抗疏力固化土干縮性能試驗研究

劉 俊 ，陳思旻 ，凌天清，陳 平 ，方靈毅

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市300457；2.天津市公路處，天津市 300170；3重慶交通大學，重慶市 400074；4.重慶市設計院，重慶市 400074）

0 引言

固化(穩定)土的一個明顯缺點是抗拉強度低、抗變形能力差。收縮因可能引起開裂而成為土壤固化中一個普遍關心的問題。固化土體產生的收縮，在養生期內主要是固化過程中化學反應引起的自身收縮，在后期主要來自干燥收縮(簡稱干縮)和溫度收縮(簡稱溫縮)。

干縮之所以作為收縮問題中的一個重要內容來研究，是由于它具有如下特點：

（1）干縮幾乎不可避免。固化土結構物一旦養生結束暴露在大氣中，都面臨著水分散失而發生收縮的可能。

（2）干縮在總收縮中所占比例較大。干縮通常要比溫縮嚴重得多，例如半剛性材料的干縮系數是其溫縮系數的十多倍，干縮往往是引起開裂最常見的原因。

（3）干縮在道路工程中引起的開裂危害嚴重。道路工程中大部分的橫向裂縫是由半剛性基層的收縮引起，例如水泥固化土干縮會產生間距3～10 m的橫向裂縫，裂縫寬度0.5～3 mm，路面開裂將大大縮短道路的使用壽命。

（4）干縮的可控制性強。相對于溫縮受到自然環境溫度變化的影響而難以控制而言，干縮則可以通過養生、覆蓋等措施加以改善。

因此，控制干縮是控制收縮的主要著眼點，本文則主要針對抗疏力固化土的干縮性能展開試驗研究。

1 原材料

抗疏力固化劑（The Consolid System）是專為土壤穩固作用而開發的新型固化材料。抗疏力系統包括水劑 CONSOLID444（C444）和粉劑 SOLIDRY（SD）：

（1）C444屬于電離子溶液（ISS）類固化劑，是一種有機化學物質,略顯酸性（pH=6），具有氨味，高溫下易燃。C444能破壞土壤細小顆粒附著的水膜，導致細小的顆粒發生不可逆轉的凝聚，從而大大減少水的毛細上升現象，使土壤不再被水浸漬。因此，C444處理后的土壤能更好地被壓實，在施工期間以及后期通行使用期間增加所要求的密度。

（2）SD屬于高聚物類固化劑,是一種有機的粉末狀化學物質，其成分具有脫水收縮及長久保持作用。SD覆蓋在載體上，能進一步增加對處理后土壤的保護，抵抗水的軟化作用，維持經處理后土壤的穩定，并增加土壤特殊的粘合特性。SD通過關閉毛細管阻止處理后的土壤被水浸入，從而消除土壤的膨脹現象。

經配合比試驗研究，選取抗疏力固化劑C444和SD的最佳摻量（水劑C444—0.8 L/m3、粉劑SD—20 kg/m3）。

以重慶地區的粘性土為處理對象，重慶地區土質特點：多為粘性土，且為地表風化層，粘性大。試驗中所用土均取自重慶市巴南區某施工工地的粉質粘土（從地表面至25 cm的深度取土），經工程分類，為含砂低液限粘土。土樣的顆粒級配如表1所示，土樣的基本性質如表2所示。

2 干縮試驗方法

試驗采用壓力機制件。將試模的下壓塊放入試模的下部，外露2 cm左右，然后將墊板兩面刷油后放在下壓塊的上面。將已經稱量好的混合料試樣一次倒入試模中，最后將上壓塊放入試模內，應使其也外露2 cm左右。將整個試模（連同上下壓塊）放到壓力機上，加壓直到上下壓塊都壓入試模為止。解除壓力后，取下試模，拆卸模具脫模。

表1 土樣的顆粒級配

表2 土樣的基本性質

試驗試件脫模后無需放在養護室恒溫恒濕養護，直接放在干燥、安靜的干縮室架表測量（如圖1、圖2所示）。具體方法如下：

圖1 測失水量的試件

圖2 測干縮量的試件

（1）將試件安放在收縮儀上。在收縮儀上墊上涂有潤滑劑的玻璃棒，以減少試件收縮時下承面的摩擦（不考慮收縮儀玻璃板本身的溫縮）。

（2）將收縮儀連同試件一起放入干縮室。將千分表頂到試件上使表走動到較大的數值，待所有試件統一架好后歸零。

（3）從移入干縮室的時間算起計算，在開始試驗的一個星期內，每天讀1次數，記下每個試件的每個表的讀數，并稱量標準試件的質量；在7 d以后每兩天讀1次數。

（4）在干縮觀測結束后，將標準試件放到烘箱內烘干至恒重。

干縮性能主要以干縮應變εd和平均干縮系數αd兩個指標來衡量，其計算分別按式（1）和（2）進行：

式中：εd——干縮應變，指由水分損失引起的試件單位長度的收縮量，×10-6；

αd——平均干縮系數，指某失水量下，試件的

干縮應變與失水率之比，×10-6；

ΔL——干縮量，即含水量損失Δω時，小梁試

件的整體收縮量，mm；

L——試件的整體長度（mm），已知L=200mm；

Δω——失水率，即試件損失水分重量與試件

所用材料干重之比，%。

抗疏力試件干重約為1548 g，石灰土（4%石灰）試件干重約為1530 g。

3 試驗結果與分析

由表3和圖3～圖5分析可以得出:

（1）在相同的收縮環境條件下，隨著暴露時間的增長，抗疏力固化土的失水量均低于石灰穩定土的失水率。同時，抗疏力固化土的失水率隨時間增長的幅度明顯低于石灰穩定土，石灰穩定土失水率的增長趨勢較為明顯，且在較長的時間內失水率保持增長。直至失水率趨于穩定達到最大值時，抗疏力固化土的失水率明顯低于石灰穩定土。

（2）兩種固化土的干縮應變隨時間發展的變化規律相同，干縮應變均隨著時間的發展而變大，在1～3 d齡期時收縮速率較快，其后，隨著時間的增長，水分的蒸發，收縮速率逐漸減小，直到最大失水率時，干縮應變趨于穩定。當試件暴露在空氣中大約15 d時干縮變形基本趨于完成。

（3）在相同的收縮環境條件下，隨著暴露時間的增長，抗疏力固化土的收縮應變均小于石灰穩定土，說明抗疏力固化土的干縮性能優于石灰穩定土。但抗疏力固化土和傳統的石灰穩定土在干縮過程中的收縮應變都比較大，尤其在初期，因此，兩種配比混合料在干縮情況下都容易開裂。為避免其產生收縮裂縫，在基層成型后必須加強初期灑水養護，避免在高溫下曝曬干縮，同時，在混合料中摻入一定比例的集料，以減小由于粘結料失水和水化引起的干縮。

表3 干縮試驗結果

圖3 失水率變化對比圖

圖4 干縮應變變化對比圖

圖5 干縮系數變化對比圖

（4）在相同的收縮環境條件下，隨著暴露時間的增長，抗疏力固化土的平均收縮系數均大于石灰穩定土。平均干縮系數是指某失水量下，試件的干縮應變與失水率之比，由于石灰穩定土的失水率遠遠大于抗疏力固化土，才最終導致抗疏力穩定土的平均收縮系數大于石灰穩定土。所以，單純用平均收縮系數作為評價抗疏力固化土干縮性能的指標有待商榷。

4 抗疏力固化土干縮性能影響因素

干燥收縮的基本原理是由于水分蒸發而發生的“毛細管張力作用”、“吸附水分子間作用”、礦物晶體或膠凝體的“層間水作用”以及“碳化脫水作用”而引起的整體宏觀體積的變化。相關研究認為，抗疏力固化土的干縮性能主要取決于以下幾個因素：

（1）結合料的礦物成分和分散度。含有較多粘土礦物和分散度大、比表面大的材料有較大的干燥收縮性。

（2）養護時間。齡期增加，膠結物不斷滋生，致使孔隙率下降，強度與剛度增大，從而導致干燥收縮系數減小。

（3）集料含量。集料含量增多，可減少整體材料的孔隙率、比表面和含水率，從而可較大幅度地降低干燥收縮性。

5 結語

抗疏力土壤固化劑作為一種新型筑路材料,可以針對不同的土質，應用于公路、街道、機場、鐵道等工程中，有著明顯的經濟效益和環境效益。隨著環境保護對石料、河砂、山砂等自然資源開采的嚴格限制，抗疏力固化劑的應用研究，以人工合成材料替代傳統筑路材料，將分布廣泛的土作為主要的路面基層材料，實現公路建設就地取材，提高工程質量，降低工程造價，節省資源和能源，保護生態環境，使公路建設不受資源、生態、環保的影響，已成為公路可持續發展的當務之急。抗疏力固化土的干縮性能研究作為抗疏力固化劑應用研究的重要內容，對公路建設的可持續發展戰略具有重大意義。

[1]劉俊.抗疏力土壤固化劑的應用研究[D].重慶:重慶交通大學,2010.

[2]劉俊，吳志華，凌天清.抗疏力土壤固化劑針對重慶地區道路路面基層的應用研究[J].城市道橋與防洪,2011(2):83-87.

[3]于新，黃曉明.低劑量水泥穩定碎石基層干縮溫縮性能研究[J].公路交通科技,2007,24(7):53-55.

[4]孫兆輝，許志鴻，陳興偉,等.水泥穩定碎石基層材料干縮變形特性的試驗研究[J].公路交通科技,2006,23(4):28-32.

[5]侯彥明，李國芬，李志剛,等.水泥乳化瀝青穩定碎石混合料干縮性能試驗研究[J].公路,2010(10):108-110.

[6]JTG E40-2007,公路土工試驗規程[S].