聚合物乳液與水泥復(fù)合固化粉土的混料優(yōu)化

王天新，郝 雨，樊 亮

（1.齊魯高速公路股份有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2.單縣交通運(yùn)輸局，山東 菏澤 274300；3.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

粉土的工程不良性質(zhì)，帶來粉體在道路工程建設(shè)的應(yīng)用限制，科學(xué)改良粉土、利用粉土資源是工作者普遍關(guān)注的問題［1］。傳統(tǒng)上技術(shù)中常用石灰、水泥、粉煤灰等無機(jī)結(jié)合料進(jìn)行穩(wěn)定粉土。這些材料屬于鈣基類穩(wěn)定材料，主要利用鈣離子交換和火山灰反應(yīng)以及Ca（OH）2的結(jié)晶、碳化增強(qiáng)穩(wěn)定土效果。但是無機(jī)穩(wěn)定技術(shù)普遍存在干縮、溫縮大、水穩(wěn)定性差的問題，這與粉土組成有很大關(guān)系［2］。以黃河沖（淤）積粉土為例，其組成幾乎都由原生礦物粉粒組成，可塑性差，活性SiO2、Al2O3成分少，級(jí)配也差；石灰與土反應(yīng)生成的固化凝聚物量少，導(dǎo)致灰土初期和后期強(qiáng)度低，抗水抗凍性差；由于級(jí)配不良，水泥填充和膠結(jié)不能充分發(fā)揮；粉土中黏粒少，活性組分的溶解量少，水泥土系統(tǒng)中激發(fā)土壤生成水化硅酸鈣或鈣鋁硅酸鹽膠結(jié)物就少，因此對(duì)土的膠結(jié)作用差，強(qiáng)度提升不明顯［3］。

為此，很多研究者采用高分子固化進(jìn)行粉土的穩(wěn)定工作，如瀝青、乳化瀝青、稀釋瀝青等，也有采用合成聚合物材料對(duì)粉土進(jìn)行穩(wěn)定［4-5］。這些有機(jī)材料可以避免鈣基類固化材料引起的土壤膨脹，帶來更好水穩(wěn)定性，構(gòu)成了其重要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 粉土

粉土以山東單縣郭村鎮(zhèn)（北緯34.82，東經(jīng)116.07）的黃河淤積粉土為試驗(yàn)用土（簡(jiǎn)稱S），表1 為液塑限、粒徑組成指標(biāo)，為含砂低液限粉土。

表1 粉質(zhì)土指標(biāo)

1.1.2 固化材料

（1）高分聚合物乳液為丁二烯、苯乙烯經(jīng)過乳液聚合得到的一種乳白色水性溶液，電荷為陰離子，試驗(yàn)室將其稀釋至5%的固含量濃度，按照一定摻量摻加至粉土中，達(dá)到粉土的固化效果，簡(jiǎn)稱LA。（2）為保證粉土的后期強(qiáng)度，粉土固化中添加3%的水泥，簡(jiǎn)稱C，聯(lián)合使用。（3）采用礦渣硅酸鹽水泥，指標(biāo)見表2。

表2 水泥指標(biāo)

1.2 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

采用Design-Expert 軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和混料優(yōu)化［6］，其中LA含量5%～10%，C 含量1%～3%，S 含量89%～92%之間。設(shè)計(jì)試驗(yàn)為16 組，分別測(cè)量試件的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（2 個(gè)響應(yīng)參數(shù)），并計(jì)算試件的水穩(wěn)系數(shù)。表3 為試驗(yàn)安排和結(jié)果數(shù)據(jù)。

表3 試驗(yàn)安排與檢測(cè)結(jié)果

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009），試件成型采用靜壓成型方法（T0843），為φ50 mm×50 mm 圓柱形試件，成型壓力機(jī)量程不小于2 000 kN，成型速度為1 mm/min。采用人工拌和，為防止拌和不均勻，每個(gè)試件均單獨(dú)進(jìn)行拌和。成型試件脫模后，將試件放入密封袋內(nèi)密封，室溫養(yǎng)生7 d。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用10 kN 壓力機(jī)進(jìn)行壓力測(cè)試，速度為2 mm/min，取壓力峰值進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度計(jì)算，每組制作3 個(gè)試件，取平均值計(jì)算強(qiáng)度。其中，水穩(wěn)系數(shù)=飽水抗壓強(qiáng)度/室溫抗壓強(qiáng)度。

2 分析與討論

2.1 響應(yīng)參數(shù)模型

根據(jù)表3 試驗(yàn)結(jié)果，按照Design Expert 軟件推薦的相關(guān)系數(shù)最大的數(shù)學(xué)模型，對(duì)響應(yīng)參數(shù)強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)進(jìn)行擬合。

（1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合方程（Quadratic 模型）

（2）水穩(wěn)系數(shù)擬合方程（Cubic 模型）

式中：LA、C、S—聚合物膠乳溶液、水泥、干燥粉土的含量，%。

模型方差分析中，模型對(duì)據(jù)的擬合程度用相關(guān)系數(shù)R2表示，組成與響應(yīng)參數(shù)的顯著相關(guān)用p 值判斷。一般而言，R2越接近1，擬合準(zhǔn)確性越高；p＜0.05，則表明組成與響應(yīng)參數(shù)有顯著性，p 值越小，顯著性越高。

表4 為兩響應(yīng)模型的方差分析結(jié)果，兩個(gè)模型均能良好擬合，尤其是強(qiáng)度模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.94，p＜0.000 1，體現(xiàn)出極好的顯著性；而水穩(wěn)系數(shù)模型相關(guān)性較低，p 值小于0.05，也能體現(xiàn)出良好的顯著性。圖1 顯示出兩個(gè)模型中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)之間具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明這兩個(gè)模型公式在試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)是合適的，利用組成含量關(guān)系可以預(yù)測(cè)固化土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)。

表4 響應(yīng)模型方差分析

圖1 響應(yīng)模型中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 響應(yīng)參數(shù)影響因素

圖2 為固化土各組分對(duì)響應(yīng)參數(shù)造成的影響軌跡，其中軌跡曲線上升表明隨著該組分的增加對(duì)該響應(yīng)值增長(zhǎng)有利，曲線下降則表明隨著該組分的增加會(huì)降低其響應(yīng)值。

圖2 固化土組成對(duì)響應(yīng)參數(shù)的影響軌跡曲線

圖2（1）為無側(cè)限抗壓強(qiáng)的影響因素軌跡，表明了LA乳液、水泥C 和粉土S 的含量對(duì)強(qiáng)度影響不同。水泥對(duì)強(qiáng)度的影響最為顯著，軌跡曲線更為陡峭，呈正相關(guān)趨勢(shì)；而LA乳液的含量增高，并不能帶來強(qiáng)度顯著的上升，在一定添加比例后，固化土的強(qiáng)度衰減會(huì)變慢。粉土組成含量提高，固化劑減少，會(huì)帶來更大的強(qiáng)度弱化。從而說明，在強(qiáng)度貢獻(xiàn)方面，水泥起到了至關(guān)重要的作用。圖2（2）為水穩(wěn)系數(shù)的變化軌跡。影響土體水穩(wěn)定性、且呈正相關(guān)關(guān)系的組成為L(zhǎng)A乳液。LA乳液含量的增高，會(huì)帶來土體水穩(wěn)定性的提高，但在一定含量后，增幅也不再明顯；而水泥對(duì)水穩(wěn)定性的影響無明顯規(guī)律。

綜合分析表明，在復(fù)合固化粉土技術(shù)中，LA乳液起到了土體初期黏結(jié)穩(wěn)定作用，并顯著提高了土體的水穩(wěn)定性；水泥對(duì)土體的強(qiáng)度貢獻(xiàn)更大；在利用該技術(shù)固化粉土?xí)r，可以利用這種趨勢(shì)優(yōu)化固化土的組成配置。

2.3 組成優(yōu)化與驗(yàn)證

利用軟件中的混料優(yōu)化設(shè)計(jì)器，可以根據(jù)自設(shè)定的強(qiáng)度、水穩(wěn)系數(shù)要求進(jìn)行固化土組成比例優(yōu)化。如在農(nóng)村低等級(jí)道路或村村通工程中，固化土強(qiáng)度不能要求太高，但是對(duì)水穩(wěn)定性有著較高的要求。設(shè)計(jì)可以規(guī)定7 d 無側(cè)限強(qiáng)度大于0.8 MPa、水穩(wěn)系數(shù)大于0.6，見表5。通過優(yōu)化，軟件給出一個(gè)優(yōu)化組成方案，LA含量8.4%、水泥C 含量3%、粉土S含量88.6%。根據(jù)表6 中優(yōu)化的物料組成，檢測(cè)實(shí)際試件與模擬優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差，結(jié)果表明7 d 無側(cè)限強(qiáng)度的相對(duì)誤差為0.7%，水穩(wěn)系數(shù)的相對(duì)誤差為2.5%。這就體現(xiàn)了利用Design-Expert 混料設(shè)計(jì)方法的良好預(yù)測(cè)性，并初步證實(shí)了混料設(shè)計(jì)用于聚合物乳液與水泥復(fù)合固化粉土中的適用性和可靠性。

表5 各因素范圍及權(quán)重設(shè)置

表6 模型預(yù)測(cè)結(jié)果和誤差

3 結(jié)語

利用低濃度高分子聚合物乳液、結(jié)合低劑量水泥可以復(fù)合固化粉土。其中，高分子乳液起到了土體初期黏結(jié)穩(wěn)定作用，并顯著提高了土體的水穩(wěn)定性；水泥對(duì)土體的強(qiáng)度貢獻(xiàn)更大，決定了土體的后期強(qiáng)度。利用Design-Expert 混料設(shè)計(jì)可以對(duì)復(fù)合固化粉土的組成進(jìn)行含量?jī)?yōu)化，并體現(xiàn)出良好的預(yù)測(cè)性和適用性。