陳明明，黃 偉，邱 鵬，趙魯卿，王宗森

(1. 安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243032；2. 安徽馬鋼嘉華新型建材有限公司，安徽 馬鞍山243000)

隨著國家提出“建設(shè)綠色環(huán)保、節(jié)約型社會”的政策引導(dǎo)，傳統(tǒng)道路基層材料天然砂石料的開采受到制約，造成施工成本急劇攀升，亟需一種價格低廉的替代品。近年來，研究人員提出采用土壤固化劑固化土體作為道路基層材料的新方法。土壤固化劑是一種新型綠色、環(huán)保、節(jié)能的建筑材料，將其與普通黏土拌和作為筑路材料，施工工藝相對簡單，處理后土體強(qiáng)度可滿足低等級道路基層要求，能夠有效解決傳統(tǒng)筑路材料砂石料的短缺問題；同時便于就地取材，在應(yīng)用范圍、施工周期及工程造價等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)筑路材料。國內(nèi)外使用的土壤固化劑根據(jù)其固結(jié)機(jī)理可分為石灰水泥型、礦渣硅酸鹽型、離子型等三類，前兩類固化劑主要利用自身礦物成分水化生成的凝膠物質(zhì)與土壤結(jié)合，達(dá)到固化效果，離子型固化劑則利用其中強(qiáng)離子化合物與土體發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，改善土壤顆粒間的力學(xué)性質(zhì)，使顆粒連接更為密實(shí)，形成穩(wěn)定的整體。離子型固化劑常溫下為液態(tài)，具造價低、用量少、固化強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到離子型土壤固化劑與土質(zhì)適用的需要，針對馬鞍山地區(qū)土質(zhì)，選取3種離子型土壤固化劑進(jìn)行固化土基層配合比試驗(yàn)，確定優(yōu)選固化劑及其適宜配合比，并開展無側(cè)限抗壓影響因素試驗(yàn)，為進(jìn)一步拓展離子型土壤固化劑研究與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用土樣取自安徽省馬鞍山市楊壩村地區(qū)地表以下1.5～2.0 m 處，性能指標(biāo)見表1。水泥為安徽海螺牌P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見表2。3 種離子型液體土壤固化劑型號為SA，HW，YFS，產(chǎn)品性能指標(biāo)見表3。

表1 土樣性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of soil samples

表2 水泥性能指標(biāo)Tab.2 Physical index of cement

表3 固化劑性能指標(biāo)Tab.3 Physical index of curing agent

1.2 固化土試件的制備

為研究固化土路面基層力學(xué)性能，分別對3種離子型土壤固化劑進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，參考CJ/T 486—2015《土壤固化外加劑》，按素土質(zhì)量計，取水泥摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0，3%，5%，7%，固化劑摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0，0.015%，0.018%，0.020%。以在土樣中加入固化劑、再加入水泥的方式進(jìn)行16 組試驗(yàn)，制得固化土試件，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為性能評價指標(biāo)，各組配合比如表4。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將土樣風(fēng)干后過20 mm篩，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～22%的水制備混合料，拌合均勻，悶料24 h，按照重型II-2方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。繪制含水率與干密度曲線，曲線的峰值點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)分別為土樣的最佳含水率、最大干密度。

1.3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是表征材料強(qiáng)度的重要參數(shù)，也是確定道路基層材料承載力的重要力學(xué)指標(biāo)。按照J(rèn)TGE 51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，在擊實(shí)試驗(yàn)得出最佳含水率的基礎(chǔ)上，采用98%壓實(shí)度靜壓成型的方式，將土樣制成Ф50 mm×50 mm規(guī)格的圓柱體試塊，每組配合比均制作6個試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度(20±2)℃，濕度95%)或室溫養(yǎng)護(hù)(常溫、常濕)至試驗(yàn)所需齡期，齡期最后1 d浸水進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載控制速率為1 mm/min，記錄試件破壞的最大荷載，據(jù)此推算試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度R。

1.3.3 微觀試驗(yàn)

采用德國D8ADVANCE X射線衍射儀，掃描范圍2θ 為5°～80°，觀察土樣X 射線衍射圖譜，分析土樣各自礦物成分和晶體結(jié)構(gòu)變化，判定土樣是否有新物質(zhì)生成。采用日本JSM-6490LV掃描電鏡觀測土樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，探究固化土宏觀力學(xué)性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)—效關(guān)系，揭示固化土強(qiáng)度形成原因。

表4 固化土試件的配合比Tab.4 Mix ratio of solidified soil specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

土樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖1。從圖1可以看出，試件干密度隨含水率增加呈先增后減的趨勢，曲線呈凸型，存在峰值點(diǎn)。因此確定土樣最大干密度為1.82 g/cm，最佳含水率為15.5%。

圖1 土樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Soil samples compaction test results

2.2 固化劑優(yōu)選

不同固化劑摻量下，3 種固化土試件在水泥摻量為0 時均泡水崩解未形成強(qiáng)度，表明水泥對摻固化劑的固化土試件不可或缺。各組試驗(yàn)配合比結(jié)果如圖2。

圖2 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系Fig.2 Relationship between 7 d unconfined compressive strength and curing agent content

由圖2可看出：不同水泥摻量下，摻有固化劑的3種固化土試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于未摻固化劑的水泥固化土試件，強(qiáng)度大小依次為YFS試件、HW試件、SA試件；3種固化土試件強(qiáng)度均隨固化劑摻量的增加而增長，其中固化劑摻量從0增加到0.018%，三者增長趨勢較為接近；摻量從0.018%增加到0.020%，YFS 試件強(qiáng)度增幅大于HW，SA 試件；摻量為0.020%時，YFS 試件強(qiáng)度為3.58 MPa，分別高HW，SA 試件約0.8， 1.0 MPa，進(jìn)一步表明YFS 型土壤固化劑對試驗(yàn)土樣具更好的固化效果，可作為優(yōu)選固化劑。

2.3 適宜配合比的確定

2.3.1 固化劑摻量

不同水泥摻量(3%，5%，7%)條件下，以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，YFS固化劑摻量對固化土強(qiáng)度的影響見圖3。從圖3可看出，不同水泥摻量下，固化土強(qiáng)度隨固化劑摻量增加呈先增后減趨勢，固化劑摻量為0.020%時達(dá)到峰值。表明固化劑存在最佳摻量，超過最佳摻量時反而會降低強(qiáng)度，增加工程造價。

2.3.2 水泥摻量

在不同YFS固化劑摻量(0.015%，0.018%，0.020%)條件下，以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，水泥摻量對YFS 固化土強(qiáng)度的影響見圖4。從圖4 可看出：不同YFS 固化劑摻量下，固化土強(qiáng)度均隨水泥摻量增加而增加，摻量大于5%后增幅減緩；YFS摻量為0.020%時，7%水泥摻量試件強(qiáng)度較5%僅提升7.23%，表明水泥摻入過多對強(qiáng)度提升不大；水泥摻量5%即可滿足JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中低等級道路基層材料抗壓強(qiáng)度2.5～3.0 MPa的規(guī)定。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，YFS固化土適宜配合比為素土及按其質(zhì)量比外摻0.02%YFS 固化劑、5%水泥。

圖3 固化劑摻量對7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of curing agent content on unconfined compressive strength for 7 d

圖4 水泥摻量對7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 4 Effect of cement content on unconfined compressive strength for 7 d

2.4 固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素

圖5 齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of age on unconfined compressive strength

圖6 含水率對7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of moisture content on unconfined compressive strength for 7 d

2.4.1 齡期

對YFS 固化土分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期3，7，14，28，60，90 d進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，齡期對YFS固化土強(qiáng)度的影響見圖5。從圖5可看出：YFS固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長而增大，前期增幅較大、后期逐漸趨于穩(wěn)定。其中齡期3 d 達(dá)2.95 MPa，齡期7 d達(dá)3.59 MPa，約為90 d強(qiáng)度的80%，表明固化土具早強(qiáng)特點(diǎn)，便于早期上載。

2.4.2 含水率

參考土樣最佳含水率，分別按含水率11%，13%，15%，17%，19%進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，含水率對YFS固化土強(qiáng)度的影響見圖6。從圖6 可看出：YFS 固化土強(qiáng)度隨含水率增加呈先增后減趨勢，含水率為15%時達(dá)峰值，3.54 MPa；含水率為13%，17%時，YFS固化土強(qiáng)度分別為3.18，3.25 MPa，降低幅度約10%，表明在最佳含水率附近時，固化土基層強(qiáng)度受含水率影響較小。

圖7 養(yǎng)護(hù)條件對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of maintenance condition on unconfined compressive strength

2.4.3 養(yǎng)護(hù)方式

對YFS固化土試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、室溫養(yǎng)護(hù)方式，養(yǎng)護(hù)齡期為3，7，14，28，60，90 d，分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見圖7。從圖7 可看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、室溫養(yǎng)護(hù)條件下，試件的強(qiáng)度變化特征一致，均隨齡期增長呈先快后慢的特點(diǎn)。兩種養(yǎng)護(hù)方式7 d 齡期強(qiáng)度較3 d 分別提高了24.74%，24.91%，具早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)；兩種養(yǎng)護(hù)方式對試件強(qiáng)度影響較小，室溫養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件。其中差值較大的7 d齡期室溫養(yǎng)護(hù)試件較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度僅降低約7.54%，說明固化土抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)環(huán)境影響較小，在實(shí)際基層施工中，固化土基層采用室溫養(yǎng)護(hù)方式即可滿足要求。

2.4.4 浸水時間

將YFS固化土試件分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3，7，14，28 d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束分別浸水0，1，7，14，28，35，42 d進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖8。從圖8可看出：各組試件的強(qiáng)度變化曲線特征相近，浸水使試件強(qiáng)度有一定程度降低，隨浸水時間延長，早期強(qiáng)度降幅較快，之后逐漸減緩；試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期越短，浸水后強(qiáng)度降低越大。其中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、浸水42 d試件強(qiáng)度最低，為2.5 MPa，但仍滿足低等級道路基層材料抗壓強(qiáng)度2.5～3.0 MPa的規(guī)定，說明固化土具良好的水穩(wěn)定性，對實(shí)際工程施工時條件要求較低。

2.4.5 壓實(shí)度

將YFS固化土試件按照91%，93%，95%，98%，100%共5種壓實(shí)度，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖9。從圖9可看出：壓實(shí)度每提升1%，固化土強(qiáng)度約提升4%，增長幅度近似呈線性關(guān)系，與壓實(shí)度91%相比，壓實(shí)度100%的試件強(qiáng)度提升0.94 MPa，增幅達(dá)32.30%，說明壓實(shí)度對固化土整體強(qiáng)度影響較大；壓實(shí)度為93%，95%時的固化土強(qiáng)度分別達(dá)3.05，3.25 MPa。表明在實(shí)際工程施工中正常實(shí)現(xiàn)壓實(shí)度范圍仍可滿足低等級道路基層材料抗壓強(qiáng)度2.5～3.0 MPa的規(guī)定。

圖8 浸水時間對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of soaking time on unconfined compressive strength

圖9 壓實(shí)度對7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of compaction on unconfined compressive strength for 7 d

2.5 微觀試驗(yàn)

將制備的素土、單摻水泥固化土、單摻Y(jié)FS固化劑固化土、適宜配合比固化土4種試件分別取樣，命名為STTY，DSTY，DGTY，PBTY。

圖10 4種土樣X射線衍射圖譜Fig.10 X ray diffraction patterns of four soil samples

2.5.1 物相分析

圖10為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期均為28 d 4種土樣的X射線衍射圖譜。由圖10可看出：對比DGTY與STTY，兩者特征衍射峰一致，DGTY 中未出現(xiàn)新的特征衍射峰；對比DSTY 與STTY，DSTY 中出現(xiàn)明顯的水化硅酸鈣凝膠(C—S—H 凝膠)新特征衍射峰，為水泥水化產(chǎn)物，其余特征衍射峰與STTY 一致；對比PBTY 與STTY，PBTY 中出現(xiàn)新特征衍射峰，為C—S—H 凝膠特征衍射峰，其余特征衍射峰與STTY 一致，且總體與DSTY 特征衍射峰相同。由此推斷：固化劑摻入并未產(chǎn)生新物質(zhì)；水泥摻入會有明顯水化產(chǎn)物C—S—H凝膠生成。

2.5.2 掃描電鏡分析

圖11為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 4種土樣的掃描電子 顯 微 鏡(scanning electron microscope，SEM)照片。從圖11可看出：STTY由粒團(tuán)堆疊而成，單元粒團(tuán)間主要為點(diǎn)-面或面-面接觸形成的架空結(jié)構(gòu)，孔隙較多，結(jié)構(gòu)較疏松，整體性較差；DGTY由團(tuán)聚體堆疊而成，單元團(tuán)聚體間主要為面-面接觸形成較為密實(shí)的結(jié)構(gòu)，孔隙較少，結(jié)構(gòu)整體性良好；DSTY是由團(tuán)聚體形成的密實(shí)結(jié)構(gòu)，同時有水泥水化產(chǎn)物水化硅酸鈣凝膠（C—S—H凝膠）填充于空隙，單元團(tuán)聚體間膠結(jié)特征明顯；PBTY是由團(tuán)聚體形成的密實(shí)整體結(jié)構(gòu)，更多的C—S—H凝膠填充于結(jié)構(gòu)孔隙，整體孔隙率大大降低，整體結(jié)構(gòu)更完整。說明摻加固化劑可改變土壤顆粒間結(jié)合的狀態(tài)，微觀結(jié)構(gòu)以團(tuán)聚體堆疊為主，單元團(tuán)聚體體積顯著增大，孔隙不斷減少；水泥摻加后形成的水化產(chǎn)物C—S—H凝膠填充于孔隙中，密實(shí)度進(jìn)一步提高。由此表明，在水泥和土壤固化劑的聯(lián)合作用下，土樣結(jié)構(gòu)更密實(shí)，微觀試驗(yàn)結(jié)果與宏觀力學(xué)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖11 4種土樣的SEM圖譜Fig.11 SEM patterns of four soil samples

3 結(jié) 論

1)以7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為評價指標(biāo)，采用3款離子型土壤固化劑進(jìn)行固化土適配試驗(yàn)，確定YFS為優(yōu)選固化劑。

2)隨YFS固化劑摻量增加，固化土強(qiáng)度呈先增后減趨勢，摻量為0.020%達(dá)峰值；隨水泥摻量增加，固化土強(qiáng)度增幅呈先快后慢趨勢，摻量大于5%后增幅減緩。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，YFS固化土適宜配合比為素土及按其質(zhì)量比外摻0.02%YFS固化劑、5%水泥。

3)隨標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期的增長，固化土強(qiáng)度前期增幅較快、后期逐漸減緩，3 d強(qiáng)度達(dá)2.9 MPa，滿足低等級道路基層材料抗壓強(qiáng)度要求；隨著含水率的增加，固化土強(qiáng)度呈先增后減趨勢，且當(dāng)含水率為13%～17%時，固化土強(qiáng)度僅較最佳含水率對應(yīng)峰值強(qiáng)度降低幅度約10%；養(yǎng)護(hù)條件對試件強(qiáng)度影響較小，室溫養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，隨浸水時間的延長，養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度增幅呈先快后慢的變化趨勢，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、浸水42 d時強(qiáng)度仍達(dá)2.5 MPa，表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性；隨壓實(shí)度的增加，固化土強(qiáng)度增幅近似呈線性關(guān)系，壓實(shí)度為93%時固化土強(qiáng)度可達(dá)3.05 MPa，表明固化土基層在實(shí)際工程應(yīng)用中工作性能良好、施工可操作性強(qiáng)。

4)離子型固化劑摻入土體中無新物質(zhì)生成，但明顯改善土壤顆粒間結(jié)合方式，顆粒間微觀結(jié)構(gòu)以團(tuán)聚體層疊為主，單位團(tuán)聚體體積顯著增大，相互之間堆疊孔隙率降低；水泥摻入后土體中有明顯的水化產(chǎn)物C—S—H凝膠生成，其填充于團(tuán)聚體間隙，土體結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。因此水泥和土壤固化劑兩者結(jié)合可有效提高土體抗壓強(qiáng)度。