低液限粉土路基復摻改良試驗研究

張明敏

(懷化市公路路政管理支隊， 湖南 懷化 418000)

低液限粉土直接應用于路面底基層容易產生彎沉問題，對粉土進行改性是當前處理低液限粉土地基的主要手段之一。但由于低液限粉土具有孔隙率高、級配不良、抗剪強度低、壓縮性大等特性，單摻水泥或雙摻水泥+粉煤灰等均不能達到預期改良效果。因此，對低液限粉土進行復摻改性試驗成為工程界的熱門課題。張笑峰等采用正交試驗法，對不同粉煤灰、石灰、纖維摻量及纖維長度下改良粉土進行對比試驗，根據試驗結果建立了最佳配比的經驗公式。姜沖等以水玻璃模數為變量，分析2.6～2.9和3.1～3.4兩種模數下粉土改良效果，發現3.1～3.4模數下改良土早期強度更大，而2.6～2.9模數下土強度的改良效果更佳。封喜波分析不同摻入比下石灰、水泥對粉土強度的改良效果，認為改良低液限粉土時石灰最佳摻量為6%、水泥為4%。李志濤等開展純石灰和石灰水泥混合物改良低液限粉土試驗研究，通過對比得出純石灰改良效果更佳，其最佳摻量為7%。該文采用摻膨潤土改良粉土密實度低、級配不良的特性，選擇水泥、水玻璃、氯化鈣、石灰及纖維復摻改良粉土低強度、壓縮性大的特性，對低液限粉土減小底基層彎沉值進行復摻改性對比試驗，為低液限路基底基層加固材料選取提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗粉土取自某高速公路路基，根據室內試驗結果(見表1)判斷其為級配不良、中等壓縮的低液限粉土。

表1 試驗粉土的物理力學參數

其他試驗材料：1) 膨潤土。其主要化學成分包括SiO2、Al2O3。2) 水泥。采用普通硅酸鹽水泥，標號為PO42.5。3) 水玻璃。其波美度為50，比重約為1.52 g/cm3,模數為2.6～2.9。4) 氯化鈣。采用無水氯化鈣顆粒，溶于水后形成溶液再摻入粉土。5) 石灰。采用生石灰，其主要成分為氧化鈣。6) 纖維。采用聚丙烯纖維，長度 9 mm。

1.2 試驗配比設計

試驗共分為3個部分：1) 密實度改良試驗。該試驗的外摻料為膨潤土，其具有良好的膨脹性、吸附性和黏結性，能增強粉土顆粒之間的黏結性能，提高粉土的整體密實度。膨潤土摻比分別為0、3%、6%、9%和12%。2) 強度和壓縮性改良試驗。該試驗采用水泥、水玻璃、氯化鈣、石灰及聚丙烯纖維復摻進行正交改良，試驗配比見表2。3) 通過上述2項試驗結果進行配比改良試驗，得到最佳配比。

表2 正交試驗配比

2 試驗結果分析

2.1 密實度改良結果

不同膨潤土摻量在最佳含水率下的擊實干密度和回彈模量見圖1。

圖1 密實度改良結果

從圖1可以看出：隨著膨潤土摻量的增加，改良粉土的回彈模量和干密度呈先增大后減小的變化趨勢，膨潤土摻量為9%時回彈模量和干密度達到最大值，分別為50.6 MPa和1.89 g/cm3；與未摻入膨潤土時相比，最大回彈模量從36.8 MPa增加至50.6 MPa，增幅36.96%，干密度從1.68 g/cm3增至1.89 g/cm3，增幅6.18%。摻入膨潤土后，粉土的密實度明顯提高，回彈模量也有較大幅度提升，對于減小底基層彎沉值具有重要作用。由于膨潤土顆粒較細，其高離子吸附性和黏結性能保證膨潤土進入粉土孔隙中并緊緊吸附于粉土顆粒表面，從而使粉土密實度提高，回彈模量增大。

2.2 強度及壓縮性改良結果

各試驗組的抗剪強度參數(300 kPa下壓實度97%)變化情況見圖2，無側限抗壓強度和回彈模量變化情況見圖3，壓縮系數變化情況見圖4。

圖2 抗剪強度試驗結果

圖3 抗壓強度和回彈模量試驗結果

圖4 壓縮系數試驗結果

從圖2可以看出：9組試驗中，試驗組2的黏聚力最大，達303. 8kPa，試驗組3的黏聚力最小，僅為167.5 kPa；試驗組9的內摩擦角最大，為40.5°，試驗組4的內摩擦角最小，為33.6°。綜合來講，試驗組2(水泥2%，水玻璃∶氯化鈣=3∶1，石灰3%，聚丙烯纖維0.3%)和試驗組5(水泥3%，水玻璃：氯化鈣=3∶1，石灰4%，聚丙烯纖維0.2%)的性能最佳，此時黏聚力和內摩擦角達到較高水平。

從圖3可看出：9組試驗中，抗壓強度和回彈模量呈同一變化特征，即隨著水玻璃：氯化鈣比值的變化而變化，水玻璃：氯化鈣的比值從2∶1增至3∶1時抗壓強度和回彈模量逐漸增加，水玻璃∶氯化鈣的比值從3∶1下降至3∶2時抗壓強度和回彈模量有所減小，表明改良粉土的強度和回彈模量主要取決于水玻璃∶氯化鈣的取值。在同一水玻璃∶氯化鈣比值下，水泥含量越高，強度和回彈模量越大，表明除水玻璃∶氯化鈣取值外，水泥也是影響改良粉土的重要因素。這是因為水泥、水玻璃和氯化鈣在改良過程中會發生反應生成一定的凝膠產物，能對粉土的孔隙進行有效填充，同時由于膠凝物的強膠結能力使改良粉土的強度和模量均大幅提升。采用試驗組8的配合比時，強度和回彈模量表現最佳。

從圖4可看出：與低液限粉土的壓縮系數相比，復摻各材料后各試驗組的壓縮系數均大幅下降，其中試驗組5、7的壓縮系數值最小，分別為0.054和0.055。這兩組試驗的石灰摻量均為4%，表明石灰對粉土壓縮性的影響最大，其次為水泥。這是因為石灰屬于氣硬性膠凝材料，具有保水性好等特點，通過反應生成的水硬物質強度高、水穩定性好，故壓縮系數更小。

2.3 配合比優化

根據上文分析，水泥、水玻璃-氯化鈣溶液、石灰及聚丙烯纖維對低液限粉土各項指標的改善均有一定貢獻，但貢獻情況各不相同，為確定其最佳改良配比，對試驗數據進行極差分析。分別用A、B、C、D表示水泥、水玻璃-氯化鈣溶液、石灰及聚丙烯纖維，用Ki表示各因素在相同水平下的和，ki表示各因素在相同水平下的平均值，Ri表示各因素的極差，其值越大，對指標的影響程度越大。極差分析結果見表3。從表3可看出：水玻璃-氯化鈣溶液B對改良粉土抗剪強度指標(黏聚力和內摩擦角)的影響最大，其次為石灰C、水泥A和聚丙烯纖維D；各因素對抗壓強度和回彈模量改良效果的影響程度依次為水泥A、水玻璃-氯化鈣溶液B、石灰C和聚丙烯纖維D；各因素對壓縮系數改良效果的影響程度依次為石灰C、水泥A、水玻璃-氯化鈣溶液B和聚丙烯纖維D。回彈模量和壓縮系數的最佳配比均為A3B2C3D2，黏聚力、內摩擦角、抗壓強度的最佳配比分別為A2B2C2D2、A3B3C1D1和A3B2C3D3。從單個因素來看，A3被選擇4次，B2被選擇5次，C3、D3分別被選擇3次。綜上，確定低液限粉土的最佳改良摻比為水泥4%+水玻璃∶氯化鈣=3∶1+石灰4%+聚丙烯纖維0.3%。

表3 極差分析結果

結合上文分析得到的膨潤土最佳摻量為9%，對A3B2C3D2+9%膨潤土和A3B2C3D2+不加膨潤土的改良粉土的物理力學性能進行對比，結果見表4。從表4可看出：與不摻膨潤土時相比，摻加9%膨潤土后，改良粉土的最大干密度、黏聚力、內摩擦角、抗壓強度、回彈模量均有所提升；與只摻加膨潤土時相比，干密度略有降低，但回彈模量大幅提升。綜上，確定低液限粉土的最佳復摻配比為水泥4%+水玻璃∶氯化鈣=3∶1+石灰4%+聚丙烯纖維0.3%+膨潤土9%。

表4 膨潤土摻入前后的物理力學參數對比

3 結論

(1) 膨潤土具有高強離子吸附性和黏結性，對低液限粉土的密實度具有良好的改良效果，其最佳摻量為9%。

(2) 低液限粉土的最佳改良摻配比列為水泥4%+水玻璃∶氯化鈣=3∶1+石灰4%+聚丙烯纖維0.3%。

(3) 摻入9%膨潤土后，粉土的抗彎沉性能更佳。低液限粉土的最佳復摻配比為水泥4%+水玻璃∶氯化鈣=3∶1+石灰4%+聚丙烯纖維0.3%+膨潤土9%。