鐘富軍

摘要：為提高公路路基土的強(qiáng)度特性，文章研究開發(fā)了一種新型的穩(wěn)定劑，主要用于提高其力學(xué)性能及在公路路基上的適用性。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)研究，以及水穩(wěn)定性試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究穩(wěn)定劑與路基土混合后的耐久性及其建成后的道路性能；采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）分析穩(wěn)定劑對公路路基土的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)制的影響。結(jié)果表明：穩(wěn)定劑的加入會使泥土顆粒表面與路基土發(fā)生水化反應(yīng)、沸石反應(yīng)和陽離子交換，從而增強(qiáng)泥土顆粒分子間的作用力，在路基土中加入10%的穩(wěn)定劑是一種合理、有效的加固路基土的方法，能有效地提高公路路基的早期強(qiáng)度和耐久性。

關(guān)鍵詞：納米二氧化硅；穩(wěn)定劑；公路路基

中圖分類號：TE254.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0042-04

0 引言

穩(wěn)定劑在土壤中的應(yīng)用由來已久。20世紀(jì)初，美國首次將水泥作為穩(wěn)定劑，與土壤混合形成道路材料。此后，以水泥、石灰或水泥-石灰為基礎(chǔ)的綜合穩(wěn)定劑得到了發(fā)展［1］。從20世紀(jì)70年代開始，對土壤穩(wěn)定劑的研究逐漸成熟，出現(xiàn)了穩(wěn)定劑的分類，并逐步應(yīng)用于不同領(lǐng)域。例如，李松松［2］開發(fā)了硅酸鈉土壤穩(wěn)定劑，研究發(fā)現(xiàn)硅酸鈉土壤穩(wěn)定劑具有良好的激發(fā)作用和較高的經(jīng)濟(jì)適用性。宋兵偉［3］用水泥和石灰穩(wěn)定軟黏土，通過設(shè)計一系列的混合比例，找到石灰的最佳用量。然而，普通硅酸鹽水泥在生產(chǎn)過程中存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。因此，開發(fā)一種綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的土壤穩(wěn)定劑具有重要的實(shí)踐意義。

許多學(xué)者致力于新型經(jīng)濟(jì)環(huán)保型土壤穩(wěn)定劑的研究，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)土壤穩(wěn)定劑的缺陷。劉蕾［4］加固了南方地區(qū)的軟土，并使用Eades-GrimpH（經(jīng)驗(yàn)石灰推薦算法）確定最佳石灰含量。結(jié)果表明：4%的石灰含量可使土壤pH值提高至12，穩(wěn)定土的強(qiáng)度可以達(dá)到更高的水平。池育源［5］評估使用黏合劑穩(wěn)定由粉煤灰和高爐爐渣組成的膨脹土壤的潛力。研究發(fā)現(xiàn)，添加黏合劑進(jìn)一步改善了土壤性質(zhì)。結(jié)合上述研究，本研究研制了一種用于穩(wěn)定淤泥的新型穩(wěn)定劑，稱為礦渣-納米二氧化硅穩(wěn)定劑（SNS），該穩(wěn)定劑由爐渣、納米二氧化硅和生石灰組成，本文通過宏觀力學(xué)性能試驗(yàn)、道路性能試驗(yàn)和微觀機(jī)理分析評價了穩(wěn)定土的力學(xué)及微觀性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法及路基土性能

1.1 路基土性能

本試驗(yàn)所用路基土的液限wL、塑限wP和塑性指數(shù)IP分別為48.7%、29.60%和19.10。路基土的最佳含水量為30.12%，最大干密度為1.76g.cm-3。按照塑性圖的分類，粉砂屬于極限黏土低液態(tài)砂（CLS）。本實(shí)驗(yàn)中使用的生石灰中CaO的含量為82%，MgO含量為1.6%。同時，使用礦渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅酸鹽水泥，用生石灰促進(jìn)水化反應(yīng)。通過設(shè)計混合比例，自主研發(fā)了礦渣-納米二氧化硅穩(wěn)定劑（SNS）。

1.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是在沒有側(cè)向約束的情況下，對路基土的中心施加一定的軸向壓力，在此過程中測量路基土的抗壓強(qiáng)度。本文根據(jù)我國規(guī)范《公路工程土工試驗(yàn)方法》（JTG E40—2007）進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同SNS含量的路基土的強(qiáng)度特性，為實(shí)際工程施工提供參數(shù)依據(jù)。

1.3 水穩(wěn)定性測試

路面結(jié)構(gòu)的破壞源不僅來自外部荷載的作用，還來自周圍環(huán)境的濕度和基層土中較高的含水量，這些因素都會對路面和基層結(jié)構(gòu)造成內(nèi)部破壞。本文根據(jù)我國規(guī)范《公路工程無機(jī)膠結(jié)料穩(wěn)定材料試驗(yàn)方法》（JTG E51—2009）進(jìn)行水穩(wěn)試驗(yàn)，通過10%SNS-S（添加含量為10%的礦渣-納米二氧化硅穩(wěn)定劑的路基土）試件浸泡前后的抗壓強(qiáng)度計算水穩(wěn)系數(shù)，用于評價土壤穩(wěn)定劑的水穩(wěn)性能。

1.4 凍融循環(huán)試驗(yàn)

在北方沿海地區(qū)，溫度的大幅度周期性變化將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生周期性變化。因此，考慮到SNS的區(qū)域適用性，根據(jù)我國規(guī)范JTG E51—2009的試驗(yàn)方法，模擬冷熱交替的氣候環(huán)境，將10%SNS-S和水泥路基土（CS-S）分別放入低溫箱（-18±2）℃和恒溫水箱（20±2）℃進(jìn)行凍融循環(huán)，通過凍融循環(huán)前后的損失強(qiáng)度計算其防凍指數(shù)。

1.5 SEM

為觀察添加SNS前后的路基土的微觀結(jié)構(gòu)和縫隙形狀的變化，將SNS-S（6%/7 d、10%/7 d、10%/28 d）粉碎，取20 mm3×10 mm3×5 mm3邊緣的中心部分，在50℃的烘箱中放置12 h后進(jìn)行顯微鏡觀察。

1.6 XRD

X射線衍射（XRD）是一種常用的定性分析自然界中礦物成分的方法，通過比較穩(wěn)定化土壤的XRD結(jié)果，可以更好地分析穩(wěn)定化土壤在添加SNS前后和不同年齡段的礦物成分變化。將素土和SNS-S（6%/7 d、6%/28 d、10%/7 d和10%/28 d）研磨并干燥后進(jìn)行測試，將2θ的衍射角設(shè)定為5～85°。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，將添加了6%、8%、10%、12%和14%的礦渣-納米二氧化硅穩(wěn)定劑（SNS-S）的路基土與添加10%水泥的路基土（CS-S）相比，探討不同養(yǎng)護(hù)齡期和不同SNS含量對路基土穩(wěn)定效果的影響（如圖1所示）。

從圖1可以看出，隨著路基土養(yǎng)護(hù)周期的延長，路基土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先快速增加，后緩慢下降。對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)周期為7 d和28 d的試樣，公路路基土的最大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為4.21 MPa和5.59 MPa，而CS-S的無側(cè)限抗拉強(qiáng)度分別為2.84 MPa和3.11 MPa。因此，SNS-S的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為CS-S的1.6倍。隨著穩(wěn)定劑含量的增加，SNS-S的抗壓強(qiáng)度先增強(qiáng)后緩慢減弱。當(dāng)含量為10%時，SNS-S的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在28 d達(dá)到峰值（5.59 MPa），并且SNS-S的抗壓強(qiáng)度值都高于CS-S。

分析上述試驗(yàn)結(jié)果，SNS中的礦渣在穩(wěn)定初期發(fā)生了水化反應(yīng)，生成Ca（OH）2，并且穩(wěn)定劑中的納米二氧化硅和生石灰與Ca（OH）2發(fā)生水化反應(yīng)，生成硅酸鈣水合物（C-S-H）凝膠、硅酸鋁鈣水合物（C-A-S-H）凝膠和其他水化反應(yīng)產(chǎn)物，在土壤顆粒之間起到膠結(jié)作用，這也是路基土的強(qiáng)度特性得到改善的主要原因。本試驗(yàn)中使用的納米二氧化硅的粒徑較小，比表面積較大，因此可以更有效地促進(jìn)穩(wěn)定劑中礦渣的水化反應(yīng)，顯著提高路基土的早期抗壓強(qiáng)度。適當(dāng)添加SNS可以顯著提高路基土的抗壓強(qiáng)度，但過多的SNS會破壞路基土整體的均勻性，造成納米二氧化硅穩(wěn)定劑的水化反應(yīng)產(chǎn)物過多、土壤顆粒之間的間隙增大、土壤表面出現(xiàn)少量裂縫、整體結(jié)構(gòu)發(fā)展不完善，導(dǎo)致路基土的強(qiáng)度從峰值緩慢下降。當(dāng)SNS的含量為10%時，對路基土的抗壓性能的改善最明顯。

2.2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

表1為公路路基土的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果。表1中的Rw代表標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，Rc代表水浴固化后的抗壓強(qiáng)度，Dw代表強(qiáng)度損失率，Kw代表水穩(wěn)定性系數(shù)。從表1中可以看出，相同含量的SNS-S的水穩(wěn)定性系數(shù)高于CS-S。水浴養(yǎng)護(hù)后，SNS-S的Rc比Rw顯著降低。隨著水浴養(yǎng)護(hù)時間的增加，路基土的抗壓強(qiáng)度先減弱后增強(qiáng)。CS-S的Rw為2.84 MPa，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d的CS-S強(qiáng)度損失率最高（Dw為28.17%），水穩(wěn)定性系數(shù)為0.72，SNS-S的Rw為4.45 MPa。養(yǎng)護(hù)周期為3 d的SNS-S強(qiáng)度損失率最低（Dw為13.26%），水穩(wěn)定性系數(shù)為0.87。CS-S前期水穩(wěn)定性系數(shù)的下降幅度大于SNS-S，SNS-S后期水穩(wěn)定性系數(shù)下降速度較慢。隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加，CS-S和SNS-S后期的水穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大，路基土在浸水環(huán)境下趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步表明納米二氧化硅穩(wěn)定劑可有效地提高路基土的穩(wěn)定性能。

2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

表2為凍融循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果，其中Rf代表試驗(yàn)后的抗壓強(qiáng)度（UCS），BDR代表防凍指數(shù)。從表2中可以看出，在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，與CS相比，SNS對路基土的防凍性能有一定程度的提高。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SNS-S的BDR下降速度快于CS-S；但在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，SNS-S的BDR大于CS-S。

溫度的變化會導(dǎo)致土壤顆粒在凍融循環(huán)過程中發(fā)生破碎，土壤顆粒之間的分子吸引力降低，土壤顆粒之間的間距變大，土壤中的水相也會交替變化，冰晶結(jié)構(gòu)不斷增加，導(dǎo)致土壤表面出現(xiàn)裂縫。路基土中由水化反應(yīng)和沸石反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠隨著凍融時間的增加而被破壞，最終體現(xiàn)為路基土宏觀力學(xué)強(qiáng)度下降。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)變化

2.4.1 掃描電鏡測試（SEM）

圖2為路基土掃描電鏡測試（SEM）圖。圖2（a）是放大2 000倍的原始路基土的SEM圖像。從圖2（a）可以清楚地看到，路基土的微觀結(jié)構(gòu)主要是團(tuán)聚或片狀，沒有觀察到絮凝結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。土壤表面形狀不規(guī)則、分布不均勻，結(jié)構(gòu)元素主要是點(diǎn)-面和邊-面接觸，可以觀察到許多黑色陰影，代表土壤顆粒之間或土壤顆粒與礦物之間的間隙。這也表明，土壤顆粒之間顯然缺乏有效連接。當(dāng)土壤遇到水流時，縫隙會被水填滿，土壤顆粒被軟化，導(dǎo)致土壤的強(qiáng)度特性變差，路面性能降低。

從圖2（b）可以看出，土壤仍然以塊狀團(tuán)聚體為主。與圖2（a）相比可以看出，土壤表面變得相對平坦，并產(chǎn)生了水化產(chǎn)物，但其水化產(chǎn)物較少，不能起到很好的填充作用。因此，雖然添加少量SNS在一定程度上提高了公路路基的抗壓強(qiáng)度，但是提高的效果并不明顯。

從圖2（c）可以看出，隨著SNS含量的增加，產(chǎn)生更多的針狀鈣礬石晶體（AFt）、C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠。表明隨著SNS含量的增加，早期的水化反應(yīng)變得更加充分，水化產(chǎn)物顯著增加。針狀晶體和絮凝劑的形成可以有效地填補(bǔ)土壤顆粒之間的空隙，使土壤結(jié)構(gòu)更加緊湊，起到穩(wěn)定作用。這就解釋了土壤強(qiáng)度隨穩(wěn)定劑含量的變化現(xiàn)象。同時，從圖2（c）中可以觀察到，早期土壤的微觀結(jié)構(gòu)主要是層狀的，土壤表面有大量的AFt和六方晶Ca（OH）2。與圖2（a）中的原始土壤相比，土壤顆粒之間的間隙明顯減小，土壤顆粒的直接連接方式也變?yōu)樘畛浞绞剑岣吡送寥赖姆€(wěn)定性。

從圖2（d）可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，土壤的微觀結(jié)構(gòu)由片狀結(jié)構(gòu)變?yōu)樾鯛罱Y(jié)構(gòu)，土壤顆粒之間的間隙明顯減少，這說明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水化產(chǎn)物C-H充分參與了C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠的形成，起到膠結(jié)和填充的作用。路基土的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增強(qiáng)，說明相比片狀結(jié)構(gòu)，絮狀結(jié)構(gòu)能更好地提高路基土的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)，研究新穩(wěn)定劑的最佳比例及其對路基土的穩(wěn)定影響，得出以下結(jié)論：穩(wěn)定劑對路基土具有凝膠化和填充作用，并且與傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定劑相比，新型穩(wěn)定劑可以有效地提高路基土的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和防凍性能。穩(wěn)定劑的最佳含量為10%。將納米二氧化硅摻入路基土，能提升其強(qiáng)度性能和耐久性，滿足公路建設(shè)的要求，并且路基土表面存在大量的針狀鈣礬石晶體和六方晶Ca（OH）2，可以有效填充路基土孔隙，進(jìn)一步表明納米二氧化硅穩(wěn)定劑可有效提高路基土的穩(wěn)定性能。

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