新型固化劑穩(wěn)定土物理力學(xué)性能研究

王皓田，張晉武，白 翔

(山西交院試驗(yàn)檢測有限公司，山西 太原 030000)

0 引 言

現(xiàn)如今土壤固化劑的制備工藝已日趨成熟，它依靠機(jī)械將多種有機(jī)與無機(jī)化合物摻配調(diào)制合成，是一種使用方便又節(jié)能降耗的新型固化土壤的筑路工程材料。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)所需土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，僅需摻入一定量的固化劑與其經(jīng)過充分拌和、碾壓處理，即可獲得所需加固土的性能指標(biāo)。加固土壤不僅僅是摻入固化劑所能達(dá)到的單一目的，它還使得固化土的滲透性、抗凍收縮能力得到增強(qiáng)，并能防止污染物質(zhì)泄漏等。

通過對廣泛存在于山西省晉南地區(qū)的粉質(zhì)粘土的土質(zhì)分析，通過室內(nèi)試驗(yàn)來探討該固化土能夠滿足路面基層所需的強(qiáng)度、水穩(wěn)及耐久性能，從而為以后工程應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)，使當(dāng)?shù)仉S處可取的土壤得到充分利用。從工程實(shí)際效益角度考慮，原材料運(yùn)距及運(yùn)費(fèi)成本均得到大幅節(jié)省進(jìn)而達(dá)到節(jié)能環(huán)保降耗的目的。從發(fā)展生態(tài)公路角度來看，石料的過度開采以及廢棄土方對環(huán)境造成的惡劣污染將會得到極大改善。

1 試驗(yàn)原材料

通過對所取原材料粉質(zhì)粘土(晉南地區(qū))、P.S.A 32.5水泥(太原)、石灰(太原)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測得粉質(zhì)粘土塑性指數(shù)為12.6，自由膨脹率為20%；水泥28 d膠砂強(qiáng)度為34.1 MPa；石灰等級為一級灰。所選用固化劑為黑色粘稠狀液態(tài)ZL-1型土壤固化劑(中路牌)。

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)方案采用水泥和石灰作為混合膠凝材料，單一膠凝材料下土壤固化劑對細(xì)粒土的影響不做研究，通過試驗(yàn)確定最佳配合比，然后以最佳配合比設(shè)計(jì)制備摻與不摻ZL型固化劑的橫向空白對比試驗(yàn)來探討并驗(yàn)證固化劑對水泥石灰穩(wěn)定土的強(qiáng)度、水穩(wěn)及耐久性能等的固化效果。

3 最佳配合比試驗(yàn)的確定

試驗(yàn)方法參照相關(guān)公路規(guī)范實(shí)施。首先，所用原材料水泥石灰細(xì)粒土壤的最大干密度和最佳含水量參數(shù)通過重型擊實(shí)法試驗(yàn)測定，然后利用測得的最大干密度和最佳含水量采用靜力壓實(shí)法分別成型4∶6與6∶4水泥石灰比例、不摻固化劑與摻入0.02%最佳摻量固化劑四組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件(壓實(shí)度：96%，尺寸：Φ50 mm×50 mm)。成型好的試件立即用塑料膜包裹嚴(yán)實(shí)，隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(溫度為20±2 ℃，相對濕度95%以上)，齡期為7 d，第6 d去除試件塑料膜并保持浸水1 d待測。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1中可以看到，摻與不摻固化劑水穩(wěn)固化土測得的最大干密度與最佳含水量值變化不明顯，這是由于固化劑含量在混合料中占比太小，影響微乎其微。對于粉質(zhì)粘土，從表1中強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以看出摻加固化劑可以明顯增強(qiáng)穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度，對于四種不同配比的水穩(wěn)固化土，強(qiáng)度提高幅度在0.6～0.8 MPa之間，約18%～25%。根據(jù)強(qiáng)度滿足路用要求，結(jié)合實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況，綜合考慮比較選取水泥∶石灰∶土=6∶4∶90、ZL固化劑摻量0.020%為最佳配合比，后續(xù)進(jìn)行的各項(xiàng)強(qiáng)度及耐久性試驗(yàn)研究均在最佳配合比基礎(chǔ)上展開。

4 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

本試驗(yàn)通過測定作為半剛性基層材料的ZL型固化劑水穩(wěn)土的劈裂強(qiáng)度來間接反映其抗拉性能，在受到諸如行車荷載、溫度和濕度變化反復(fù)作用下的基層材料，若其抗拉強(qiáng)度高，則產(chǎn)生裂縫也較少，在提高防滲性的同時可以有效減少瀝青面層裂縫的產(chǎn)生。試驗(yàn)結(jié)果見表2與圖1。

表2 不同齡期劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 劈裂強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線

由表2和圖1可以看出：(1)摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩(wěn)土劈裂強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而有明顯提高；其中劈裂強(qiáng)度在初期28～90 d齡期內(nèi)增速明顯，但在后期90～180 d齡期內(nèi)增速趨緩；(2)在相同齡期節(jié)點(diǎn)下，摻ZL型固化劑水穩(wěn)土的劈裂強(qiáng)度比之未摻ZL固化劑水穩(wěn)土要高出許多。在90 d齡期時前者比之后者劈裂強(qiáng)度高出0.08 MPa；這是由于摻入ZL型固化劑水穩(wěn)土混合料在經(jīng)過拌合、壓實(shí)過程中內(nèi)部發(fā)生理化反應(yīng)導(dǎo)致材料固化后顆粒間形成膠結(jié)物，進(jìn)而產(chǎn)生較強(qiáng)的粘聚效應(yīng)，因此ZL型固化劑對水泥石灰穩(wěn)定土劈裂強(qiáng)度的提高效果顯著。

5 抗壓回彈模量試驗(yàn)

本試驗(yàn)參照相關(guān)公路規(guī)范采用頂面法進(jìn)行，通過測定7 d、28 d、90 d齡期下的試件抗壓回彈模量來反映公路路面變形量的大小，在載荷不變的情況下，抗壓回彈模量越大，路面變形量越小，抵抗車轍變形能力就越強(qiáng)，進(jìn)而減少路面病害的產(chǎn)生。試驗(yàn)結(jié)果見表3與圖2。

表3 不同齡期抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

圖2 抗壓回彈模量與齡期關(guān)系曲線

從表3與圖2可以看出：(1)摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩(wěn)土抗壓回彈模量表現(xiàn)出同劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)相似的結(jié)果，兩者在初期7～28 d齡期內(nèi)增速明顯，在后期28～90 d齡期內(nèi)逐漸變緩，不同的是7～28 d初期齡期內(nèi)前者的抗壓回彈模量增幅比后者要大。表明ZL型固化劑水穩(wěn)土內(nèi)部土顆粒間約束力在額定壓實(shí)功下比未添加固化劑的要大，土顆粒移動距離亦隨之比未添加固化劑的要短，反映到宏觀層面即固化劑水穩(wěn)土的彈性變形更小、回彈模量更大。(2)摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩(wěn)土在7 d齡期節(jié)點(diǎn)時回彈模量相差不明顯，但兩者的回彈模量差距隨齡期的不斷增加而逐漸拉大，表明ZL型固化劑對水泥石灰穩(wěn)定土抗壓回彈模量的提升效果在后期持續(xù)顯著。

6 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融循環(huán)作為公路設(shè)計(jì)中影響路用性能的一個重要參數(shù)，凍融循環(huán)后的強(qiáng)度高即結(jié)構(gòu)層不易損壞，反映在宏觀層面即路用性能好。所以試驗(yàn)參照相關(guān)規(guī)范凍融試驗(yàn)方法來研究用作基層材料的ZL型固化劑水穩(wěn)土在凍融循環(huán)反復(fù)作用下抵抗破壞的能力。首先利用測得的最大干密度和最佳含水量采用靜力壓實(shí)法成型兩組配比凍融試件(規(guī)格尺寸為直徑150 mm高150 mm，壓實(shí)度96%，每個配比18個，用于未凍融和凍融各9個)。未凍融試件在標(biāo)養(yǎng)浸水(標(biāo)養(yǎng)28 d，浸水1 d)后測其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；凍融試件在標(biāo)養(yǎng)浸水后按照凍融循環(huán)條件完成5次循環(huán)(先-18 ℃低溫凍結(jié)16 h，再20 ℃恒溫融化8 h，此為循環(huán)一次)，然后測其強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

從表4中可以看出：(1)摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩(wěn)土在完成凍融循環(huán)后測得的強(qiáng)度損失均達(dá)30%以上，這表明凍融循環(huán)對水穩(wěn)土的強(qiáng)度破壞產(chǎn)生很大影響；(2)摻0.02%ZL型固化劑的水穩(wěn)固化土強(qiáng)度損失明顯小于未摻的水穩(wěn)土強(qiáng)度損失，表明摻加ZL型固化劑對提高水穩(wěn)土的抗凍性能有顯著效果。

7 結(jié) 論

(1)摻與不摻ZL型固化劑對水穩(wěn)固化土最大干密度與最佳含水量的影響較小，但ZL型固化劑對于粉質(zhì)粘土的固化效果比較明顯，對于不同配比的水穩(wěn)土，強(qiáng)度提高幅度達(dá)18%～25%。

(2)摻與不摻ZL型固化劑水穩(wěn)土在同等齡期條件下，前者測得的劈裂強(qiáng)度要明顯高于后者。

(3)摻ZL型固化劑的水穩(wěn)土抗壓回彈模量于初期7～28 d齡期內(nèi)增幅比未添加ZL型固化劑水穩(wěn)土大，且后期提升效果持續(xù)顯著。

(4)凍融循環(huán)對摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩(wěn)土造成的強(qiáng)度損失均較大，但前者強(qiáng)度損失要明顯小于后者。