0.075mm通过率平均值为14.9%，粉料含量接近15%。骨架结构良好，填隙细料含量适当，能够产生优异的力学性能。每个粒径的通过率分布窄幅震动，级配稳定，波动较小，这对于施工碾压以及工程质量的把控是非常有利的。
2.2.2 原材性能分析
通过对红土砾料其他性能的实验，汇总数据如表4所示。
最大干密度与最佳含水率指标是反映红土砾料性质的重要指标，可通过击实试验测定红土砾料的最大干密度与最佳含水率。118项目最大干密度平均值为2.051g/cm3，主要分布在2～2.1g/cm3的范围内，标准差为0.07，变异系数为0.03，集中度较高;最佳含水率平均值为10.8%，主要分布在10%～12%范围内，标准差为1.64，变异系数为0.15，集中度也较高。说明项目红土砾料性质较为稳定，最大干密度和最佳含水率波动幅度不大，有利于施工中工程质量的控制。
液限、塑限是红土砾料的重要物理特性指标，反映了水分对红土砾料性质的影响。118项目水稳所用红土砾料塑性指数平均值为14.5%，满足小于20%的规定。
通过对项目红土砾料CBR数据分析，可见118项目沿线红土砾料性质良好，均能达到项目规范规定95%MDD时CBR值20%的要求。由实验数据看见，118项目红土砾料的CBR值集中在45%～75%之间，其平均值为56%，CBR值不仅较高，而且分布较为集中。
2.2.3 水稳性能分析
红土砾料属天然材料，在控制好原材料质量的前提下，通过水泥稳定红土砾料的配合比设计主要是确定合理的水泥剂量。不同的水泥掺量的结果如表5所示。
由上述试验结果可知，水泥剂量为1.5%时，7d空气、4d浸水养生条件下的UCS压强度为1.1MPa，塑性指数为7;水泥剂量为2%时，7d空气、4d浸水养生条件下的UCS压强度为1.25MPa，塑性指数为5;由此可见水泥含量1.5%基本能够满足施工规范的要求，考虑到红土砾料的天然属性，为降低材料变异性对施工的影响，确保工程质量，施工过程中水泥用量增加0.5%，采用2.0%的水泥剂量。
3 配合比验证
为验证水泥稳定红土砾料配合比的合理性，铺筑了水泥剂量为2%的试验路，养生7d后，为验证结构层能否达到设计中承载等级，对试验段承载比进行检测。结果表明，EV2均大于80MPa，符合设计中对承载等级的要求。通过弯沉进一步检测结构层的整体承载能力，坦桑尼亚路面设计指南中对T3等级的弯沉值要求不大于50（0.01mm），养生7d后，13t轴载作用下的弯沉平均值为30（0.01mm），2倍标准差代表值为50（0.01mm），整体承载力符合要求。因此从EV2及弯沉结果可以判断，水泥稳定红土砾料垫层的承载能力符合要求。
4 结语
本文对坦桑尼亚118项目的红土砾料的运用情况作了简要介绍和探讨，介绍了红土砾料在项目从料场勘探到料场选用，到应用过程中累积的试验数据进行统计分析。通过分析可初步得出以下结论，从而为后续类似项目提供了一定的经验。
（1）红土砾料的最大干密度偏小时，即使含有较多的粗颗粒，但在室内击实试验时发现，绝大多数颗粒在击实功的作用下破碎成粉末状，力学强度偏低。此类材料虽具有较高的CBR值，力学强度比较低，密度偏小，且通常伴随着液限高、塑性指数偏大，工程性质不佳。
（2）由于红土砾料属天然材料，对其级配要求一般比较宽泛，主要是控制0.075mm筛孔的通过率，也有经验认为5mm筛孔的通过率不宜超过60%。
（3）红土砾料的塑性指数对稳定后的材料性能有重要影响，塑性指数太大时不宜直接用水泥稳定。
参考文献
[1] 王伯伟.非洲地区的筑路材料—红土砾料[J].公路，1985（12）.
[2] 邓学钧.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2005.
[3] 交通部公路科学研究院.公路路面基层施工技术规范JTG034-85[S].北京：人民交通出版社，2000.
[4] 交通部公路科学研究院.公路工程无机结合料稳定材料试验规程JTG E51-2009[S].北京：人民交通出版社，2009.
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