尼日利亚道路工程红土粒料改良特性研究

杨开合

(中铁十八局集团国际工程有限公司，天津 300222)

摘 要：天然红土粒料是一种广泛用于西非地区道路工程的基层材料。以尼日利亚Manguhalle-Bisichi道路工程采用的红土粒料为研究对象，对其级配特征等进行分析，并提出了采用粗粒碎石、细粒碎石和砂不同配合比的四种改良方案。通过级配特征、液塑限和CBR等指标测量对比，发现掺加30%粗粒碎石和20%砂的方案具有最好的路用性能，能够满足基层施工的需要。研究成果为西非地区红土粒料基层施工提供了参考。

关键词：红土粒料；级配特征；液限；塑限；击实特性

天然红土粒料是一种广泛分布于西非地区的特殊工程材料，由于其储量丰富、开采方便且价格低廉，因此近年来被广泛用于道路工程中[1-4]。红土粒料是在西非地区特殊的干湿两季循环气候条件及当地特有地貌条件下通过不断胶结、脱水与复合作用形成的特殊土体[3。5]。红土粒料主要由原母岩碎砾石、硅铝结核砾石和母岩风化后的黏性土组成，具有高孔隙率、高液限、低压缩性和低抗剪强度的特性，因此在实际工程中须对天然红土粒料进行改良[6]。

基于此，本文以尼日利亚Manguhalle-Bisichi道路工程采用的红土粒料为研究对象，通过不同的配比方案对天然红土粒料进行改良，并进行了液塑限和CBR等指标测量，研究了不同方案下红土粒料的改良特征。研究成果为西非地区红土粒料工程设计与施工提供了参考。

1 工程概况

Manguhalle-Bisichi道路工程位于尼日利亚乔斯高原，为高原州货运主要道路。道路一期工程总线72 km，其中主线36 km，另有4条支线。道路路基宽度10.3 m，为双向单车道。设计底基层采用25 cm厚红土粒料，基层采用15 cm厚级配碎石。乔斯高原红土粒料资源丰富，可作为廉价的基层材料。根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)对Manguhalle-Bisichi道路工程红土进行测试后得出：天然密度1.78 g/cm3、含水率29.1%、塑限36.7%、液限59.5%、塑性指数22.8。施工中发现天然红土粒料无法满足基层施工需求，需要进行改良处理。

2 天然红土粒料特性

天然红土粒料在西非地区广泛分布，尼日利亚雨旱两季交替的气候特征是其形成的主要原因。母岩中石英、可溶性盐等物质在经腐殖层酸化后的雨水淋溶、分解作用下逐渐溶解，剩下的铝、硅、铁等难溶性金属及非金属氧化物在热带地区强烈的蒸发作用下逐步胶结成为球形或块状铁质硅铝结核物[3,5,7]。通过对该工程红土粒料场取样并进行筛分，得到天然红土粒料级配曲线如图1所示。

图1 红土粒料粒径曲线

从图1中可以看到，Manguhalle-Bisichi道路工程红土粒料中值粒径缺失、细粒含量高、天然级配差。通过分析发现，粒径为0.075～2 mm的红土颗粒少于10%，严重低于规范要求。同时，粒径小于0.075 mm的颗粒含量高于20%，细粒含量偏高，水文性能较差。这说明该红土粒料缺失砂类土，无法满足基层施工需要，需要进行改良处理。

3 红土粒料改良特性

结合国内外同类型工程操作经验，对于本工程中不合格的红土粒料，采用掺加砂和级配碎石的方式进行改良。改良方案中采用的级配碎石分为粗粒碎石和细粒碎石两种，并设计四种掺料方案，各组分粒径范围及各改良方案配比如表1所示。

表1 红土粒料改良方案 %

天然红土粒料粗粒碎石(5^20mm)细粒碎石(1^5mm)砂(0^1mm)方案一4030300方案二4040200方案三5030020方案四5020030

分别对四种方案取样分析颗粒组成，获得四种改良方案下颗粒级配曲线，如图2所示。可以看到，红土粒料进行改良后其颗粒级配特征得到改善，缺乏中值粒径、断层严重的现象得到了缓解，红土粒料级配更为合理。

图2 不同改良方案粒径曲线

分别对天然红土粒料和四种改良方案进行液限、塑限和塑性指数测量，结果如图3所示。参照我国《公路土工试验规程》及西非地区红土粒料试验惯例，其中液塑性试验针对于粒径小于0.5 mm的细颗粒部分。可以发现，采用四种掺料改良方案后，相较于天然红土粒料，改良后的粒料液限、塑限和塑性指数均大幅下降。其中方案三下降幅度最大，液限从原59.5%下降至16.2%，塑限从36.7%下降至10.5%，塑性指数从22.8下降至5.7。这说明天然红土粒料中掺加30%的粗粒碎石和20%的砂后液塑限下降幅度最大，具有最好的工程性质。

分别对天然红土粒料和四种改良方案进行击实试验，测得CBR值如图4所示。从图4中可以发现，天然红土粒料进行改良后其CBR值会大幅提高。其中方案三变化幅度最大，CBR值从12.1%上升到65.7%。说明掺加30%的粗粒碎石和20%的砂后红土粒料的压实特性得到了极大的改善，路用性能得到了提高，能够满足基层填料的需求。

图3 不同改良方案液塑限指标

图4 不同改良方案CBR值对比

根据试验结果可以发现，天然红土粒料经过掺加粗粒碎石、细粒碎石和砂按照拟定配合比改良后，其工程性质得到大幅改善，塑限、液限显著降低，CBR值显著增大。原红土粒料也从不良的基层材料变成优良的填料，其路用性能得到较大改善，能够满足基层施工的需求。这是因为掺合料的加入改善了红土粒料的级配特征，弥补了其天然级配差、中间粒径缺失、细粒土含量高的缺点。另外，通过对比可以发现，方案三改良效果优于其他方案，其液塑限及塑性指数下降最大，CBR增大最多。分析认为有如下几个原因：

(1)改善红土粒料颗粒级配。天然红土粒料普遍具有中值粒径缺失、细粒含量高、断档严重等不良级配特征。掺合料的加入有效解决了这一问题，改良后的粒料级配更为合理，从而具有更优良的工程性质。

(2)减弱亲水性。天然红土粒料中粘土细颗粒含量高，因此具有较好的亲水性能，具有较高的液限和塑限。碎石和砂等掺入后红土粒料的亲水性能显著下降，液塑限及塑性指数也随之下降。

(3)增加骨架强度。天然红土粒料骨料含量少且强度低，细颗粒含量高，掺入的碎石和砂能够担负起土体骨架的作用，从而提高红土粒料的强度。

(4)形成合理骨架结构。由试验可以看出，方案三的改良效果优于其他方案。这一方面说明粗粒碎石+砂的方案优于粗粒碎石+细粒碎石方案，另一方面说明掺加30%的粗粒碎石比掺加20%的粗粒碎石更能改善红土粒料的路用性能。分析认为红土粒料+粗粒碎石+砂的方案能够使土体形成更为合理的骨架结构，从而提高混合料性能。

4 结论

本文以尼日利亚Manguhalle-Bisichi道路工程基层红土粒料为研究对象，通过取样对天然红土粒料进行了级配特征分析，并提出了采用粗粒碎石、细粒碎石和砂不同配合比的四种改良方案。得出结论如下：

(1)该道路工程基层红土粒料中值粒径缺失、细粒含量高、天然级配差，无法满足基层施工需要。

(2)采用掺加30%粗粒碎石和20%砂的改良方案最能提高天然红土粒料的路用性能，改良后天然红土粒料液限、塑限和塑性指数均大幅下降，CBR值大幅增加，能够满足路基工程施工的需要。

(3)采用的红土粒料改良方案之所以奏效，主要原因有改善红土粒料颗粒级配、减弱亲水性、增加骨架强度和形成合理的骨架结构四个方面。

参考文献

[1]周大全,甄玉凤.非洲热带地区红土砾料在公路工程中的应用[J]. 中外公路, 2015 (S1): 124-127

[2]应巩邦,汪日灯,申景辉.红土砾料在南苏丹朱巴国际机场改造项目中的应用研究[J].路基工程,2016 (01): 110-113

[3]周静静.红粘土的改性及其机理研究[D].重庆：重庆大学,2014

[4]郑祥顺.市政道路湿陷性红土路基病害原因分析及防治措施[J].四川水泥,2015 (11):321

[5]杨 戈,陶泽峰.西非红土粒料形成及其应用[J].中外建筑,2016 (07):142-143

[6]曹长伟,罗志刚,钱劲松.西非马里地区级配红土粒料的室内试验研究[J].中外公路,2015 (05):54-57

[7]黄 超,肖来兵,周如明.西非地区水稳天然重砾石红土基层施工技术[J].交通建设与管理,2014 (7X):147-150

A Study of the Property Improvement of the Laterite Granular in Nigerian Road Engineering

YANG Kaihe

(The International Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway,Tianjin 300222,China)

Abstract：Natural laterite granular is a kind of base material widely used in road engineering in West Africa.With the laterite granular used for the project of the Manguhalle-Bisichi Road in Nigeria as the target of our research,the gradation characteristics of it are analyzed in the paper, with four improving schemes of different mix ratios respectively for coarse gravel,fine gravel and sand put forward.Through the measurements and comparison of the gradation characteristics of it and the targets of its liquidity limit,plasticity limit and CBR,it is found that the scheme of adding 30% coarse gravel and 20% sand shows the best road-use performance and can meet the requirements of the base construction in road engineering.The results of our research may serve as a useful reference for the base construction using laterite granular in West Africa.

Key words：laterite granular;gradation characteristics；liquidity limit；plasticity limit；compaction property

收稿日期：2016-10-19

作者简介：杨开合(1981—)，男，工程师，主要从事道路工程施工管理工作。[e-mail]

DOI：10.13219/j.gjgyat.2017.01.004

中图分类号：U414

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2017)01-0015-03