探討水玻璃和硫酸鋁治理高液限土路基的可行性

周源

（益陽(yáng)遠(yuǎn)程公路建設(shè)有限公司，湖南益陽(yáng) 413000）

高液限土壤由于其天然含水量高、液限高、細(xì)顆粒含量高等熱點(diǎn)，當(dāng)高液限土用作路基的填筑材料時(shí)，其對(duì)含水量控制、強(qiáng)度、水穩(wěn)定性等指標(biāo)都有較大影響。公路使用過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)干濕交替現(xiàn)象，從而造成地基沉降不均勻、路基邊坡坍塌、路面開裂等問題。為改善路面裂縫、坍塌、沉降等病害，在公路施工中要求高液限土路基塑性指數(shù)低于細(xì)粒土的26%，高液限低于50%，否則不可作為填筑材料，同時(shí)在施工中必須對(duì)高液限土處理后方可進(jìn)行填筑作業(yè)。

1 高液限土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

本文以某高速公路為實(shí)驗(yàn)，在K28＋600 段、深度2.0m 中取樣所用的高液限土，粒徑＜0.075mm 的顆粒含量為89.6%。基本物理特性指標(biāo)如表1 所示。

表1 高液限土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)表

2 添加劑的選擇

2.1 在選用添加劑時(shí)，要注意以下三點(diǎn)：

（1）采用離子活性劑；

（2）采用膠結(jié)材料；

（3）添加劑的水穩(wěn)定性要高。

結(jié)合上述三種特性，初步確定了以硅酸鈉、硫酸鋁為主要添加劑。

2.2 水玻璃的化學(xué)式為Na2O·nSiO2，n 為水玻璃的模量。硫酸鋁作為一種凝膠顆粒，可附著在土壤的表面，提高粘著力，在填筑中可有效填充到空隙中并有效粘合，保證施工質(zhì)量。

2.3 按5：1 的比例將硅酸鈉與硫酸鋁固體充分混合，使水玻璃與硫酸鋁的比例達(dá)10：1。

3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

3.26ml 水玻璃溶液，干土的質(zhì)量比分別為1%、2%、4%、6%和8%；硫酸鋁固體，干土的質(zhì)量比分別為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%；水玻璃溶液與硫酸鋁的配比分別為1%＋0.1%、2%＋0.2%、4%＋0.4%、6%＋0.6%、8%＋0.8%。

高液限粘土的改造主要有：

（1）對(duì)一定數(shù)量的風(fēng)干土進(jìn)行稱量；

（2）將一定量的水玻璃溶液按水玻璃溶液與干土比例進(jìn)行稱量，然后噴灑到土壤樣本上，均勻地?cái)嚢瑁缓蟮却? 小時(shí)；

（3）按照硫酸鋁與干土的固體質(zhì)量比例將硫酸鋁均勻噴灑到含有水玻璃溶液的土樣中；

（4）靜置2 小時(shí)后將土壤靜壓灌入到土樣中；

（5）在預(yù)設(shè)齡期后測(cè)量樣品。

3.1 液塑性極限實(shí)驗(yàn)

液塑性極限實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

（1） 試驗(yàn)土樣水分含量為30.0%，干密度為1.60g/cm3；

（2）凝固7 天后進(jìn)行液塑性極限試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示；

（3）由圖1 可得，土樣在加入水玻璃與硫酸鋁溶液后有明顯的改變，且結(jié)果變化與添加水玻璃與硫酸鋁溶液容量有一定關(guān)系：當(dāng)添加水玻璃與硫酸鋁溶液容量較高時(shí)，土樣的液限與塑性指數(shù)降低，但塑性極限提高；反之，則土樣液限與塑性指數(shù)提高，塑性極限下降；

圖1 極限含水率與添加劑混合量之間的關(guān)系折線圖

（4）當(dāng)添加水玻璃溶度為4%、硫酸鋁溶液為0.4%時(shí)，凝固7 天后的土樣液限與塑性指數(shù)分別為54.6%、21，可達(dá)到路基工程中的施工標(biāo)準(zhǔn)；

（5）試驗(yàn)表明，當(dāng)添加水玻璃溶度為4%、硫酸鋁溶液為0.4%時(shí)，若添加劑的摻量不斷增大，土樣的液限與塑性指數(shù)也隨之降低。因此初步確定添加劑中水玻璃溶液為4%、硫酸鋁溶液為0.4%的效果更佳。

用4%的水玻璃和0.4%的硫酸鹽改性高液限粘土，其液限和塑限隨著齡期的改變而改變。由圖2 可知，改良劑在添加到高液限黏土后7 天，完成了液態(tài)和塑性極限的改變。固化7 天之后，結(jié)果表明，在不同的固化條件下，優(yōu)質(zhì)土壤的液塑限并未發(fā)生顯著的改變。

圖2 改良土壤的極限含水量與固化時(shí)間的關(guān)系折線圖

3.2 壓實(shí)試驗(yàn)

在高液限粘性土中加入改性劑12 小時(shí)后，進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)。由圖3 可知，在不同的條件下，改良后的土壤的最大干密度比未經(jīng)處理的土壤要低，但在適宜的含水量上有很大的提高。

圖3 壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

3.3 顆粒分析試驗(yàn)

用4%的水玻璃水溶液和0.4%的硫酸鋁進(jìn)行了顆粒測(cè)定，該土壤含水量為30%，干密度1.60g/cm3。

結(jié)果顯示，改良后的土壤顆粒成分的變化會(huì)導(dǎo)致土壤中的黏粒含量下降，而粉粒、粗粒的數(shù)量也會(huì)隨之增大。

4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水穩(wěn)定性試驗(yàn)主要對(duì)高液限粘土與干土分別進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。使用截面面積為30cm2、高度為2cm 的切割環(huán)，并將靜壓后的土樣壓入切割環(huán)，作為水穩(wěn)定性試驗(yàn)的樣品。

采用干濕循環(huán)試驗(yàn)主要分為膨脹與收縮脫水兩個(gè)階段。膨脹階段：

（1）膨脹階段是將土樣靜置于透水石上，并加入適量水，使水位于透水石位保持一致高度；

（2）待土樣充分吸收水分達(dá)到飽和狀態(tài)后，繼續(xù)加入適量水，使水位沒過(guò)透水石中的土樣；

（3）待土樣再次吸收水分至膨脹時(shí)，觀察土樣的高度。脫水收縮過(guò)程是將吸收水分至膨脹狀態(tài)下的土樣烘干至70%，并測(cè)量烘干后的土樣高度。

4.1 膨脹率

在干循環(huán)和濕循環(huán)過(guò)程中，根據(jù)以下公式計(jì)算絕對(duì)膨脹率和相對(duì)膨脹率：

式中：

δa和δr- 絕對(duì)膨脹率和相對(duì)膨脹率；

hi- 第i 次膨脹穩(wěn)定后的樣品高度；

h0- 樣品的初始高度；

hf（i－1）- 第（i－1）次空氣干燥后的樣品高度，hf（0）＝h0。

未處理土和改良土的絕對(duì)膨脹率和相對(duì)膨脹率與循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的變化如圖4 所示。

圖4 膨脹率與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線圖

4.2 快速剪切實(shí)驗(yàn)

表2 表示經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)，經(jīng)過(guò)7 天的干燥和改進(jìn)后的土樣，采用4%的水玻璃和0.4%的硫酸鋁進(jìn)行了快速剪切實(shí)驗(yàn)。

表2 快速剪切試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

從表2 可知，經(jīng)過(guò)改良土比未經(jīng)經(jīng)過(guò)處理的土壤具有更好的穩(wěn)定性，即水玻璃和鋁酸鈉對(duì)高液限粘土進(jìn)行改性后，其水溶性得到了明顯的改善。

4.3 承載比（CBR）試驗(yàn)

結(jié)果表明，在3 個(gè)干濕循環(huán)期間，未經(jīng)處理的樣品的相對(duì)膨脹速率最大，而內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降幅度更大。未經(jīng)處理和改良過(guò)的土壤CBR 測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 CBR 試驗(yàn)結(jié)果表

5 結(jié)論

對(duì)高液限粘土路基進(jìn)行了液塑限、最大干密度、最佳含水量等方面的問題進(jìn)行試驗(yàn)分析。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

5.1 改性高液限粘土的液限降低，且其塑性限隨水玻璃、硫化鋁含量的提高而提高。

5.2 改性后土壤的粘聚力和內(nèi)摩擦角都比未經(jīng)處理的土壤要大。

5.3 3 次干循環(huán)、濕循環(huán)后，未進(jìn)行處理的土壤CBR 達(dá)不到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，但7 天后，經(jīng)過(guò)3 次干濕循環(huán)并用4%的水玻璃和0.4%的硫酸鹽改良的土壤，其CBR 值可達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

5.4 在8 小時(shí)內(nèi)硫化鋁液與水玻璃的粘稠度基本相同，兩種溶液在灌漿過(guò)程中不會(huì)凝結(jié)，可以達(dá)到灌漿施工的要求。