EFS土壤固化劑穩(wěn)定低液限粉土路用性能試驗研究*

馬 敏，姚 勇，張玲玲，陳代果，劉 蕾

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

土壤固化劑是由多種無機和有機材料合成的新型節(jié)能環(huán)保材料，具有較好的土壤固化效果，被廣泛應用于路基處理等工程建設中[1-2]。利用土壤固化劑代替石灰、水泥、粉煤灰等傳統(tǒng)材料，具有較高的環(huán)境效益。已有學者對土壤固化劑在道路基層中的應用開展了大量研究，如周偉等[3]的研究表明，淤泥經水泥基固化處理后可作為路基填料，可解決疏浚工程底泥資源化利用問題；徐洪華等[4]通過開展正交試驗，得出滿足設計要求的泡沫輕質土配合比，同時研究泡沫輕質土作為路基填料減少路基工后沉降及不均勻沉降的有效方法；陳貝等[5]選取藏東南地區(qū)公路路基常見4類土體，對土體壓實特征、抗壓強度等進行了室內試驗研究，并給出最優(yōu)級配，研究發(fā)現(xiàn)以不同摻量加入帕爾瑪離子固化劑后，4類土體無側限抗壓強度曲線隨著固化劑摻量的增加而增大；杜應吉等[6]利用WH型土壤固化劑固化黃土，并進行抗?jié)B、抗凍、擊實和無側限抗壓強度試驗，研究發(fā)現(xiàn)固化黃土抗凍性、抗?jié)B性均得到提高；江舜根等[7]將SS-1型固化劑、水泥作為固化材料，通過無側限抗壓強度、水穩(wěn)定性、線性收縮、CBR、回彈模量試驗，研究SS-1型固化劑處理粉土路基路用性能；李昭鵬[8]將路邦EN-1土體固化劑、石灰和水泥摻入黃土中，并進行室內和室外試驗，結果表明，路邦EN-1固化土作為道路基層，對提高道路穩(wěn)定性和強度具有明顯效果。

作為新型環(huán)保離子類的EFS土壤固化劑，與土壤混合后將發(fā)生一系列物理化學反應，且能有效填充土顆粒之間的孔隙，使固化土致密，從而有利于土體壓實，壓實后的土體會降低再吸水能力，使抗壓、抗?jié)B性能大幅度提高[9]。EFS土壤固化劑經水稀釋后無任何危害性，對生態(tài)無破壞，在道路基層、軟土地基硬化等工程領域具有應用前景，但目前對其固化效果的研究較少。因此，以成都市基土為例，設計3種固化土配合比，研究EFS土壤固化劑對路基的固化作用，并給出配合比設計建議。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗用土外表呈紅棕色，粒徑較小，為無大顆粒石的細粒土，土質較濕。根據(jù)YS/T 5225—2016《土工試驗規(guī)程》和JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》有關規(guī)定，采用烘干法測得土樣天然含水率為17.53%。采用液、塑限聯(lián)合測定法測得土樣液限為23.33%，塑限為13.78%，計算得到塑性指數(shù)Ip=9.55，液性指數(shù)Il= 0.39，由Ip<10、液限<50%，0.25

1.2 固化土配合比

按照CJJ/T 286—2018《土壤固化劑應用技術標準》有關要求，進行固化土配合比設計，如表1所示。根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》有關規(guī)定，控制土樣壓實度為96%，制作φ100mm×100mm試件，每組6個。

表1 固化土配合比 kg·m-3

2 試驗結果與分析

2.1 7d無側限抗壓強度

為快速準確地反映試件強度特性，進行7d無側限抗壓強度試驗。選用HYE-300型微機電液伺服壓力試驗機，記錄試件破壞時的最大壓力P。試件無側限抗壓強度按式(1)計算，為保證試驗結果精度，引入95%保證率的強度代表值、變異系數(shù)，分別按式(2)和式(3)進行計算。

(1)

(2)

(3)

試件7d無側限抗壓強度計算結果如表2所示。由表2可知，3種配合比試件7d無側限抗壓強度變異系數(shù)均滿足規(guī)范限值要求；A3組試件7d無側限抗壓強度較大，離散性較小；A1組試件7d無側限抗壓強度較小，離散性較大；隨著水泥用量的增大，試件7d無側限抗壓強度逐漸增大；《土壤固化劑應用技術標準》中要求城市道路輕交通底基層一級固化土7d無側限抗壓強度為1.5～2.5MPa，可知A1，A2組試件均滿足該要求，其中A2組試件7d無側限抗壓強度較高，95%保證率的強度代表值較規(guī)范限值1.5MPa高42%，較A1組試件高25.29%；《土壤固化劑應用技術標準》中要求城市道路輕交通基層三級固化土7d無側限抗壓強度≥2.5MPa，可知A3組試件滿足該要求，95%保證率的強度代表值較規(guī)范限值2.5MPa高6.80%，分別較A1，A2組試件高57.06%，25.35%。

表2 試件7d無側限抗壓強度

水泥在EFS土壤固化劑的促進作用下與混合料膠結為整體，水泥摻量為5%的土體中水泥膠凝顆粒相對較少，未能完全包裹土顆粒，特別是土體棱角部位較少吸附水泥膠凝顆粒[10]。隨著水泥摻量的增加，水泥摻量為6.5%，8%的土顆粒包裹性有所增強，顆粒表面和棱角部位已吸附較多的水泥膠凝顆粒，且EFS土壤固化劑改變了土顆粒物理結構，使顆粒之間或內部發(fā)生交聯(lián)，增強了土體穩(wěn)定性，從而提高了土體抗壓強度。

2.2 水穩(wěn)定性

為判斷固化土遇水時的穩(wěn)定性及抵抗侵蝕破壞的能力，進行水穩(wěn)定性試驗。水穩(wěn)定性系數(shù)以標準養(yǎng)護6d、泡水1d與標準養(yǎng)護7d穩(wěn)定土試件無側限抗壓強度平均值之比進行評定[11]。本試驗試件標準養(yǎng)護6d后取出稱重，然后泡水1d，泡水結束后使用軟布吸取試件表面水分，并再次稱重。觀察知，經1d泡水后，試件未出現(xiàn)大量損壞或脫落現(xiàn)象，泡水后質量增大。水穩(wěn)定性試驗結果如表3所示。由表3可知，A1～A3組試件平均吸水量較小，表明試件質量變化較小；A1～A3組試件均具有良好的水穩(wěn)定性，水穩(wěn)定性系數(shù)分別為80.47%，83.09%，86.29%，均較規(guī)范限值高。這主要是因為純土土顆粒及土團之間依靠水膠黏結，黏結強度低，一旦浸水飽和，土顆粒及土團之間受水分子運動的影響，水膜效應增加，粒間排斥力增大，導致粒間黏結力喪失，趨于分散狀態(tài)。加入EFS土壤固化劑后，其與土顆粒表面形成化學鏈，可除去土體礦物中的水分，疏水尾包圍了土顆粒，阻止水分進入，將土顆粒由親水性變?yōu)樵魉?，使固化土水穩(wěn)定性得到提高。同時，水泥與土樣攪拌后，土顆粒被水泥包裹，接觸較充分，混合料膠結為整體，形成具有一定水穩(wěn)定性的整體板塊，且隨著水泥摻量的增加，水穩(wěn)定效果越好。

表3 水穩(wěn)定性試驗結果

2.3 抗沖刷性

為檢驗固化土抗沖刷性，開展沖刷試驗。噴嘴直徑8cm，噴孔65個，孔徑0.01mm，水壓控制為0.05～0.10MPa，沖刷高度為80cm，以保證水壓、水流與室外降雨盡量接近。記錄滲透時間并觀察試件表面變化，計算滲透速率。沖刷試驗中，水以一定壓力連續(xù)作用于試件，除試件表面受水分子影響外，隨著沖刷時間的延長，土體內部因表層土顆粒水膜飽和，與鄰層干燥土顆粒形成水力坡度，水分繼續(xù)向內滲透。觀察試件受水作用的同時，每隔10min記錄試件沖刷滲透厚度，用于計算試件滲透速率。沖刷試驗結果如表4所示。由表4可知，各組試件經一段時間沖刷后表面均完整、無潰散，表明試件抗沖刷性良好；隨著水泥摻量的增加，試件滲透速率逐漸減小，表明試件抗沖刷性逐漸提高；隨著沖刷時間的增加，各組試件滲透速率逐漸增大，表明試件耐水性有所降低。

表4 沖刷試驗結果

3 結語

1)A2組試件(6.5%水泥+EFS土壤固化劑)滿足城市道路輕交通底基層一級固化土7d無側限抗壓強度要求，95%保證率的強度代表值較規(guī)范限值1.5MPa高42%。

2)A3組試件(8%水泥+EFS土壤固化劑)滿足城市道路輕交通基層三級固化土7d無側限抗壓強度要求，95%保證率的強度代表值較規(guī)范限值2.5MPa高6.80%。

3)A1～A3組試件均具有良好的水穩(wěn)定性，水穩(wěn)定性系數(shù)分別為80.47%，83.09%，86.29%。

4)A1～A3組試件經一段時間沖刷后表面均完整、無潰散，抗沖刷性良好；隨著水泥摻量的增加，試件抗沖刷性逐漸提高；隨著沖刷時間的增加，試件滲透速率逐漸增大，表明試件耐水性有所降低。

5)EFS土壤固化劑可促進水泥與土顆粒膠結成整體，通過改變土體物理結構，提高固化土混合料無側限抗壓強度等，從而提高路用性能。