新型固化劑穩定土物理力學性能研究

王皓田，張晉武，白 翔

(山西交院試驗檢測有限公司，山西 太原 030000)

0 引 言

現如今土壤固化劑的制備工藝已日趨成熟，它依靠機械將多種有機與無機化合物摻配調制合成，是一種使用方便又節能降耗的新型固化土壤的筑路工程材料。在實際應用中，根據所需土壤的物理、化學性質，僅需摻入一定量的固化劑與其經過充分拌和、碾壓處理，即可獲得所需加固土的性能指標。加固土壤不僅僅是摻入固化劑所能達到的單一目的，它還使得固化土的滲透性、抗凍收縮能力得到增強，并能防止污染物質泄漏等。

通過對廣泛存在于山西省晉南地區的粉質粘土的土質分析，通過室內試驗來探討該固化土能夠滿足路面基層所需的強度、水穩及耐久性能，從而為以后工程應用推廣奠定基礎，使當地隨處可取的土壤得到充分利用。從工程實際效益角度考慮，原材料運距及運費成本均得到大幅節省進而達到節能環保降耗的目的。從發展生態公路角度來看，石料的過度開采以及廢棄土方對環境造成的惡劣污染將會得到極大改善。

1 試驗原材料

通過對所取原材料粉質粘土(晉南地區)、P.S.A 32.5水泥(太原)、石灰(太原)進行室內試驗，測得粉質粘土塑性指數為12.6，自由膨脹率為20%；水泥28 d膠砂強度為34.1 MPa；石灰等級為一級灰。所選用固化劑為黑色粘稠狀液態ZL-1型土壤固化劑(中路牌)。

2 試驗方案

本試驗方案采用水泥和石灰作為混合膠凝材料，單一膠凝材料下土壤固化劑對細粒土的影響不做研究，通過試驗確定最佳配合比，然后以最佳配合比設計制備摻與不摻ZL型固化劑的橫向空白對比試驗來探討并驗證固化劑對水泥石灰穩定土的強度、水穩及耐久性能等的固化效果。

3 最佳配合比試驗的確定

試驗方法參照相關公路規范實施。首先，所用原材料水泥石灰細粒土壤的最大干密度和最佳含水量參數通過重型擊實法試驗測定，然后利用測得的最大干密度和最佳含水量采用靜力壓實法分別成型4∶6與6∶4水泥石灰比例、不摻固化劑與摻入0.02%最佳摻量固化劑四組無側限抗壓強度試件(壓實度：96%，尺寸：Φ50 mm×50 mm)。成型好的試件立即用塑料膜包裹嚴實，隨后放入標準養護室進行養護(溫度為20±2 ℃，相對濕度95%以上)，齡期為7 d，第6 d去除試件塑料膜并保持浸水1 d待測。試驗結果見表1。

從表1中可以看到，摻與不摻固化劑水穩固化土測得的最大干密度與最佳含水量值變化不明顯，這是由于固化劑含量在混合料中占比太小，影響微乎其微。對于粉質粘土，從表1中強度數據可以看出摻加固化劑可以明顯增強穩定土的抗壓強度，對于四種不同配比的水穩固化土，強度提高幅度在0.6～0.8 MPa之間，約18%～25%。根據強度滿足路用要求，結合實際經濟情況，綜合考慮比較選取水泥∶石灰∶土=6∶4∶90、ZL固化劑摻量0.020%為最佳配合比，后續進行的各項強度及耐久性試驗研究均在最佳配合比基礎上展開。

4 劈裂強度試驗

本試驗通過測定作為半剛性基層材料的ZL型固化劑水穩土的劈裂強度來間接反映其抗拉性能，在受到諸如行車荷載、溫度和濕度變化反復作用下的基層材料，若其抗拉強度高，則產生裂縫也較少，在提高防滲性的同時可以有效減少瀝青面層裂縫的產生。試驗結果見表2與圖1。

表2 不同齡期劈裂強度試驗結果

圖1 劈裂強度與養護齡期關系曲線

由表2和圖1可以看出：(1)摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩土劈裂強度均隨養護齡期的增長而有明顯提高；其中劈裂強度在初期28～90 d齡期內增速明顯，但在后期90～180 d齡期內增速趨緩；(2)在相同齡期節點下，摻ZL型固化劑水穩土的劈裂強度比之未摻ZL固化劑水穩土要高出許多。在90 d齡期時前者比之后者劈裂強度高出0.08 MPa；這是由于摻入ZL型固化劑水穩土混合料在經過拌合、壓實過程中內部發生理化反應導致材料固化后顆粒間形成膠結物，進而產生較強的粘聚效應，因此ZL型固化劑對水泥石灰穩定土劈裂強度的提高效果顯著。

5 抗壓回彈模量試驗

本試驗參照相關公路規范采用頂面法進行，通過測定7 d、28 d、90 d齡期下的試件抗壓回彈模量來反映公路路面變形量的大小，在載荷不變的情況下，抗壓回彈模量越大，路面變形量越小，抵抗車轍變形能力就越強，進而減少路面病害的產生。試驗結果見表3與圖2。

表3 不同齡期抗壓回彈模量試驗結果

圖2 抗壓回彈模量與齡期關系曲線

從表3與圖2可以看出：(1)摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩土抗壓回彈模量表現出同劈裂強度試驗相似的結果，兩者在初期7～28 d齡期內增速明顯，在后期28～90 d齡期內逐漸變緩，不同的是7～28 d初期齡期內前者的抗壓回彈模量增幅比后者要大。表明ZL型固化劑水穩土內部土顆粒間約束力在額定壓實功下比未添加固化劑的要大，土顆粒移動距離亦隨之比未添加固化劑的要短，反映到宏觀層面即固化劑水穩土的彈性變形更小、回彈模量更大。(2)摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩土在7 d齡期節點時回彈模量相差不明顯，但兩者的回彈模量差距隨齡期的不斷增加而逐漸拉大，表明ZL型固化劑對水泥石灰穩定土抗壓回彈模量的提升效果在后期持續顯著。

6 凍融循環試驗

凍融循環作為公路設計中影響路用性能的一個重要參數，凍融循環后的強度高即結構層不易損壞，反映在宏觀層面即路用性能好。所以試驗參照相關規范凍融試驗方法來研究用作基層材料的ZL型固化劑水穩土在凍融循環反復作用下抵抗破壞的能力。首先利用測得的最大干密度和最佳含水量采用靜力壓實法成型兩組配比凍融試件(規格尺寸為直徑150 mm高150 mm，壓實度96%，每個配比18個，用于未凍融和凍融各9個)。未凍融試件在標養浸水(標養28 d，浸水1 d)后測其無側限抗壓強度；凍融試件在標養浸水后按照凍融循環條件完成5次循環(先-18 ℃低溫凍結16 h，再20 ℃恒溫融化8 h，此為循環一次)，然后測其強度。試驗結果見表4。

表4 抗凍性試驗結果

從表4中可以看出：(1)摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩土在完成凍融循環后測得的強度損失均達30%以上，這表明凍融循環對水穩土的強度破壞產生很大影響；(2)摻0.02%ZL型固化劑的水穩固化土強度損失明顯小于未摻的水穩土強度損失，表明摻加ZL型固化劑對提高水穩土的抗凍性能有顯著效果。

7 結 論

(1)摻與不摻ZL型固化劑對水穩固化土最大干密度與最佳含水量的影響較小，但ZL型固化劑對于粉質粘土的固化效果比較明顯，對于不同配比的水穩土，強度提高幅度達18%～25%。

(2)摻與不摻ZL型固化劑水穩土在同等齡期條件下，前者測得的劈裂強度要明顯高于后者。

(3)摻ZL型固化劑的水穩土抗壓回彈模量于初期7～28 d齡期內增幅比未添加ZL型固化劑水穩土大，且后期提升效果持續顯著。

(4)凍融循環對摻與不摻ZL型固化劑的兩組水穩土造成的強度損失均較大，但前者強度損失要明顯小于后者。