固結渣土混合料的性能研究

王俊藝

（上海機場建設指揮部，上海市 201207）

0 引言

為滿足環(huán)保和擴建需求，上海市浦東機場第五跑道外區(qū)域承接消納了大量的本市地鐵建設盾構渣土。根據地勘情況可以看出，渣土層較淺，受沉積環(huán)境影響表現(xiàn)出土質松散、粘性土和粉性土呈層狀交叉分布等特點，整體的土質也不均勻，土性較差，存在一定液化現(xiàn)象。這些渣土的地基承載力低、回彈模量較小且沉降尚未完全穩(wěn)定，因此必須對其進行固結處理方可用于道路工程建設[1]。基于現(xiàn)場情況、施工特性和經濟性原則，擬對渣土層進行由上至下的逐層化學固結處理[2]。

固結劑穩(wěn)定渣土的力學性能和結構特性要求都與我國通常所用的無機結合料不同，因此其混合料設計必須與結構性能要求相適應[3]。但是在設計方面關于固結土設計指標的選擇及要求卻沒有相應的標準。本次研究選取最常見的渣土固結材料——水泥，以及新型研發(fā)的WK+固結劑，對固結劑穩(wěn)定渣土的無側限抗壓強度和回彈模量進行試驗與分析[4]，為材料設計指標做基礎研究。

1 渣土性質與試驗準備

1.1 渣土粒徑分析

對渣土粒徑級配的分析采用篩分試驗。根據目測，可以很明顯地區(qū)分出現(xiàn)場渣土為3種級配組合，分別為粗料、中料、細料，如圖1所示。

圖1 渣土原料的3種主要類型

圖2展示了經過粒徑篩分試驗的3種粒料的級配曲線圖。

圖2 3種粒料的級配組成曲線

1.2 最佳含水率和最大干密度的測定

3種粒料的最佳含水率和最大干密度試驗結果見表1。

2 固結劑穩(wěn)定渣土強度性能試驗

2.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度反映了固結劑穩(wěn)定渣土的強度和整體性，是固結劑穩(wěn)定渣土混合料設計和施工質量控制的重要指標[5]。進行了固結劑穩(wěn)定渣土的無側限抗壓強度試驗，為其混合料設計提供參考，并與水泥穩(wěn)定渣土試驗進行對比分析。

表1 3種粒料的最佳含水率與最大干密度

根據《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）中有關無側限抗壓強度的試驗方法，分別在最佳含水率下成型粗料、中料、細料試件，尺寸為Ф150×150 mm，養(yǎng)生7 d后測試其無側限抗壓強度。選取用水泥和WK+作為固結劑的中料試件進行對比試驗，摻入劑量分別為4.5%，6.0%和8.0%，試驗結果見表2。

表2 不同固結劑試件的無側限抗壓強度 MPa

由表2可知，對于中料試件來說，養(yǎng)生7 d后，摻入4.5%WK+固結劑后的強度較摻入同等劑量水泥后的強度增長了20.7%；摻入6.0%WK+固結劑后的強度較摻入同等劑量水泥后的強度增長了27.0%；摻入8.0%WK+固結劑后的強度較摻入同等劑量水泥后的強度增長了21.3%。從以上數據中可以看出，與摻入水泥的中粒試件相比，摻入同等劑量WK+固結劑的中粒試件7 d無側限抗壓強度都有較為明顯的增長，且增幅均超過20%，尤其是在劑量為6.0%時增長幅度最明顯。

摻入水泥和WK+固結劑的中粒試件無側限抗壓強度均隨摻入劑量的增加而提高，兩者近似成正比關系，其中摻入WK+固結劑試件的增長速率較快。

為求全面的對比，在摻入4.5%WK+固結劑的條件下，分別進行了3種粒料試件的7 d、28 d兩種齡期的無側限抗壓強度試驗，圖3展示了其試驗結果。

由圖3可知：3種粒料試件的無側限抗壓強度與養(yǎng)生天數呈正比關系；粗料試件無側限抗壓強度的增長速率最快，其次是中料和細料試件；同樣養(yǎng)生天數下，無側限抗壓強度大小依次是粗料、中料、細料試件。

圖3 摻4.5%WK+固結劑試件的無側限抗壓強度

采用WK+固結劑的渣土試件早期強度較高，且后期強度穩(wěn)定發(fā)展。早期強度高可使建成道路提前投入運行，提高運行效益，后期強度穩(wěn)定可使建成道路的運行性能穩(wěn)定，經久耐用，使用壽命增長。

2.2 回彈模量

回彈模量是無機結合料穩(wěn)定基層的重要力學參數，反映了無機穩(wěn)定材料在荷載作用下的變形特性。無機結合料穩(wěn)定材料的回彈模量決定了路面結構的應力、應變分布，從而顯著影響路面的承載能力和整體結構強度[6-8]。為了評價固結劑穩(wěn)定渣土底基層的回彈模量情況，進行了固結劑穩(wěn)定渣土的回彈模量試驗。回彈模量試驗采用“頂面法（T 0808—94）”，按照最佳含水率成型試件，尺寸為Ф150×150 mm，在標準條件下養(yǎng)生7 d。課題組同樣選用以水泥和WK+作為固結劑的中料試件進行對比試驗，摻入劑量分別為4.5%，6.0%和8.0%，試驗結果見圖4。

圖4 摻入水泥、WK+固結劑的中料試件回彈模量

由圖4可知：中料試件的回彈模量隨摻入劑量的增加而呈現(xiàn)近似線性增長，其中摻入WK+固結劑時增長更快；同等摻入劑量下，摻入WK+固結劑后的回彈模量比摻入水泥后的回彈模量大，幅度在10%左右。

在4.5%WK+固結劑劑量下，細料、中料及粗料試件的7 d和28 d回彈模量試驗結果如圖5所示。

圖5 摻4.5%WK+固結劑試件的回彈模量

由圖5可以看出：各試件的回彈模量與養(yǎng)生天數呈正比關系；粗料試件回彈模量的增長速率最快，其次是中料和細料試件；同樣養(yǎng)生天數下的回彈模量大小依次是粗料、中料、細料試件。以中料渣土為基準，分別摻入不同劑量的WK+固結劑和水泥進行28 d室內回彈模量試驗，每種工況做6次試驗，結果取平均值，見表3。

由表3可以看出，隨著固結劑劑量增加，試件的回彈模量逐漸提高。WK+固結劑的劑量達4.5%時，試件的回彈模量平均值在800 MPa左右；WK+固結劑的劑量達6.0%時，試件的回彈模量平均值為1 100 MPa左右；WK+固結劑的劑量超過8.0%后，試件的回彈模量平均值超過了1 400 MPa。摻入劑量相同時，摻水泥試件的回彈模量小于摻WK+固結劑試件的回彈模量。

3 結論

（1）通過無側限抗壓強度和回彈模量測試，對比分析了WK+固結劑與水泥這兩種固結劑穩(wěn)定渣土的效果。用WK+固結劑固結渣土的強度、剛度較高，整體性能要優(yōu)于用水泥固結的渣土，因此宜采用WK+固結劑來穩(wěn)定渣土。

表3 中料試件28 d室內回彈模量MPa

（2）根據不同劑量的WK+固結劑穩(wěn)定渣土性能試驗結果，WK+固結劑劑量為4.5%～6.0%時，能滿足路基與墊層性能要求，WK+固結劑劑量超過8.0%時能滿足基層性能要求，因此WK+固結劑固結渣土可以分別用于道路路基、墊層與基層。