探討路基施工階段水玻璃及硫酸鋁改良高液限土技術

尹 濤

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

天然高液限土液限高、含水率高，用于公路路基填料時，由于其水分含量高，難以控制含水率，同時水穩定性差，氣候變化導致高液限土干濕反復交替，土體結構穩定性下降，最終造成路基不均勻沉降、邊坡滑坡、路面裂縫等多種病害[1-2]。因此，為確保路基施工質量，施工技術規范明確要求液限超過50%、塑限超過26 的細粒土體，需進行必要處理后才能用于路基填筑。

1 高液限土改良方法

現階段，常用高液限土改良方法主要包括以幾種：

（1）包覆法可進一步細分為邊緣包覆法和堆芯包覆法，其中邊緣包覆的基本原理是路基中部填筑高液限土，兩側填充水穩定性良好的填筑物；堆芯包覆法的基本原理是用水穩定性良好的填筑料密封路基上下和兩側。但是該方法無法徹底解決路基不均勻沉降問題。

（2）通過在原有高液限土中加入粗顆粒土可調整土壤顆粒含量，起到加固土體、削弱細粒土負面影響的作用，改善高液限土水穩定性[3]。

（3）化學改性是指在原有高液限土中加入一定量的改性劑，以調整其粒徑構成，提升土體結構強度，降低塑性指數。工程實踐證明，在高液限土中加入一定比例的石灰、磷石膏等改性劑后，其液限和塑限均減小，加州承載比大幅提升，經過化學改性后的高液限土理化性能可滿足高速公路路基填筑施工要求。例如加入粉煤灰的高液限土塑性指數明顯降低，而加州承載比、無側限抗壓強度大幅提升。

（4）但添加粉煤灰或石灰會導致高液限土堿性增強，對地下水存在難以預知的影響，因此需要盡快找到更加環保綠色的化學改性劑。基于此，文章探討一種基于水玻璃、硫酸鋁新型高液限土改性劑，根據液塑限試驗數據明確最優摻加比，通過直剪試驗分析添加水玻璃與硫酸鋁改性劑后的高液限土水穩性，驗證水玻璃與硫酸鋁改性劑的應用效果。

2 試驗材料及方案

2.1 高液限土

試驗高液限土樣本來自試驗路段的路塹土方開挖，樣本土體呈棕褐色，顆粒中89.6%為粒度小于0.08 mm的小顆粒，土體天然含水率、液限、塑限等關鍵參數見表1。

表1 高液限土基本物理性質

2.2 添加劑

添加劑為水玻璃+硫酸鋁構成的新型添加劑。水玻璃的化學式為Na2O·nSiO2，n 為水玻璃的模量。硫酸鋁作為一種易溶于水的白色晶體，與硅酸鈉混合反應可產生氫氧化鋁與凝膠顆粒[4]。凝膠顆粒可附著在土壤的表面，提高黏著力，在填筑中可有效填充到空隙中并有效黏合，保證施工質量。Na2SiO3硅酸鈉溶液與Al2(SO4)3硫酸鋁溶液化學反應方程:

水玻璃、硫酸鋁質量比為10 ∶1，其中水玻璃溶液濃度3.37 mol/L。

2.3 試驗方案

為確定最合理的水玻璃、硫酸鋁配比需進行多種配比條件下的液塑限試驗分析，以客觀評價不同配合比下的水玻璃與硫酸鋁改性劑對高液限土的改良效果，最終確定改性劑摻加量；根據液限塑限試驗分析得到的最佳配比開展擊實試驗和直剪試驗，詳細試驗方案如表2所示。

表2 不同配比的水玻璃及硫酸鋁試驗方案

3 試驗結果

3.1 液塑限試驗

液限塑限試驗所用樣本高液限土含水率36.5%，干密度1.76 g/cm3。根據表2 所示上述試驗方案進行樣本準備，將樣本土體置于溫度15～25 ℃、相對濕度97.8%的環境中進行7 d 養護后開展液限塑限試驗。具體試驗數據見圖1。

根據圖1 可知，在高液限土中添加一定量的水玻璃與硫酸鋁后，其液限、塑限均變化明顯。總體上水玻璃、硫酸鋁用量與高液限土的液限成反比，與塑限成正比，即改性劑摻加越多，塑性指數越小。當水玻璃、硫酸鋁配比為0.4%、4%時，改良后的高液限土經7 d 養護后液限值為49.9%，塑性指數為17。基于相關施工技術規范要求細粒土路基填筑土體的液限不能超過50%、塑性指數不能超過26，由此可大致確定水玻璃、硫酸鋁的最佳配比為4%、0.4%。隨著養護齡期變化，按照上述配比摻加改性劑后的高液限土液限、塑限變化情況見圖2，據圖可知經改良及標準養護后的高液限土液限、塑限可滿足施工技術規范要求的路基填筑材料要求，但改良高液限土經7 d 養護后其液塑變化變化不明顯。

圖1 養護7 d 后各組試驗的液塑限

圖2 T4組試驗液塑限與養護時間的關系

3.2 擊實試驗

將水玻璃+硫酸鋁改性劑按照上述配比摻入高液限±12 h 后開展擊實試驗，試驗數據如圖3 所示。改良后的高液限土干密度最大值低于未改良前，但改良后的高液限土最佳含水率較大，同時改良后的高液限土擊實曲線傾斜度小于未改良前的擊實曲線傾斜度，表明摻加改性劑后的高液限土水敏感性降低，水穩定性提升，可滿足公路路基填筑施工需要[5]。

圖3 擊實試驗結果

3.3 水穩性試驗

對改良前后的高液限土進行干濕循環試驗分析新型改性劑對其水穩定性的影響。試驗樣本土體直徑62.9 cm，高1.9 cm，含水率取最佳值，干密度1.656 g/cm3（樣本土體壓實度97%），采用靜壓工法分3 層壓實。首先將樣本土體真空飽和處理2 h 后取出放入烘干箱中105 ℃烘干24 h，確保土體完全干燥，此時完成單次干濕循環，循環進行分1～9 次干濕循環，再開展直剪試驗。

干濕循環處理次數不同時，未摻加改性劑的高液限土抗剪強度、豎向荷載的關系曲線見圖4，據圖可知，高液限土豎向荷載與其抗剪強度成正比；高液限土抗剪強度與干濕循環次數成反比。不同干濕循環次數不同時，按照最佳配比摻加水玻璃和硫酸鋁改性劑后的高液限土抗剪強度、豎向荷載關系曲線見圖5，據圖可知，摻加改性劑后的高液限土抗剪強度與豎向荷載成正比，與干濕循環次數成反比，但荷載、干濕循環次數相同的情況下，摻加改性劑后的高液限土抗剪強度顯著提升。

圖4 T1 抗剪強度與豎向荷載的關系

圖5 T4 抗剪強度與豎向荷載的關系

未摻加改性劑的高液限土和摻加改性劑后的高液限土抗剪強度參數與干濕循環次數之間的關系分別如圖6、圖7 所示。據圖可知，未摻加改性劑的高液限土和已摻加改性劑高液限土抗剪強度參數均與干濕循環次數成反比，但未摻加改性劑的高液限土抗剪強度參數減小速度明顯高于已摻加改性劑的高液限土，干濕循環次數相同的情況下，已摻加改性劑的抗剪強度參數均由于未摻加改性劑的高液限土。表明已摻加改性劑的高液限土水穩性優于未摻加改性劑的高液限土，即經水玻璃和硫酸鋁改良后的高液限土水穩性大幅提升。

圖6 干濕循環次數與黏聚力的關系

圖7 干濕循環次數與內摩擦角的關系

4 結論

利用多種配比條件下的液限塑限試驗，分析水玻璃及硫酸鋁改性劑對高液限土抗剪強度、水穩性的影響，明確最佳配比；按照最佳配比進行高液限土改良，再進行擊實試驗和直剪試驗，得到以下幾點結論:

（1）水玻璃+硫酸鋁改性劑摻加量與高液限土液限成反比，與塑限成正比，即能降低塑性指數。當水玻璃+硫酸鋁改性劑配比為4%、0.4%時，經7 d 標準養護后高液限土的液限、塑性指數，均能達到施工技術規范規定的路基填筑材料要求。

（2）按照最佳配比摻配改性劑后的高液限土干密度最大值、水敏感性，均低于未摻加改性劑前，最佳含水率高于未摻加改性劑前，這將更符合公路路基填筑施工需要。

（3）未摻加改性劑的高液限土與已摻加改性劑的高液限土抗剪強度均與豎向荷載成正比，與干濕循環次數成反比；荷載及干濕循環次數相同時，已摻加改性劑的高液限土抗剪強度更高；干濕循環次數相同時，已摻加改性劑高液限土的抗剪強度參數優于未摻加改性劑的高液限土；隨著干濕循環次數的增加，已摻加改性劑的高液限土的抗剪強度下降速率均小于未摻加改性劑的高液限土。