路邦土壤固化劑固化紅砂巖試驗研究

霍軍帥，于志強

(1.同濟大學道路與交通工程教育部國家重點實驗室，上海201804;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

近年來，土壤固化劑因具有高性價比、低能耗、環(huán)保的特性[1]，被作為一種新型的工程材料而廣泛應用于國內外的道路基層、渠道防滲和水利工程中，并取得了很好的經濟效益和社會效益。隨著經濟和土壤加固技術的發(fā)展，土壤固化劑更多用于不良土質的固化上，種類也越來越趨于多樣化。目前，按照加固機理的不同，土壤固化劑主要可分為4類，即無機化合物類、離子交換類、生物酶類和高分子乳液類[2]，4種土壤固化劑根據土層性質的不同各有其適用范圍。

紅砂巖是廣泛分布于我國湖南、廣東、江西、四川等省份的一種土質，存在形態(tài)以泥狀結構的粘土類巖和粒狀結構的碎屑類巖為主，因其含有豐富的含鐵氧化物作為浸染物，外觀多呈現為紅色、深紅色、褐色等顏色[3]。紅砂巖具有風化崩解、遇水軟化強度驟降、工程性質差的特點[4]，屬于不良土質的范疇，不宜作為公路路面結構層尤其是高等級公路路面結構層的建筑材料。當擬建線路穿越紅砂巖時，按傳統(tǒng)筑路方法進行修建，則需要從他處運來大量的砂礫料或其它石料，將其置換掉，建設成本很大。同時，置換造成的大量棄方對當地的環(huán)境保護會帶來諸多不利的影響。但是將其用土壤固化劑固化后，能否作為高速公路路面底基層的建筑材料，是一個亟待解決的問題。

不良土質固化是工程地基處理研究領域中的重要課題之一[5]，紅砂巖的固化同樣涉及到化學、巖土力學及工程力學等多種專業(yè)和學科。從降低工程造價、保護環(huán)境角度出發(fā)，開展這方面的研究，解決紅砂巖不宜作為高速公路路面底基層的建筑材料、造成大量棄方的問題，具有良好的社會環(huán)境效益和經濟效益。

1 試驗方法

1.1 材料及摻入比設計

試驗用土取自中鐵二局在建的四川綿陽至遂寧高速公路遂寧段，取樣深度為2～3m，試驗前將土樣混勻風干，過0.5 cm和0.2 cm篩備用。研究采用的路邦EN-1土壤固化劑(以下簡稱固化劑)是一種離子型土壤固化劑，一種高濃縮的酸性有機溶液和氧化劑，醬黑色液體，稀釋后對環(huán)境無毒、無害、無污染。使用時用水將其稀釋，與土樣充分拌合均勻、壓實制作成試樣。

通過光譜分析測定紅砂巖的主要化學成分見表1，從表中可以看出，SiO2的含量占主要部分，其次為Al2O3、Fe2O3及CaO，灼堿占了近1/3。

表1 紅砂巖主要化學成分

試樣的基本物理性能指標見表2，因取樣地段多為中—強風化紅砂巖，測定的原位土含水率和孔隙比離散性較大，故表中未示。根據表2中的試驗結果，按《公路工程土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)中3.4節(jié)對土的工程分類，將試驗用紅砂巖劃入低液限粉土，記為ML。

表2 試樣的物理性能指標

試驗時，為充分激發(fā)固化劑的活性，選用四川峨眉山牌32.5號普通硅酸鹽水泥作為固化劑的媒質。固化劑的摻量按占土粒質量的百分比m1=0.010%，m2=0.012%，m3=0.014%，m4=0.016%，m5=0.018%，m6=0.020%，水泥摻量為占土粒質量的百分比M1=3%，M2=4%，M3=5%，M4=7%，試樣齡期取1，7，28 d分組進行試驗。

1.2 主要儀器

重型擊實儀、應變控制式無側限壓縮儀。試驗操作按《公路工程土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)進行。

2 試驗結果與分析

2.1 擊實試驗

紅砂巖在不同固化劑摻量情況下?lián)魧嵏擅芏群秃首兓€如圖1所示。由試驗結果可知，素土的最大干密度為2.12 g?cm-3，對應的最優(yōu)含水量為9.6%，圖示出的擊實曲線比較陡，峰值明顯，若按《公路路面基層施工技術規(guī)范》(JTJ034-2000)中3.1.7條規(guī)定，高速公路和一級公路采用水泥穩(wěn)定土做底基層時壓實度應大于97%，則素土的含水率須控制在6.3%～11.4%之間。

摻入固化劑后，6種摻入比對應的固化土最大干密度均為2.1 g?cm-3，表明摻入比對固化土的最大干密度變化沒有影響，即固化劑摻量的變化對固化土壓實效果影響不大。但最優(yōu)含水量有所改變，摻入比為0.010%的固化土為9.2%，0.012%的為9.3%，0.014%的為9.3%，0.016%的為9.3%，0.018%的為9.4%，0.020%的為10.1%，有隨摻入比逐漸增長的趨勢。各種摻入比下，圖示出的固化土擊實曲線比較平緩，峰值不太明顯。從含水量跨度來看，為使固化土的壓實度達到97%時，摻入比為m3=0.014%的固化土含水量須控制在5.5%～11.7%之間，要大于其它幾種摻入比(0.018%的除外)。在保證壓實度滿足工程要求時，可在較大含水率范圍內予以完成，這對便于現場施工碾壓，控制土體含水率，提高施工便宜性有很好的幫助。

圖1 干密度與含水率關系曲線

2.2 無側限抗壓強度試驗

2.2.1 固化劑摻量對無側限抗壓強度的影響

紅砂巖在不同固化劑摻量情況下無側限抗壓強度試驗結果如表3和圖2中所示。

由圖2可以看出，摻入固化劑后，土體強度有明顯的提高，表明固化劑對素土起到了一定的固化效果，但隨著固化劑摻量的增加固化土強度并無明顯變化。以摻量m3=0.014%為例，1，7，28 d齡期固化土抗壓強度比素土分別提高了46%，47%，53%，表明摻入固化劑后土體強度得到了提到，固化土強度隨齡期的增加有所提高但增幅不大。

此外，由表4可以看出，試樣的無側限抗壓強度增量以m3=0.014%為界，固化劑摻量小于m3時，試樣強度增幅較大;大于m3時，試樣強度增幅不僅較小，而且出現波動，表明固化劑固化紅砂巖的固化效果于摻入比為0.014%處出現拐點。

圖2 不同固化劑摻量下試樣的無側限抗壓強度曲線

表3 不同固化劑摻量下試樣的無側限抗壓強度/kPa

表4 相同固化劑摻量增量下試樣無側限抗壓強度增幅/kPa

2.2.2 水泥摻量對無側限抗壓強度的影響

紅砂巖在不同水泥摻量情況下無側限抗壓強度試驗結果如表5和圖3中所示。

由圖3和表5可以看出，摻入水泥后，土體的強度有了明顯的提高。隨著水泥摻量的增加，土體的早期強度也逐漸增大，而且其早期強度提高的幅度也在增加。水泥摻量不變時，土體強度隨著齡期的增加也在增加。

由表5和表6可以看出，4種水泥摻入比下，土體28 d齡期強度分別為1 697，2 006，2 630，4 702 kPa，為素土28 d齡期強度的1.99，2.35，3.08，5.51倍。在不同水泥摻入比下，再添加相同質量的水泥時，土體強度提高的幅度是不一樣的，提高幅度有隨摻入比增大而增大的趨勢。

以上規(guī)律和數據表明，單一摻入情況下，摻入水泥比摻入固化劑對紅砂巖的固化效果要好。

表5 不同水泥摻量下試樣的無側限抗壓強度/kPa

表6 相同水泥摻量增量下試樣無側限抗壓強度增量/kPa

2.2.3 固化劑、水泥對無側限抗壓強度的影響

按《公路路面基層施工技術規(guī)范》(JTJ034-2000)中3.3.1條規(guī)定，高速公路和一級公路采用水泥穩(wěn)定土做底基層時其強度應介于1.5～2.5之間，水泥摻入比為M1，M 2時土體強度未達到要求;水泥摻入比為M3，M4時土體強度達到要求。為研究固化劑對紅砂巖的固化效果，并從經濟角度出發(fā)，考慮到不論是早期強度還是后期強度的增長水泥摻入比為M 2的情形均要優(yōu)于摻入比為M1的情形，故試驗時取水泥摻入比為4%，固化劑仍按6種摻入比進行研究。試驗結果如表7和圖4中所示。

由圖4可以看出，摻入固化劑和水泥的固化土不僅早期強度較高，且后期強度仍呈現出有較大增長的趨勢。由表7計算可知，與僅摻入4%水泥固化土相比，再摻入0.010%，0.012%，0.014%，0.016%，0.018%，0.020%固化劑，1 d齡期時，固化土強度提高了21%～40%;7 d齡期時，固化土強度提高了33%～40%;28 d齡期時，固化土強度提高了37%～52%。

單獨由圖4可以看出，各齡期固化土的強度在摻入比介于m1+M2～m3+M2之間時均呈現出明顯的上升趨勢，而在摻入比介于m3+M 2～m 6+M 2之間時出現了波動，固化土的強度總體上有上升趨勢但不明顯。表明，在與4%的水泥共同摻入時，固化劑固化紅砂巖也在摻入比為0.014%時取得最佳的固化效果。

圖3 不同水泥摻量下試樣的無側限抗壓強度曲線

圖4 4%水泥、不同固化劑摻量下試樣的無側限抗壓強度曲線

表7 摻入固化劑和4%水泥時試樣的無側限抗壓強度/kPa

2.3 水穩(wěn)定性試驗

試驗時將做好的試件在常規(guī)養(yǎng)生條件下，養(yǎng)護6 d后浸水24 h，測試試件的無側限抗壓強度，與常規(guī)養(yǎng)生條件下同齡期7 d的試件無側限抗壓強度試驗指標進行比較，研究浸水與否以及不同固化劑摻量對試件強度的影響。水穩(wěn)系數按下式計算，結果如表8和圖5所示。

由表8可以看出，只摻入0.014%固化劑時試件的水穩(wěn)系數僅為0.61，而只摻入4%水泥時水穩(wěn)系數為0.73，較前者提高了19.7%，表明單獨使用時，水泥對試件水穩(wěn)性的提高幫助較大，固化劑的幫助較小。當同時摻入0.014%固化劑和4%水泥時，試件的水穩(wěn)系數比只摻入0.014%固化劑時提高了41.0%，比只摻入4%水泥時提高了17.8%，表明由于水泥的摻入充分激活了固化劑的活性，使得固化劑對試件的水穩(wěn)性的幫助充分發(fā)揮了出來。但是隨著固化劑摻量的增大，水穩(wěn)系數則不再有明顯的提高，而是徘徊在0.86左右，表明存在一個最優(yōu)的固化劑摻入比，使得試件的水穩(wěn)性達到最佳。

同時摻入固化劑和水泥的固化土養(yǎng)護6 d后浸水24 h后的無側限抗壓強度為1 563 kPa，依據《公路路面基層施工技術規(guī)范》(JTJ034-2000)中表3.3.1規(guī)定，高速公路和一級公路水泥穩(wěn)定土底基層7 d浸水抗壓強度應為1.5～2.0MPa，固化土可做為高速公路和一級公路的底基層。

表8 水穩(wěn)定性試驗無側限抗壓強度結果/kPa

由圖5可以看出，素土試件經過6 d常規(guī)條件下的養(yǎng)生浸水后1～2 min內很快軟化崩解，而摻入0.014%～0.020%固化劑和4%水泥的試件經過6 d常規(guī)條件下的養(yǎng)生和浸水24 h后取出，試件完好，并能夠測得相應的無側限抗壓強度。

圖5 浸水養(yǎng)生

3 結語

采用路邦EN-1土壤固化劑對紅砂巖進行了固化試驗研究，取得了較好的效果，并得出以下結論:

(1)固化劑能有效提高紅砂的無側限抗壓強度，固化土28 d齡期無側限抗壓強度能達到2 923 kPa，約為素土強度的3.49倍，試驗結果表明固化劑的最佳摻量是0.014%;

(2)從加固效果來看，同時摻入EN-1土壤固化劑、水泥的固化土不論是早期強度還是后期增長都優(yōu)于僅摻入水泥的固化土，而僅摻入水泥的固化土又優(yōu)于僅摻入固化劑的固化土;

(3)從提高水穩(wěn)定性效果來看，水泥對紅砂巖水穩(wěn)性的提高要大于固化劑，但當兩者同時摻入時，紅砂巖的水穩(wěn)性能夠得到進一步的提高，浸水試驗后的強度能夠滿足路面底基層的使用要求;

(4)摻入固化劑能有效改善紅砂巖的壓實性能，擊實曲線比較平緩，峰值不太明顯，有利于施工中控制含水率使其能滿足施工要求。

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