市政路基低液限粉土復摻改性試驗研究

彭一武

（湖南省高嶺建設(shè)集團股份有限公司,湖南 長沙 410000）

未經(jīng)過復摻優(yōu)化改性的低液限粉土直接作為路基時，會出現(xiàn)垂直變形問題，目前市政路基粉土改性是優(yōu)化低液限粉土路基的有效方法之一。然而由于其較差的屈服強度、較高的孔隙率、較低的剪切強度以及高壓縮性，單純摻加水泥或雙摻水泥+粉煤灰，都無法有效改善粉土的力學特性。目前，對低液限粉土復摻改性技術(shù)的研究成為業(yè)界一大熱點。本文探討通過摻加膨潤土來提高粉土的密實度、抗彎沉性能，通過復合摻加水泥、硅酸鈉水溶液、氯化鈣、石灰、纖維等實現(xiàn)提升粉土強度，以減少低液限粉土路基的彎沉，從而實現(xiàn)低液限粉土用于路基填筑。

1 試驗原材料要求

1.1 試驗粉土

本次研究選取的低液限粉土樣品來自某市政公路路基，具體樣品參數(shù)如表1所示，可以看出樣品的高壓縮性、級配不合理。

1.2 其他試驗材料

（1）膨潤土，主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁；

（2）PO42.5普通硅酸鹽水泥；

（3）水玻璃：硅酸鈉水溶液，密度約1.53 g/cm3，波美度50，彈性模量2.6～2.9；

（4）氯化鈣溶液；

（5）生石灰，主要成分是氧化鈣；

（6）長度為9 mm的聚丙烯纖維。

2 低液限粉土復摻改性試驗配比設(shè)計

（1）低液限粉土密實度優(yōu)化：采用強吸附、強黏結(jié)、易膨脹的膨潤土以一定比例摻加到粉土中，增強其黏性，從而改善其密實度，試驗選用的摻加比例分別為0%、3%、6%、9%、12%。

（2）低液限粉土強度、壓縮性優(yōu)化：本研究采用正交法，選用水玻璃、氯化鈣、水泥、石灰及聚丙烯纖維通過復合摻加的方式改良低液限粉土強度和壓縮性，具體配比如表2所示。

（3）復摻配比優(yōu)化：根據(jù)上述兩個試驗的數(shù)據(jù)，進行粉土的復合摻加配比優(yōu)化試驗，獲得最優(yōu)配比。

表1 試驗粉土的物理力學參數(shù)

表2 正交試驗配比參數(shù)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 密實度改良結(jié)論

摻加的膨潤土含量與對應(yīng)的最佳含水率下，粉土壓實后的干密度、彈性模量如圖1所示。

圖1 密實度改良結(jié)果

據(jù)圖1可知：（1）隨著膨潤土摻加比例的上升，粉土的彈性模量、干密度先升后降。膨潤土摻加比例達到9%時，二者達到最大值，彈性模量為50.6 MPa，干密度為1.89 g/cm3；（2）與沒有摻入膨潤土的低液限粉土相比，彈性模量最大值上升了36.96%，干密度最大值上升了12.5%；（3）摻入膨潤土后，粉土密實度有明顯改善，彈性模量也顯著提高，可以明顯減少粉土路基彎沉。

3.2 強度及壓縮性改良結(jié)論

每個試驗組樣品的抗剪強度的變化（在300 kPa下97%的壓實度）如圖2所示，無側(cè)限抗壓強度和彈性模量的變化如圖3所示，壓縮系數(shù)大小變化如圖4所示。

圖2 抗剪強度試驗結(jié)論

圖3 抗壓強度和彈性模量試驗結(jié)果

圖4 壓縮系數(shù)試驗結(jié)論

（1）據(jù)圖2可知：①在9個試驗組中，第2組樣品的黏聚力最大，為304.9 kPa，而第3組樣品的黏聚力最小，為168.6 kPa；②第9組樣品的內(nèi)摩擦角最大，為40.5 °，第4組樣品的內(nèi)摩擦角最小，為33.6 °；③第2組樣品配比為水泥2%、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰3%、聚丙烯纖維0.3%，而第5組樣品配比為水泥3%、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纖維0.2%，表現(xiàn)出更好的力學特性，黏聚力、內(nèi)摩擦角比較理想。

（2）據(jù)圖3可知：①在9個試驗組中，抗壓強度和彈性模量的變化規(guī)律相同，都和水玻璃∶氯化鈣的值有關(guān)，氯化鈣的比例越大，粉土樣品的抗壓強度、彈性模量越好；②在水玻璃∶氯化鈣的值不變的情況下，水泥含量越高，粉土樣品的抗壓強度和彈性模量越高，可見水泥也是粉土改良的重要因素；③水玻璃、氯化鈣、水泥會產(chǎn)生凝膠反應(yīng)，能有效地填充粉土的孔隙，從而增加粉土強度，使得改良后的低液限粉土的抗壓強度和彈性模量明顯提升。④綜上，第8組樣品的粉土抗壓強度、彈性模量最佳。

（3）據(jù)圖4可知：①經(jīng)過復合摻加處理后，試驗樣品的壓縮系數(shù)均明顯降低；②第5、7組樣品的壓縮系數(shù)最小，分別為0.054、0.055，其對應(yīng)的石灰摻加比例為4%，說明石灰對粉土的可壓縮性影響最大。

4 低液限粉土復摻改性配合比優(yōu)化

根據(jù)以上試驗研究可知，所選材料對于低液限粉土的性能改良均有一定幫助，但起到的作用大小不同。為了確定最佳的配比，需要基于上述試驗數(shù)據(jù)運用極差法進行進一步分析。A代表水泥，B代表水玻璃-氯化鈣溶液，C代表石灰、D代表聚丙烯纖維，Ki代表各個影響因子在同等水平下的和，Ki代表各個影響因子在同等水平下的均值，Ri代表每個影響因子的極差，其值越大表示影響因子的作用越大，具體的極差分析結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知：（1）B可以有效提高粉土的抗剪切強度，作用最顯著，其次是C、A、D；（2）各種影響因子對粉土強度、彈性模量的改良作用從大到小依次為A、B、C、D；（3）各種影響因子對粉土壓縮系數(shù)的改良作用從大到小依次為C、A、B、D。

配比為A3B2C3D2時，粉土獲得最佳彈性模量和壓縮系數(shù)；配比為A3B3C1D1時，粉土獲得最佳的內(nèi)摩擦角；配比為A3B2C3D3時，粉土的壓縮強度最佳。針對單個影響因子，A3出現(xiàn)了4次、B2出現(xiàn)了5次、C3出現(xiàn)3次、C3出現(xiàn)3次。由此可見，使低液限粉土性能改良效果最佳的配比為水泥4%、液體玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纖維0.3%。

表3 極差分析結(jié)論數(shù)據(jù)

表4 膨潤土摻入前后的物理力學參數(shù)對比

基于以上分析可知，最佳膨潤土摻加比例為9%，比較配合比A3B2C3D2+9%膨潤土和其他配合比的粉土的物理和機械性能，具體結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)可知，與不添加膨潤土的情況相比，摻加9%的膨潤土后，粉土各項性能得到顯著改善，而單獨添加膨潤土將導致干密度稍低，但彈性模量顯著增加。簡而言之，對于低液限粉土來說，獲得理想改良效果的最佳配合比為4%水泥、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、4%石灰、0.3%聚丙烯纖維、9%膨潤土。

5 結(jié)論

綜上所述，沒有經(jīng)過適當摻加改良的低液限粉土性能無法滿足市政路基施工需要，如果直接作為路基土體容易出現(xiàn)彎沉問題，因此需要通過適當?shù)膹蛽絻?yōu)化市政路基粉土性能，使其達到市政路基填筑材料的施工要求。膨潤土具有很強的黏結(jié)性、吸附性以及內(nèi)聚性，具有顯著提升低液限粉土密實度的效果，試驗得出其最佳摻加比例為9%。通過正交試驗和極差分析可知，低液限粉土的最佳配合比為水泥4%、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纖維0.3%，再復摻9%的膨潤土，已達到了較好的抗彎沉性能。