固化劑穩定粉土路基的應用研究

趙 晉 鋒

(山西省交通科學研究院，山西 太原　030006)

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固化劑穩定粉土路基的應用研究

趙 晉 鋒

(山西省交通科學研究院，山西 太原030006)

通過室內試驗，對固化粉土的無側限抗壓強度、回彈模量等性能進行了分析，并結合工程實例，評價探討了SEU-2型固化劑加固粉土路基的效果，經實踐表明：SEU-2型固化劑的摻入能夠有效的控制粉砂土路基的沉降，增加路基的抗壓強度。

固化劑，粉土路基，抗壓強度，回彈模量

粉土廣泛的分布于我國各地區，土體顆粒組成以細砂粒和粉粒為主，其比表面積小，塑性低，顆粒之間的內聚力弱，水穩定性差，是一種介于砂性土與粘性土之間的特殊土體[1]。粉土強度低，土體穩定性差，在工程應用中，必須對其加以處治。通常采用固化劑來穩定粉土路基，固化劑一般以水泥、石灰、粉煤灰等混合物組成[2]。但此種固化劑的加固效果往往差強人意，主要表現為穩定性差、收縮大、早期強度低等。因此，改善固化劑的加固性能，研究新型高效的粉土固化劑具有十分重要的意義。20世紀70年代開始，美國、日本、德國對固化劑開始展開了研究。Medina等[3]通過研究發現，可用磷酸來穩定紅土，并取得了不錯的效果。Tomohisa S等[4]針對軟土路基，研制出一種離子類固化劑，并對其性能進行了評價。S.Kolias等[5]對固化細粒粘土展開了研究，研究發現，固化土的抗壓強度隨著水泥與粉煤灰摻入總量的增加而增加，塑性隨之降低。國內學者對土壤固化劑也進行了深入的研究，并取得了不錯的成果。朱志鐸等[6]通過試驗對SEU-2型固化劑、水泥石灰固化粉土的性能展開了研究，研究結果表明，SEU-2型固化劑的加固性能要優于水泥石灰固化劑。王振軍等[7]對石灰與礦渣粉加固粉土的路用性能進行了研究，得出摻入礦渣粉后的粉土，其抗壓強度、水穩定性等性能比石灰加固土要好。但目前，國內外對不同固化劑加固粉土路基的工程特性及路用性能研究尚有欠缺。本文通過室內試驗，對不同固化劑加固粉土的抗壓強度、回彈模量進行了研究，對不同固化劑加固粉土的效果進行了比較分析。通過工程實例對SEU-2固化劑加固粉土路基的效果進行了分析與評價。

1　室內試驗

1.1試驗材料

1)粉土：該試驗所采用的粉土取自某新建一級公路施工現場，為黃河地區典型粉土。其物理性能指標如表1所示，試驗前，將所取粉土土樣自然風干并過2 mm篩。

表1　粉土的物理性能參數

2)石灰與水泥：試驗用水泥采用海螺CONCH牌普通325號硅酸鹽水泥，選用Ⅰ級鈣化消解石灰作為本試驗用石灰，石灰的成分及含量如表2所示。

3)固化劑：本文選用SEU-2固化劑，該固化劑為粉末固化劑，其主體原料為水泥、礦粉、粉煤灰，并摻入一定比例的膨脹組分、表面活性劑及堿性激發成分。

1.2試驗方案

表2　石灰的組成成分及含量

試驗以水泥與石灰的摻入比、SEU-2的摻入量、齡期為試驗因素，并利用正交試驗法制定水泥與石灰的配合比及摻入量、SEU-2的摻入量。具體試驗方案如表3所示。

表3　室內試驗設計方案

1.3試驗內容及方法

1)擊實試驗：采用數控電動擊實儀對混合料進行擊實試驗。參照相關規范標準[8]，按表3設計方案制備混合料，每種方案制備6個不同含水率的試樣，每個相鄰試樣的含水量變化為1%～2%，對拌合均勻后的混合料試件分層擊實，選用重4.5Kd的擊錘，每層擊實30次。繪制混合料干密度與含水量的關系曲線，確定最佳含水量。2)無側限抗壓強度試驗：本文以混合料的無側限抗壓強度與水穩定系數作為固化劑加固粉土的評價指標。該試驗儀器采用YSH-2型無側限壓力儀，參照相關規范標準[8,9]，按表3配合比方案，將混合料拌合均勻，并在最佳含水量條件下，摻入適量的蒸餾水。采用靜力壓實法制備直徑為5 cm，高為10 cm的圓柱體試樣，對試樣進行標準養護與浸水養護，養護齡期分別為7 d,28 d，90 d，養護溫度為20 ℃±2 ℃，濕度為100%，其中標準養護是指養護6 d，27 d，89 d后，再對試樣浸水養護24 h后進行試驗。浸水養護是將試樣標準養護3 d,7 d,28 d后，分別再進行4 d,21 d,83 d的浸水養護后試驗。試驗時壓縮速率為每分鐘1%，應力環系數取21 N/0.01 mm。3)回彈模量試驗：本試驗采用承載板法對固化粉土混合料進行回彈模量的測定，參照相關規范標準[9]，按最佳含水率配制不同方案下的混合料試件，采用重型擊實壓實方法使得混合料壓實度達到99%，標準養護28 d。試驗時，對混合料試樣進行5級加載，每次加載與卸載后均靜置1 min，讀取千分表讀數，計算混合料的回彈模量值。

2　室內試驗結果分析

2.1擊實試驗結果分析

按照相關規范標準[9]，對不同配合比下的固化粉土混合料進行擊實試驗。根據試驗結果繪制試驗方案A1,B1,C2的固化粉土擊實曲線如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3可知，方案A1，B1，C1的最大干密度分別為1.624 g/cm3，1.632 g/cm3，1.653 g/cm3，最佳含水量分別為18.9%，17.7%，17.9%。同理，由擊實試驗結果繪制其他方案下固化粉土的擊實曲線，可得各方案下固化粉土的最大干密度、最佳含水量如表4所示。

表4　固化粉土的擊實試驗結果

2.2無側限抗壓強度試驗結果分析

不同方案下，固化粉土在各齡期下的水穩定系數如表5所示。由表5可知，石灰固化粉土的水穩定系數在90 d時最大但僅有0.76，因此，石灰固化粉土的水穩定性很差，無法適用于一些對路基固化強度要求較高的工程；水泥石灰固化砂土的水穩定系數在0.93～0.98之間，明顯大于石灰固化粉土，具有較好的穩定性；SEU-2固化粉土的水穩定性好，28 d齡期時，SEU-2摻量為4%時，其穩定系數達到了1.28。因此，SEU-2固化劑可用于粉土路基的處理。

不同齡期下，固化粉土的無側限抗壓強度試驗結果如表6，圖4所示。由圖4可知，不同方案下固化粉土的無側限抗壓強度隨著齡期的增加均有不同程度的增長。

表5　不同固化粉土的水穩定系數

表6　固化粉土標準養護下的無側限抗壓強度　MPa

對比各加固方案，摻入石灰的固化粉土，固化效果最差，石灰摻量為6%，8%，10%時，90 d抗壓強度僅為0.218 MPa，0.233 MPa，0.145 MPa，7 d齡期時，石灰摻量為8%的固化粉土強度僅比石灰摻量6%的固化粉土增加了2.46 kPa，90 d齡期時也僅增加了14.72 kPa，當石灰的摻量大于8%后，固化粉土的無側限抗壓強度反而降低。

對于摻入水泥石灰的固化粉土，其無側限抗壓強度要大于相同摻量下的石灰固化粉土，且隨著固化劑摻入總量的增加，各齡期的強度有較好的增長；相同齡期下，隨著水泥石灰摻入總量的增加，固化粉土的強度逐漸增加。7 d～28 d齡期時，方案B1與方案B2的固化粉土強度相近，方案B3下的強度明顯要大于前面兩個方案。這是因為隨著水泥摻入量的增加，水泥的水化反應增強，致使固化粉土的早期強度增加；90 d后，對于方案B2，隨著石灰摻量增加到4%，固化粉土的強度提高了30.76%，方案B3與方案B2相比，水泥摻入量增加了2%，但固化粉土的強度僅提高了11.19%。因此，僅加大水泥的摻入量并不能有效的提高固化粉土的后期強度。

摻入SEU-2型固化劑后的固化粉土加固效果最好，隨著SEU-2型固化劑的摻入量的增加，固化粉土的無側限抗壓強度迅速增加，28 d與90 d時，強度隨SEU-2固化劑摻量的增加呈線性增長；當SEU-2固化劑的摻入量到達6%后，SEU-2固化粉土在各齡期的無側限抗壓強度均大于其他加固粉土。考慮到經濟效益，工程應用中，建議SEU-2的最佳摻入量取6%。

2.3回彈模量試驗結果分析

由不同方案下固化粉土的28 d齡期回彈模量試驗，可得到如表7所示試驗結果。由表7可知，SEU-2固化粉土的回彈模量值最高，在162.3 MPa～252.3 MPa之間，其強度完全滿足粉土公路路基的填筑的要求；石灰固化粉土的回彈模量值最高僅為85.8 MPa，水泥+石灰固化的回彈模量值在110.2 MPa～127.4 MPa，其應用受到限制。因此，SEU-2固化粉土的變形性能好，其回彈模量與無側限抗壓強度有一定的正相關關系。

表7　固化粉土的28 d回彈模量值

3　SEU-2固化粉土路基的工程應用實例

3.1工程概況

本文依托某跨越黃河區域的新建一級公路項目展開研究，該公路K213+220～K214+220為試驗路段，該路段顆粒組成較為單一，土質多為黃河地區典型粉土。作為試驗路段，采用SEU-2穩定粉土路基，其摻入量取6%，施工過程中，以室內測得的最佳含水量17.9%配制固化粉土混合料，并采用大型機械設備將混合料拌合均勻，壓實并鋪筑，路基施工完成后對其進行標準養護。

3.2壓實度檢測

路基壓實后，按照相應的規范及標準[10],采用灌砂法對K213+220～K214+220段路基進行壓實度檢測。由檢測結果可知，該路段的路基壓實平均值為98%，部分樁號壓實度超過了102%，且各樁號的壓實度均大于96%。因此，該試驗路段的路基壓實度滿足施工要求。

3.3鉆芯取樣分析

路基施工完成后，對其進行90 d的標準養護。90 d齡期過后，對K213+220～K214+220段進行鉆芯取樣分析，測定其無側限抗壓強度。取樣時，每間隔100 m取3個試樣，共取30個試樣，分別測定各試樣的無側限抗壓強度。檢測結果表明，該SEU-2固化粉土路基試驗路段的90 d無側限抗壓強度平均值為0.653 MPa，部分試樣最大值達到了0.685 MPa，且各試樣的無側限抗壓強度值均大于室內試驗所測值0.612 MPa。因此，該試驗路段的SEU-2固化粉土路基具有較好的抗壓強度，滿足相關標準。

3.4沉降觀測

待路基養護90 d后，選取具有代表性的橫斷面對試驗路段進行彎沉檢測，參照相應的規范及標準[11],對選取的橫斷面埋設沉降板，觀測并紀錄各橫斷面的路基沉降量，可得如表8所示檢測結果。由表8可知，SEU-2固化粉土路基的沉降量均滿足相關沉降量控制標準。因此，SEU-2固化劑的摻入能夠有效的控制粉土路基的沉降，增加路基的強度。

表8　K213+220～K214+220段路基沉降量觀測表

4　結語

1)石灰加固粉土的水穩定性差，無法適用于固化強度要求高的工程；SEU-2固化粉土的水穩定性好，可用于粉土路基的處理。2)7 d齡期時，石灰摻量為8%的固化粉土強度僅比石灰摻量6%的固化粉土增加2.46 kPa，90 d齡期時也僅增加了14.72 kPa，當石灰摻量大于8%后，固化粉土的無側限抗壓強度反而降低。3)對于摻入水泥+石灰的固化粉土，其無側限抗壓強度大于相同摻量的石灰固化粉土；相同齡期下，隨著水泥石灰摻入總量增加，固化粉土強度逐漸增加。4)摻入SEU-2的固化粉土加固效果最好，隨著SEU-2固化劑的摻入量增加，固化粉土的無側限抗壓強度增加；工程應用中，建議SEU-2的最佳摻入量取6%。5)實例表明：SEU-2固化劑的摻入能控制粉土路基的沉降，增加路基的抗壓強度。

[1]唐郢.含砂低液限粉土在太長高速公路路基中的應用[J].山西交通科技，2004(12):32-34.

[2]唐濤，屈國慶.HAS固化劑在軟基處理中的應用[J].交通科技，2013(3):315-318.

[3]Medina J,Guida H N.Stabilization of lateritic soils with phosphoric acid[J].Geotechnical and Geological Engineering,1995,13(4):199-216.

[4]Tomohisa S,Sawa K,Naitoh N.Hedoro hardening treatment by industrial wastes[J].Journal of the Society of Materials Science Japan,1995,44(503):1023-1026.

[5]S.Kolias,V Kasselouri-Rigopoulou,A.Karahalios Stabilisation of clayey soils with high calcium fly ash and cement[J].Cement & Concrete Composites,2005(27):301-313.

[6]朱志鐸，劉松玉，邵光輝，等.穩定粉土的力學性質試驗研究[J].公路交通科技，2005，6(22)：34-37.

[7]王振軍，翁優靈，杜少文.礦渣粉加固粉土的理論分析及路用性能研究[J].工程地質學報，2006，14(5)：709-714.

[8]JTG E40—2007，公路土工試驗規程[S].

[9]JTG E51—2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].

[10]JTG F80/1—2004，公路工程質量檢驗評定標準[S].

[11]JTG/T F20—2015，公路路面基層施工技術細則[S].

Study on the application of silt subgrade stabilized by solidified agent

Zhao Jinfeng

(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

This paper analyzes the properties of the unconfined compression strength and resilience modulus of solidified silt by laboratory tests. Combining with projects, the paper the consolidation effect of the silt basement with SEU-2 curing agent. The engineering example shows that: the mixing of SEU-2 solidified agent can effectively control the settlement of silt subgrade and increase the compressive strength of subgrade.

solidified, silt subgrade, compressive strength, resilient modulus

1009-6825(2016)25-0154-03

2016-07-01

趙晉鋒(1978- )，男，工程師

U416.1

A