不同齡期下EFS固化土抗壓強度試驗研究*

丁永明，張春東，苗 華，姚 勇，陳代果

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

土壤固化劑作為新型節能環保工程材料，由多種無機、有機材料組成，用于固化各類土壤。經土壤固化劑處理后，土壤強度、密實度、回彈模量等均得到大幅度提高，從而延長了道路使用壽命，降低了工程維修成本，經濟與環境效益俱佳，是當前理想的筑路材料[1-3]。國內外對新型土壤固化劑固化道路基層進行了長期強度試驗研究，李雨霏等[4]以粒化高爐礦渣為固化劑，對湖積軟土進行物理力學試驗，摻入不同比例的粒化高爐礦渣后，對不同養護齡期(3，7，28d)無側限抗壓強度進行測試，分析固化土強度變化規律。研究發現，粒化高爐礦渣的加入使固化土抗壓強度得到顯著提高，且在一定范圍內，隨著固化劑摻量和養護時間的增加，抗壓強度逐漸提高。劉世皎等[5]以陜西楊凌黃土為例，加入12%的水泥及不同摻量的BCS核心材料，并在BCS核心材料摻量為0.6%的黃土中加入不同質量比的水泥基BCS固化劑，通過抗壓強度試驗分析，確定最佳BCS核心材料、BCS固化劑摻量。研究發現，BCS固化土工程性能有所提高，采用飽和石灰水養護可顯著增強固化土抗凍性能。周偉等[6]以水泥為固化材料，對淤泥固化土進行了大量室內試驗，模擬固化效果，結果表明，水泥摻量達20%時，淤泥材料可滿足公路路基施工要求，同時還提出了淤泥固化工藝。在此基礎上，王鵬等[7]和張茅等[8]通過進一步探究證明，在滿足一定的配合比條件下，固化后的淤泥不僅能達到施工要求，還滿足植被生長環境要求。

實際工程中土體與巖體具有特殊性，加入新型固化材料EFS土壤固化劑后，道路路基固化土長期強度需進行試驗研究。因此，以黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土為基料，設計固化土配合比方案，進行不同齡期強度試驗，觀察試件破壞特征，分析試驗現象，并探討強度變化規律。

1 試驗概況

1.1 原材料

本試驗采集不同性質的4類土體，分別為黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土。黑砂土表面呈黑色，小塊聚集，內部含黃色石塊。黃砂土呈黃青色，粒徑較小，無大顆粒石，土質較干。風化砂土表面呈紅棕色，內部含較大、較堅硬石。蓋山土表面呈黃色，土質較濕、較軟。參考SL 237—1999《土工試驗規程》和JTG E40—2007《公路土工試驗規程》，采用烘干法分別對4類土體進行天然含水率檢測，結果表明，黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土天然含水率分別為4.60%，0.18%，7.08%，7.97%。采用液、塑限聯合測定法對4類土體液、塑限進行檢測，結果表明，黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土液限分別為26.46%，22.73%，21.27%，21.70%，塑限分別為14.28%，8.47%，16.75%，11.72%，計算得到液性指數分別為-0.79，-0.58，-2.14，-0.38，塑性指數分別為12.18，14.27，4.52，9.98。

1.2 固化土配合比設計

選用P·O 42.5水泥，分別以黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土為基料，與外摻料水泥、EFS土壤固化劑進行組合，經試配，4類固化土均采用5% P·O 42.5水泥+0.02% EFS土壤固化劑的配合比，EFS土壤固化劑在濃縮狀態下無揮發性，呈堿性，不燃燒，液體呈醬黑色，稀釋后無任何危害，對生態無破壞，加入拌合水混合均勻后使用。

1.3 試件制作與養護

根據“手握成團，落地成花”的傳統經驗，在黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土天然含水率的基礎上，分別增加1.5%，2.0%，2.0%，1.5%制作試件。本試驗設定6個齡期，分別為3，7，14，28，48，60d。按照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》的規定，將4類土體置于110℃烘箱內，烘干12h至恒重。除去大塊顆粒，按照96%的壓實度，混合料整體密度為2 200kg/m3，計算各試件混合料用量，在固化土結構形成與抗壓強度發展過程中，孔隙填充對固化土抗壓強度的提高起重要作用[9]。分3層裝入直徑100mm、高100mm模具中，使用DT-227型路面材料強度試驗儀，采用靜力壓實法制備試件，將所有試件從模具內脫出后稱重，放入標準養護室養護至預定齡期。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象與破壞特征

2.1.1黑砂土試件

對于養護齡期較短的黑砂土試件，達到破壞荷載時，產生較細小的斜裂縫，少量土體剝落。隨著養護齡期的增加，試件破壞時頂部被壓碎，裂縫寬度增大，斜裂縫數量增加，大量土體破壞剝落，土體內部砂石沿著裂縫位置脫落，如圖1所示。

圖1 不同齡期黑砂土試件破壞特征

2.1.2黃砂土試件

對于養護齡期較短的黃砂土試件，破壞時產生了豎向斜裂縫和橫向裂縫，土體呈大塊片狀剝落。隨著養護齡期的增加，試件破壞時豎向裂縫寬度增大，土體內部砂石被壓碎，并沿著裂縫位置脫落，裂縫逐漸貫通，大量土體呈大塊片狀脫落，試件內部形成斜裂縫，如圖2所示。

圖2 不同齡期黃砂土試件破壞特征

2.1.3風化砂土試件

對于養護齡期較短的風化砂土試件，破壞時產生豎向微裂縫，少量土體剝落。隨著養護齡期的增加，試件中部外鼓，外鼓處產生密集的小裂縫，最終破壞時試件中部外鼓加劇，形成大量斜裂縫，大量土體破壞剝落，土體內部砂石沿著裂縫位置脫落，大顆粒砂石處呈明顯局部壓潰現象，如圖3所示。

圖3 不同齡期風化砂土試件破壞特征

2.1.4蓋山土試件

蓋山土試件破壞特征與黑砂土、風化砂土試件類似，對于養護齡期較短的試件，破壞時產生豎向微裂縫，土體幾乎未剝落。隨著養護齡期的增加，試件破壞時產生斜裂縫，且斜裂縫加寬，土體沿裂縫呈塊狀剝落，土體內部砂石沿著裂縫位置脫落，如圖4所示。

圖4 不同齡期蓋山土試件破壞特征

對各試件破壞形態進行分析，可知隨著養護齡期的增加，水泥水化反應越來越充分，試件內部水分越來越少，破壞時剝落的土體越來越多。在豎向荷載作用下，試件裂縫特別是中部裂縫在力的作用下不斷開展和延伸，逐漸形成脆弱斷裂面；當荷載增大時，斷裂面處裂縫寬度逐漸增大，大量土體剝落，試件喪失承載力，表現為脆性破壞。隨著養護齡期的增加，試件含水率降低，脆弱斷裂面數量逐漸增加。

2.2 無側限抗壓強度

達到預定養護齡期取出試件時，使用軟布吸去試件表面水分后再次稱重，試件未出現磨損或土體剝落現象。將取出的試件進行無側限抗壓強度試驗，計算結果如表1所示。

表1 抗壓強度試驗結果 MPa

由表1可知，各試件無側限抗壓強度均隨著養護齡期的增加而增大，其中黑砂土、風化砂土試件強度增長速度較快，黃砂土、蓋山土試件強度增長速度較慢。在同一配合比下，黑砂土試件3d無側限抗壓強度達2.11MPa，是4類試件中最小的，其7，14，28，48，60d無側限抗壓強度分別為3d無側限抗壓強度的1.09，1.36，1.73，2.26，2.63倍；風化砂土試件3d無側限抗壓強度達3.80MPa，是4類試件中最大的，其7，14，28，48，60d無側限抗壓強度分別為3d無側限抗壓強度的1.10，1.27，1.56，1.94，2.04倍。不同齡期下，風化砂土試件無側限抗壓強度最大，黑砂土試件無側限抗壓強度基本為最小，黃砂土、蓋山土試件無側限抗壓強度基本介于黑砂土與風化砂土試件之間。4類試件無側限抗壓強度均較素土+5%水泥試件高[10-11]。

CJJ/T 286—2018《土壤固化劑應用技術標準》對三級固化土7d無側限抗壓強度要求為：上基層≥2.5MPa，下基層≥1.5MPa。由7d無側限抗壓強度試驗結果可知，黑砂土試件可滿足道路下基層強度要求，較下基層強度規范值高54.67%；黃砂土、風化砂土、蓋山土試件可滿足道路上基層強度要求，分別較上基層強度規范值高45.20%，68.00%，10.80%。

水泥水化反應生成C-H-S凝膠，土顆粒被吸附包裹在內部，形成連接土顆粒的膠凝網絡，水化產物Ca(OH)2與黏土膠體發生離子交換反應，改善土顆粒之間的連接結構，提高結構密實度。水泥組分與土體中的水及Al2O3，SiO2反應生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化碳酸鈣等，使土顆粒之間相互咬合。EFS土壤固化劑中的乙酸乙酯能夠促進硼酸或硼酸鹽與硅酸鹽的交聯，使硼酸或硼酸鹽更快地與硅酸鹽反應，進而使土顆粒之間或內部發生交聯，在堿性條件下，硼酸或硼酸鹽起到的效果更好，可增強土體穩定性，從而提高試件峰值荷載和無側限抗壓強度。

摻入水泥后，養護初期起主導作用的是水泥水化產物之間的離子交換與團粒化作用，可減小土顆粒表面吸附水層厚度，使土壤膠團團粒化，水泥改性作用明顯，強度增加速度較快。隨著養護齡期的增加，水泥不斷水化至一定范圍，膠凝物質含量逐漸增至一定程度，強度增長速度較緩慢。

2.3 無側限抗壓強度與養護齡期關系擬合

本試驗得到的4類試件無側限抗壓強度與養護齡期呈顯著的線性關系，可用下式進行擬合：

Rc=aD+b

(1)

式中：Rc為無側限抗壓強度；a，b為常數；D為養護齡期。

擬合曲線參數如表2所示，由表2可知，4類試件無側限抗壓強度與養護齡期的相關系數均接近于1，說明二者的線性關系較密切。

表2 無側限抗壓強度與養護齡期關系擬合參數

水泥摻量為5%的土體中水泥膠凝顆粒相對較少，水泥水化產物主要用于膠結土顆粒，不能完全對土顆粒進行包裹，特別是土顆粒棱角處幾乎未吸附水泥膠凝顆粒，未對土顆粒空隙進行填充，無法有效阻止土顆粒受壓后發生的相對滑動。膠凝顆粒僅吸附于土顆粒表面，且在土顆粒棱角處吸附的較少，對抗壓強度發育影響不明顯，使水泥摻量<5%的固化土抗壓強度發育隨齡期的增加趨于平緩[12]。

3 結語

1)隨著養護齡期的增加，試件失去承載力時裂縫數量迅速增加，大量土體脫落，表現為脆性破壞。

2)隨著養護齡期的增加，4類試件無側限抗壓強度總體呈增大趨勢，且無側限抗壓強度與養護齡期線性關系較明顯。可根據工程要求的無側限抗壓強度調節養護齡期，也可預測更長養護齡期的無側限抗壓強度。

3)黑砂土試件無側限抗壓強度可滿足道路下基層強度規范值要求，黃砂土、風化砂土、蓋山土試件無側限抗壓強度可滿足道路上基層強度規范值要求。

4)外摻水泥和EFS土壤固化劑可增大試件無側限抗壓強度，與土樣攪拌后，土顆粒空隙被填充，形成一定結構強度，增強道路基層承載力。