抗疏力劑固化礫類土無機結合料應用研究

賀月民，申鐵軍

(山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

在公路路面基層、底基層結構中，無機結合料穩定材料通常有碎石、級配砂礫、細粒土等。很多項目的土石方挖方為礫類土，巖性以中、強風化頁巖、砂巖為主，有少量灰巖，由于壓碎值不合格，不能做為加工碎石的原材料，如作為棄方，不加以利用會給當地環保及水保造成很大破壞，相反，如對現有的路面設計(底)基層結構進行優化，采用復合穩定技術將施工中產生的大量片狀頁巖、砂巖破碎后摻配抗疏力劑和水泥進行復合穩定，將解決碎石短缺、筑路材料匱乏的問題，也將大幅減少棄方數量，減少土地占用和資源破壞。

1 抗疏力劑固化機理分析

1.1 抗疏力劑

抗疏力劑是由多種水溶性單分子無機材料和表面活性劑組成、能夠與土顆粒發生化學交聯作用的復合物溶液。能夠快速而顯著地改善和提高土的技術性能，能夠減小顆粒間的孔隙，達到較好的壓實效果。

1.2 抗疏力劑作用機理

(1)聚合物預聚體(WS)為一種介于有機與無機物之間帶有羧基的化學物質，它能與粘土顆粒發生化學交聯，經壓實后能夠提高路面基層的無側限抗壓強度及抗彎拉強度。

(2)磺酸鹽和多種表面活性劑能夠優先且強烈地吸附于粘土礦物表面，形成不可逆轉的親油表面膜，驅趕粘土表面的吸附水，使粘土顆粒變得易于壓實，密實度的提高，也起到阻斷土體毛細管的作用，同時這些表面活性劑的加入改善了土壤顆粒表面的疏水性，提高了路面基層的水穩定性，從而保證路面基層有較高的抗壓強度。

(3)抗疏力劑中的酸基化合物與土壤中堿性物質反應，生成多種金屬氧化物的復分子結晶物，可以進一步堵塞毛細管孔道，截斷毛細管，進一步改善路面基層的力學性能和水穩定性。

(4)抗疏力劑中加入了一定的單價金屬化合物，這些單價金屬與其他多價金屬形成復合氧化物，改善了路面基層的耐久性，從而延長了公路的使用壽命。

2 礫類土應用抗疏力劑的優勢

2.1 礫類土

礫類土屬粗粒土，礫類土定性是以其顆粒組成、細粒含量及類別、粗粒含量及級配為主要依據。按顆粒大小、顆粒特征劃分粒組，然后按不同粒組的百分比含量作為劃分礫類土土類的主要指標；有時尚需視含細粒土的類別及含量來進一步劃分，礫石土、砂卵石、殘坡積碎石土和風化巖石碴等均統稱為礫類土。

2.2 礫類土應用抗疏力劑的優勢

在礫類土中不加抗疏力劑，只加水泥這種無機結構料，由于水泥是固態的顆粒，相對液態抗疏力劑流動性差，它只能吸附在比表面積較小的礫類土的表面。因礫類土中含有一定量的風化頁巖及粘粒土，當外力作用時(壓路機碾壓時)，頁巖遇水硬度低、易碎、風化。破碎頁巖表面吸附水泥，內部沒有水泥吸附，沒有膠結材料連接，影響礫類土穩定性。由于水泥只能吸附在土顆粒的表面，不能進入到壓碎的土顆粒頁巖內部，壓碎的頁巖是一種軟顆粒，它在混合料中占有一定體積空間，但還沒有強度，不易形成穩定結構。而加入抗疏力劑后通過液體這種流動性好的載體能夠帶到壓碎頁巖的內部，與粘粒土充分結合，通過范德華力把土顆粒緊密連接在一起，形成網狀穩定結構，從而增強了混合料的穩定性。

3 基層、底基層應用試驗

3.1 試驗內容

原材料檢驗、水泥復合穩定土基層及底基層配合比設計、7 d無側限抗壓強度、水泥劑量滴定、含水率檢驗、壓實系數檢驗、鉆芯取樣。

3.2 關鍵技術

抗疏力劑溶液與土顆粒發生化學交聯作用，按一定比例與水泥、土等原材料均勻摻配形成的混合料，利用抗疏力劑促進復合土的穩定和強度形成，從而提高和改善穩定土的路用技術性能。

3.3 技術指標

基層：水泥符合設計參考劑量6%，7 d齡期無側限抗壓強度符合設計要求≥3.0 MPa標準；底基層：水泥符合設計參考劑量5%，7 d齡期無側限抗壓強度符合設計要求≥2.0 MPa標準。

3.4 試驗方案

以7 d無側限抗壓強度為指標，通過對不同的摻配比例的配合比進行比對，選擇以下配合比進行試驗段鋪筑。

(1)試驗項目：山西省忻州市偏關縣沿黃旅游公路

方案一

①基層：水泥復合穩定碎石土(7 d齡期鉆芯)

②配合比。

m水泥∶m碎石∶m細粒土∶m抗疏力劑=8∶30∶70∶0.015

③基層：水泥復合穩定土(細粒土+碎石)，7 d無側限抗壓強度3.4 MPa。2019年6月14日試驗段鋪筑，2019年6月21日鉆芯取樣，筒壁光滑，芯樣完整。

④缺點：實際施工配合比碎石：細粒土30∶70比例無法精確控制。

方案二

①底基層：水泥復合穩定細粒土(7 d齡期鉆芯)

②配合比：m水泥：m細粒土：m抗疏力劑=7∶100∶0.015

③底基層：水泥復合穩定土(細粒土)，7 d無側限抗壓強度2.2 MPa，2019年6月14日試驗段鋪筑，2019年6月21日鉆芯取樣，筒壁光滑，芯樣完整。

④缺點：實際施工集中廠拌，細粒土粘性大，無法均勻拌和。

方案三

①基層：水泥復合穩定礫類土(3 d齡期鉆芯)。

②配合比：m水泥：m礫類土：m抗疏力劑=6∶100∶0.015。

③基層：水泥復合穩定土(礫類土)，7 d無側限抗壓強度4.2 MPa。2019年8月3日試驗段鋪筑，2019年8月6日鉆芯取樣，筒壁光滑，芯樣完整。

④優點：強度高于方案一0.8 MPa，成型板結快，可加快施工進度。拌和采用間歇式集中廠拌法，抗疏力劑用量控制方法同水泥混凝土外加劑用量控制相同，鋪筑碾壓施工工藝流程按常規路面底基層施工設備及工藝施工，不再贅述。

方案四

①底基層：水泥復合穩定礫類土(3 d齡期鉆芯)。

②配合比：m水泥∶m礫類土∶m抗疏力劑=5∶100∶0.015。

③底基層：水泥復合穩定土，7 d無側限抗壓強度3.3 MPa。2019年8月3日試驗段鋪筑，2019年8月6日鉆芯取樣，筒壁光滑，芯樣完整。

④優點：強度高于方案二1.1 MPa，成型板結快，可加快施工進度。拌和采用間歇式集中廠拌法，抗疏力劑用量控制方法同水泥混凝土外加劑用量控制相同，鋪筑碾壓施工工藝流程按常規路面底基層施工設備及工藝施工。

3.5 分析總結

(1)不摻配抗疏力劑芯樣表面在碾壓過程中破碎的頁巖顆粒容易產生脫落現象，肉眼可看到表面有一些蜂窩狀孔洞，這種蜂窩狀孔洞的出現，如果在長期荷載作用下(長時間重車通過)易變形，進而破壞內部結構，從而使基層或底基層被壓壞的可能性增大，所以加抗疏力劑的本質就在于改善了礫類土中頁巖與碎石、粘土顆粒的咬合度，形成致密的穩定性結構。

(2)通過2019年6月14日、2019年8月3日兩次試驗段鋪筑，可發行方案一、二7 d無側限抗壓強度富裕系數小，且實際施工難度大，不利于推廣，方案三、四7 d無側限抗壓強度富裕系數大，其他各項指標均滿足設計及規范要求，拌和、運輸、攤鋪、碾壓、養生等工序符合現行施工工藝要求，具備現場推廣應用條件。

施工工藝見圖1。

圖1 復合穩定礫類土施工工藝流程圖

4 經濟、社會效益及推廣應用的前景

4.1 應用實例及經濟效益

山西省三大板塊忻州市偏關縣境旅游公路內，總里程133.609 km，總投資15.98億元，全線采用三級公路標準，路面寬7.5 m，設計路面結構層為18 cm水泥穩定碎石底基層+18 cm水泥穩定碎石基層，本項目原設計路面底基層及基層的碎石用量大約60萬m3。2019年通過試驗表明：應用復合穩定土技術底基層混合料方案比設計圖方案節省26.0元，節約率12.8%，基層混合料方案比設計圖方案節省22.6元，節約率10.9%。全線水穩底基層混合料總用量為174 669.5 m3，基層混合料總用量為230 776.6 m3，均按復合土方案保守估算可節約成本底基層174 669.5 m3×26元=454.14萬元，基層230 776.6 m3×22.6元=521.56萬元，合計可節約成本975.7萬元，其經濟效益顯著，見表1。

表1 每立方米基層、底基層混合料造價對比分析表

原材料說明：32.5級水泥295元/t，碎石115元/m3折合74.2元/t，粗粒土60元/m3折合38.7元/t，固化劑150 000元/t。

4.2 社會效益

傳統的砂石材料開采占用大量土地，加速水土流失，破壞生態環境。本項目棄方經過再加工后用于路面施工，有效的使廢棄資源再利用，既減少了棄方對土地資源的占用，同時減少碎石開采數量，保護生態環境、節約原生資源，社會效益顯著。

4.3 推廣應用前景

從技術和產業發展趨勢看，抗疏力劑作為新型筑路材料已經引起國內外的廣泛關注，研制、生產、推廣應用的步伐持續加快，為道路工程建設提供了新的思路。復合穩定無機結合料技術在本項目工程中廣泛應用，不但符合國家產業政策，同時施工企業經濟效益顯著，更主要的是對抗疏力劑這一戰略性新興產業的應用，可以延伸至石灰穩定土、水泥石灰綜合穩定土底基層、基層，見表2，由此可見，推廣應用前景非常廣闊。

表2 復合穩定土基層、底基層混合料配制比例范圍

5 結束語

由于公路使用周期長，并且處在大自然環境中，因此僅靠對試驗路短期的觀察還不夠，需要通過研究其內部主要礦物含量的變化、晶體形貌的變化和微觀結構的變化來分析其穩定性和耐久性。通過大量的室內、外試驗數據證明，耐久性是抗疏力劑固化無機結合料的關鍵。