市政路基低液限粉土復(fù)摻改性試驗研究

彭一武

（湖南省高嶺建設(shè)集團股份有限公司,湖南 長沙 410000）

未經(jīng)過復(fù)摻優(yōu)化改性的低液限粉土直接作為路基時，會出現(xiàn)垂直變形問題，目前市政路基粉土改性是優(yōu)化低液限粉土路基的有效方法之一。然而由于其較差的屈服強度、較高的孔隙率、較低的剪切強度以及高壓縮性，單純摻加水泥或雙摻水泥+粉煤灰，都無法有效改善粉土的力學(xué)特性。目前，對低液限粉土復(fù)摻改性技術(shù)的研究成為業(yè)界一大熱點。本文探討通過摻加膨潤土來提高粉土的密實度、抗彎沉性能，通過復(fù)合摻加水泥、硅酸鈉水溶液、氯化鈣、石灰、纖維等實現(xiàn)提升粉土強度，以減少低液限粉土路基的彎沉，從而實現(xiàn)低液限粉土用于路基填筑。

1 試驗原材料要求

1.1 試驗粉土

本次研究選取的低液限粉土樣品來自某市政公路路基，具體樣品參數(shù)如表1所示，可以看出樣品的高壓縮性、級配不合理。

1.2 其他試驗材料

（1）膨潤土，主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁；

（2）PO42.5普通硅酸鹽水泥；

（3）水玻璃：硅酸鈉水溶液，密度約1.53 g/cm3，波美度50，彈性模量2.6～2.9；

（4）氯化鈣溶液；

（5）生石灰，主要成分是氧化鈣；

（6）長度為9 mm的聚丙烯纖維。

2 低液限粉土復(fù)摻改性試驗配比設(shè)計

（1）低液限粉土密實度優(yōu)化：采用強吸附、強黏結(jié)、易膨脹的膨潤土以一定比例摻加到粉土中，增強其黏性，從而改善其密實度，試驗選用的摻加比例分別為0%、3%、6%、9%、12%。

（2）低液限粉土強度、壓縮性優(yōu)化：本研究采用正交法，選用水玻璃、氯化鈣、水泥、石灰及聚丙烯纖維通過復(fù)合摻加的方式改良低液限粉土強度和壓縮性，具體配比如表2所示。

（3）復(fù)摻配比優(yōu)化：根據(jù)上述兩個試驗的數(shù)據(jù)，進行粉土的復(fù)合摻加配比優(yōu)化試驗，獲得最優(yōu)配比。

表1 試驗粉土的物理力學(xué)參數(shù)

表2 正交試驗配比參數(shù)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 密實度改良結(jié)論

摻加的膨潤土含量與對應(yīng)的最佳含水率下，粉土壓實后的干密度、彈性模量如圖1所示。

圖1 密實度改良結(jié)果

據(jù)圖1可知：（1）隨著膨潤土摻加比例的上升，粉土的彈性模量、干密度先升后降。膨潤土摻加比例達到9%時，二者達到最大值，彈性模量為50.6 MPa，干密度為1.89 g/cm3；（2）與沒有摻入膨潤土的低液限粉土相比，彈性模量最大值上升了36.96%，干密度最大值上升了12.5%；（3）摻入膨潤土后，粉土密實度有明顯改善，彈性模量也顯著提高，可以明顯減少粉土路基彎沉。

3.2 強度及壓縮性改良結(jié)論

每個試驗組樣品的抗剪強度的變化（在300 kPa下97%的壓實度）如圖2所示，無側(cè)限抗壓強度和彈性模量的變化如圖3所示，壓縮系數(shù)大小變化如圖4所示。

圖2 抗剪強度試驗結(jié)論

圖3 抗壓強度和彈性模量試驗結(jié)果

圖4 壓縮系數(shù)試驗結(jié)論

（1）據(jù)圖2可知：①在9個試驗組中，第2組樣品的黏聚力最大，為304.9 kPa，而第3組樣品的黏聚力最小，為168.6 kPa；②第9組樣品的內(nèi)摩擦角最大，為40.5 °，第4組樣品的內(nèi)摩擦角最小，為33.6 °；③第2組樣品配比為水泥2%、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰3%、聚丙烯纖維0.3%，而第5組樣品配比為水泥3%、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纖維0.2%，表現(xiàn)出更好的力學(xué)特性，黏聚力、內(nèi)摩擦角比較理想。

（2）據(jù)圖3可知：①在9個試驗組中，抗壓強度和彈性模量的變化規(guī)律相同，都和水玻璃∶氯化鈣的值有關(guān)，氯化鈣的比例越大，粉土樣品的抗壓強度、彈性模量越好；②在水玻璃∶氯化鈣的值不變的情況下，水泥含量越高，粉土樣品的抗壓強度和彈性模量越高，可見水泥也是粉土改良的重要因素；③水玻璃、氯化鈣、水泥會產(chǎn)生凝膠反應(yīng)，能有效地填充粉土的孔隙，從而增加粉土強度，使得改良后的低液限粉土的抗壓強度和彈性模量明顯提升。④綜上，第8組樣品的粉土抗壓強度、彈性模量最佳。

（3）據(jù)圖4可知：①經(jīng)過復(fù)合摻加處理后，試驗樣品的壓縮系數(shù)均明顯降低；②第5、7組樣品的壓縮系數(shù)最小，分別為0.054、0.055，其對應(yīng)的石灰摻加比例為4%，說明石灰對粉土的可壓縮性影響最大。

4 低液限粉土復(fù)摻改性配合比優(yōu)化

根據(jù)以上試驗研究可知，所選材料對于低液限粉土的性能改良均有一定幫助，但起到的作用大小不同。為了確定最佳的配比，需要基于上述試驗數(shù)據(jù)運用極差法進行進一步分析。A代表水泥，B代表水玻璃-氯化鈣溶液，C代表石灰、D代表聚丙烯纖維，Ki代表各個影響因子在同等水平下的和，Ki代表各個影響因子在同等水平下的均值，Ri代表每個影響因子的極差，其值越大表示影響因子的作用越大，具體的極差分析結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知：（1）B可以有效提高粉土的抗剪切強度，作用最顯著，其次是C、A、D；（2）各種影響因子對粉土強度、彈性模量的改良作用從大到小依次為A、B、C、D；（3）各種影響因子對粉土壓縮系數(shù)的改良作用從大到小依次為C、A、B、D。

配比為A3B2C3D2時，粉土獲得最佳彈性模量和壓縮系數(shù)；配比為A3B3C1D1時，粉土獲得最佳的內(nèi)摩擦角；配比為A3B2C3D3時，粉土的壓縮強度最佳。針對單個影響因子，A3出現(xiàn)了4次、B2出現(xiàn)了5次、C3出現(xiàn)3次、C3出現(xiàn)3次。由此可見，使低液限粉土性能改良效果最佳的配比為水泥4%、液體玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纖維0.3%。

表3 極差分析結(jié)論數(shù)據(jù)

表4 膨潤土摻入前后的物理力學(xué)參數(shù)對比

基于以上分析可知，最佳膨潤土摻加比例為9%，比較配合比A3B2C3D2+9%膨潤土和其他配合比的粉土的物理和機械性能，具體結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)可知，與不添加膨潤土的情況相比，摻加9%的膨潤土后，粉土各項性能得到顯著改善，而單獨添加膨潤土將導(dǎo)致干密度稍低，但彈性模量顯著增加。簡而言之，對于低液限粉土來說，獲得理想改良效果的最佳配合比為4%水泥、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、4%石灰、0.3%聚丙烯纖維、9%膨潤土。

5 結(jié)論

綜上所述，沒有經(jīng)過適當(dāng)摻加改良的低液限粉土性能無法滿足市政路基施工需要，如果直接作為路基土體容易出現(xiàn)彎沉問題，因此需要通過適當(dāng)?shù)膹?fù)摻優(yōu)化市政路基粉土性能，使其達到市政路基填筑材料的施工要求。膨潤土具有很強的黏結(jié)性、吸附性以及內(nèi)聚性，具有顯著提升低液限粉土密實度的效果，試驗得出其最佳摻加比例為9%。通過正交試驗和極差分析可知，低液限粉土的最佳配合比為水泥4%、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纖維0.3%，再復(fù)摻9%的膨潤土，已達到了較好的抗彎沉性能。