土凝巖固化劑改性土的溫縮機能實驗分析

摘要：文章基于實用工程案例，借助實驗室應變片法實驗分析的方式，對土凝巖固化劑改性土的溫縮機能開展專題實驗分析，以期為同類路基工程應用提供技術參考。

關鍵詞：路基工程;基土改性;固化劑;溫縮機能;室內實驗;分析探究

中圖分類號：U416. 211 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 019

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0065 - 04

0 引言

公路過線軟弱粉質黏土地質區域，出于基土強化治理的需要，經常應用固化劑對軟弱土開展強化改性治理。土凝巖固化劑是當前頗受行業青睞的一種由工業廢棄物加工制成的粉末狀無機材料，某公路工程在過線軟弱粉質黏土地質區域時，其基土強化治理就選擇應用了土凝巖固化劑基土強化改性技術。本研究借助實驗室應變片法實驗分析的方式，對土凝巖固化劑改性土的溫縮機能開展專題實驗分析探究，為同類路基工程應用提供研究和技術參考，助力實現穩定可靠的軟弱基土改性治理工程。

1 實驗材料與方法

土樣取自地表以下1 m深度左右，本研究選用的是適合于粉質黏土的土凝巖型固化劑，無機粉末狀，由工業廢棄物加工制成。其相關性能指標可詳見表1～2。

試樣梁式規格為200 mm×50 mm×50 mm，在7d齡期，置于105℃的烘箱中進行長達10～12 h的烘干處理。基于案例區域年均地表溫度最高可達到40℃以上、最低會降到-20℃左右，因此本實驗把高低溫交變實驗箱溫度控制設定在- 20℃～40℃。本研究基于應變片法，分別選擇土凝巖含量（2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.%）當作變量，借助最可靠且最便捷的高低溫交變試驗箱與靜態應變儀，對土凝巖固化劑改性土實施溫度聚縮性實驗。

選用應變片法進行試驗：溫縮實驗選用的試樣為與干縮試樣一致的梁式試樣，所待測試樣全部采用統一標準的補償件，將應變片粘貼到待測試樣上，再將長度等同的屏蔽線與應變片相連接，將組接好的測試試樣與補償件均置于已提前設置好的高低溫交變實驗箱中，試樣放置均選用橫臥式（見圖1），試樣底部墊置能夠自行移動的光滑玻璃棒。按照既定順序將這些應變片相對應的引線以1/4橋法（試驗室中周邊環境較適中，通常選取1/4橋法）與靜態應變儀進行相連（具體可詳見圖2）。接下來對應變儀通道的平衡性進行逐一測量，測量30 min后，將各測點的讀數進行歸零重設，接通電源并運行高低溫交變實驗箱，以10℃的溫度差為基準進行調整，通過計算機對讀數進行實時管控，以確保與實驗溫控程序相協調。

溫縮常數：

2 實驗循環溫度演變關系

溫度聚縮是改性土中的氣相、液相及固相在降溫升過程中的互相作用使改性土出現的體積聚縮，所以溫度是溫度聚縮的重點要素。為更充分準確地探討改性土的溫縮應變，本研究對改性土內部溫度選用環境智能測量數據收集儀實施實時測量，所得數據成果如圖3所示。

圖3（a）是設定溫度及溫度變化示意圖，此圖揭示實驗開始直至一個循環結束所需的時間與溫度，起始循環45.5 h之后的各循環時間要求為42 h。圖3（b）揭示的是數個循環實驗下，內部溫度與時間的變化情況。測試結果顯示，相較于外界溫度，內部溫度演變延遲大約0.5 h。由于在40℃及- 20℃擁有共同接連，因此數個循環下時間會降低3.5 h，并且在實驗中實施數個溫度循環。

3 土凝巖改性土溫縮規律分析

3.1 土凝巖改性土溫縮應變分析

本實驗基于第2至第6個溫度循環的條件，對比同條件混凝土改性土的溫縮應變，對土凝巖穩態粉質黏土的溫縮應變特性實施分析：

圖4曲線揭示，6個溫度循環下，土凝巖改性土溫縮應變與混凝土改性土的溫縮應變存在較大差異，下面經過圖5對兩者溫縮應變差異進行詳細分析。

由圖5（a）可進一步發現，基于第2與第3個溫度循環下，在土凝巖新型固化劑含量為2%、4%的低溫區域，土凝巖的溫縮應變不是很大，但在高溫區域卻很大，這個現象與混凝土改性土的溫縮應變正好相反。土凝巖新型固化劑含量6%則與混凝土含量6%的改性土整體類似，但從溫縮應變數值上看，混凝土較大一些。當含量達到8%時則發生低溫聚縮，而在高溫時出現膨脹，其中膨脹值較聚縮值略大。隨含量繼續增加到10%時則一直處于膨脹狀態。由此可見，這與混凝土改性土類似，呈正相反的“螺旋式”演變。

在對圖5進行全面對比與細致分析后，可進一步了解到，在溫縮應變方面，兩者存在很大差異，即所謂的正相反態勢。導致此結果形成的根本原因是當溫度多次循環后，土凝巖固化劑與粉質黏土出現化學反應時與含量2%、4%的溫縮應變態勢相似，含量8%的溫縮應變在低溫與冰點環境下仍表現出顯著的聚縮特征，在20℃左右發生膨脹演變，達到含量10%時則是整體膨脹狀態。據此可見，土凝巖含量過大，溫度的變化通常會對土凝巖新型改性土的溫縮應變有相對較大的影響。

綜上所述，土凝巖改性土的溫縮應變較混凝土改性土的溫縮應變低，其中，含量2%、4%、6%與對應含量的混凝土改性土溫縮演變正相反，可與混凝土在不同周邊環境中做選取選用。如在溫度梯度變化較小的區域可選取含土凝巖含量6%的改性土較優;溫度梯度差別相對較大溫度但最高溫度不超過40℃的區域，因為高溫時土凝巖礦物發生膨脹，可降低溫縮演變，所以可選取土凝巖含量8%當作改良粉質黏土的固化劑，能有效減緩路基土體的聚縮裂隙問題，有利于增強路基整體的穩定性。

3.2 土凝巖改性土的溫縮常數分析

溫度聚縮是致使改性土開裂的原因之一，但一般條件下改性土在正常溫度范圍內不致出現溫縮裂隙。而在溫差相對較大的區域，尤其是在季節性凍土區域，外露的改性土基層容易出現相對較大的溫度聚縮而致使開裂。溫縮常數是衡量溫縮機能的重點指標，但達到一定溫度循環后溫縮常數趨向于平穩。因此本研究選擇在第4至第6個溫度循環下采用專業方法及相關手段對土凝巖新型固化劑改性土的溫縮常數進行以下探討分析：

圖6（a）是第4個溫度循環下土凝巖新型改性土溫縮常數演變曲線，含量2%、4%與6%的溫縮常數較平穩，在低溫區域溫縮常數相對較大，與混凝土改性土類似并在高溫區域溫縮常數均達到極值。由數據可看到含量6%的土凝巖改性土溫縮常數相對較小，并且較優。含量8%的土凝巖改性土溫縮常數處在負值區，對特定溫度梯度相對較大并且高溫相對較大區域可選用，能從根本上確保路基土長期處于平衡穩定狀態。

圖6（b）直觀反映了在第5與第6個溫度循環下的土凝巖新型改性土溫縮常數演變情況，隨溫度循環數的增加，溫縮常數接近穩定狀態。在溫度升高階段的低溫區域溫縮常數相對較大，而在溫度降低的低溫區域溫縮常數不是很大，但超過30℃時達到溫縮常數極值。

土凝巖改性土是一種典型的新型礦物，是由土凝巖礦物和粉質黏土經一系列反應而生成的，因此土凝巖改性土的溫度聚縮是土凝巖與新生礦物聚縮的綜合作用。其基礎材料粉質黏土擁有相對較大脹縮性，但土凝巖卻不大，由此也就能使新生礦物的溫度脹縮性大大降低。總而言之，土凝巖改性土的熱脹性是在各構成單元共同作用下所形成的一種綜合效應。

4 結語

本研究借助實驗室應變片法實驗分析的方式，對土凝巖固化劑改性土的溫縮機能開展專題實驗分析探究。主要收獲及結論如下：

（1）含量8%的土凝巖新型改性土在低溫出現聚縮，相對較大溫度下出現膨脹，但達到30℃時溫縮常數達成極值。隨著溫度的進一步攀升，溫縮常數反倒降低。含量為2%、4%與6%的土凝巖改性土的溫縮常數相對平穩，在低溫區域的溫縮常數相對較大。土凝巖含量為8%時的改性土溫縮常數演變幅度相對較為明顯，在溫度循環頻次不斷增加的情況下，溫縮常數也逐漸趨向于穩定狀態。

（2）含量6%與8%的土凝巖新型改性土擁有相對較大的性價比。在溫度梯度相對平穩的區域，建議選取土凝巖含量為6%的改性土較優。溫度梯度差別相對較大而最高溫度不超過40℃的區域，因為高溫土凝巖礦物發生膨脹，可降低溫縮演變，因此可選取土凝巖8%作為改性土基層與底基層改性土的含量。

（3）改性土存在著顯著的溫度效應，不同溫度會令改性土內部孔隙構造出現不同程度的演變，最終致使溫縮裂縫出現。這種固化劑在改善本區粉質黏土性質方面發揮了不可忽視的重大作用，其不僅能使溫縮應變處于要求范圍之內，還能減小溫縮常數。從整體來看，這種新型固化劑既符合國家大力倡導的節能減排要求，也實現了廢料資源的高效配置與使用，改善了路基土體性能，對于道路交通建設工程而言可謂是意義重大。

參考文獻

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作者簡介：秦尤剛（1979-），工程師，從事公路橋梁施工養護管理工作。