納米二氧化硅穩定劑在公路路基中的應用

鐘富軍

摘要：為提高公路路基土的強度特性，文章研究開發了一種新型的穩定劑，主要用于提高其力學性能及在公路路基上的適用性。通過無側限抗壓強度（UCS）試驗和劈裂試驗研究，以及水穩定性試驗和凍融循環試驗，研究穩定劑與路基土混合后的耐久性及其建成后的道路性能；采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）分析穩定劑對公路路基土的微觀結構和機制的影響。結果表明：穩定劑的加入會使泥土顆粒表面與路基土發生水化反應、沸石反應和陽離子交換，從而增強泥土顆粒分子間的作用力，在路基土中加入10%的穩定劑是一種合理、有效的加固路基土的方法，能有效地提高公路路基的早期強度和耐久性。

關鍵詞：納米二氧化硅；穩定劑；公路路基

中圖分類號：TE254.4? ? ? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0042-04

0 引言

穩定劑在土壤中的應用由來已久。20世紀初，美國首次將水泥作為穩定劑，與土壤混合形成道路材料。此后，以水泥、石灰或水泥-石灰為基礎的綜合穩定劑得到了發展［1］。從20世紀70年代開始，對土壤穩定劑的研究逐漸成熟，出現了穩定劑的分類，并逐步應用于不同領域。例如，李松松［2］開發了硅酸鈉土壤穩定劑，研究發現硅酸鈉土壤穩定劑具有良好的激發作用和較高的經濟適用性。宋兵偉［3］用水泥和石灰穩定軟黏土，通過設計一系列的混合比例，找到石灰的最佳用量。然而，普通硅酸鹽水泥在生產過程中存在嚴重的環境污染問題。因此，開發一種綠色、環保、經濟的土壤穩定劑具有重要的實踐意義。

許多學者致力于新型經濟環保型土壤穩定劑的研究，以彌補傳統土壤穩定劑的缺陷。劉蕾［4］加固了南方地區的軟土，并使用Eades-GrimpH（經驗石灰推薦算法）確定最佳石灰含量。結果表明：4%的石灰含量可使土壤pH值提高至12，穩定土的強度可以達到更高的水平。池育源［5］評估使用黏合劑穩定由粉煤灰和高爐爐渣組成的膨脹土壤的潛力。研究發現，添加黏合劑進一步改善了土壤性質。結合上述研究，本研究研制了一種用于穩定淤泥的新型穩定劑，稱為礦渣-納米二氧化硅穩定劑（SNS），該穩定劑由爐渣、納米二氧化硅和生石灰組成，本文通過宏觀力學性能試驗、道路性能試驗和微觀機理分析評價了穩定土的力學及微觀性能。

1 實驗方法及路基土性能

1.1 路基土性能

本試驗所用路基土的液限wL、塑限wP和塑性指數IP分別為48.7%、29.60%和19.10。路基土的最佳含水量為30.12%，最大干密度為1.76g.cm-3。按照塑性圖的分類，粉砂屬于極限黏土低液態砂（CLS）。本實驗中使用的生石灰中CaO的含量為82%，MgO含量為1.6%。同時，使用礦渣代替傳統的硅酸鹽水泥，用生石灰促進水化反應。通過設計混合比例，自主研發了礦渣-納米二氧化硅穩定劑（SNS）。

1.2 無側限抗壓強度測試

無側限抗壓強度試驗是在沒有側向約束的情況下，對路基土的中心施加一定的軸向壓力，在此過程中測量路基土的抗壓強度。本文根據我國規范《公路工程土工試驗方法》（JTG E40—2007）進行無側限抗壓強度試驗，研究不同SNS含量的路基土的強度特性，為實際工程施工提供參數依據。

1.3 水穩定性測試

路面結構的破壞源不僅來自外部荷載的作用，還來自周圍環境的濕度和基層土中較高的含水量，這些因素都會對路面和基層結構造成內部破壞。本文根據我國規范《公路工程無機膠結料穩定材料試驗方法》（JTG E51—2009）進行水穩試驗，通過10%SNS-S（添加含量為10%的礦渣-納米二氧化硅穩定劑的路基土）試件浸泡前后的抗壓強度計算水穩系數，用于評價土壤穩定劑的水穩性能。

1.4 凍融循環試驗

在北方沿海地區，溫度的大幅度周期性變化將導致路面結構強度發生周期性變化。因此，考慮到SNS的區域適用性，根據我國規范JTG E51—2009的試驗方法，模擬冷熱交替的氣候環境，將10%SNS-S和水泥路基土（CS-S）分別放入低溫箱（-18±2）℃和恒溫水箱（20±2）℃進行凍融循環，通過凍融循環前后的損失強度計算其防凍指數。

1.5 SEM

為觀察添加SNS前后的路基土的微觀結構和縫隙形狀的變化，將SNS-S（6%/7 d、10%/7 d、10%/28 d）粉碎，取20 mm3×10 mm3×5 mm3邊緣的中心部分，在50℃的烘箱中放置12 h后進行顯微鏡觀察。

1.6 XRD

X射線衍射（XRD）是一種常用的定性分析自然界中礦物成分的方法，通過比較穩定化土壤的XRD結果，可以更好地分析穩定化土壤在添加SNS前后和不同年齡段的礦物成分變化。將素土和SNS-S（6%/7 d、6%/28 d、10%/7 d和10%/28 d）研磨并干燥后進行測試，將2θ的衍射角設定為5～85°。

2 實驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度試驗

在本試驗中，將添加了6%、8%、10%、12%和14%的礦渣-納米二氧化硅穩定劑（SNS-S）的路基土與添加10%水泥的路基土（CS-S）相比，探討不同養護齡期和不同SNS含量對路基土穩定效果的影響（如圖1所示）。

從圖1可以看出，隨著路基土養護周期的延長，路基土的無側限抗壓強度先快速增加，后緩慢下降。對標準養護周期為7 d和28 d的試樣，公路路基土的最大無側限抗壓強度分別為4.21 MPa和5.59 MPa，而CS-S的無側限抗拉強度分別為2.84 MPa和3.11 MPa。因此，SNS-S的無側限抗壓強度約為CS-S的1.6倍。隨著穩定劑含量的增加，SNS-S的抗壓強度先增強后緩慢減弱。當含量為10%時，SNS-S的無側限抗壓強度在28 d達到峰值（5.59 MPa），并且SNS-S的抗壓強度值都高于CS-S。

分析上述試驗結果，SNS中的礦渣在穩定初期發生了水化反應，生成Ca（OH）2，并且穩定劑中的納米二氧化硅和生石灰與Ca（OH）2發生水化反應，生成硅酸鈣水合物（C-S-H）凝膠、硅酸鋁鈣水合物（C-A-S-H）凝膠和其他水化反應產物，在土壤顆粒之間起到膠結作用，這也是路基土的強度特性得到改善的主要原因。本試驗中使用的納米二氧化硅的粒徑較小，比表面積較大，因此可以更有效地促進穩定劑中礦渣的水化反應，顯著提高路基土的早期抗壓強度。適當添加SNS可以顯著提高路基土的抗壓強度，但過多的SNS會破壞路基土整體的均勻性，造成納米二氧化硅穩定劑的水化反應產物過多、土壤顆粒之間的間隙增大、土壤表面出現少量裂縫、整體結構發展不完善，導致路基土的強度從峰值緩慢下降。當SNS的含量為10%時，對路基土的抗壓性能的改善最明顯。

2.2 水穩定性試驗

表1為公路路基土的水穩定性試驗結果。表1中的Rw代表標準抗壓強度，Rc代表水浴固化后的抗壓強度，Dw代表強度損失率，Kw代表水穩定性系數。從表1中可以看出，相同含量的SNS-S的水穩定性系數高于CS-S。水浴養護后，SNS-S的Rc比Rw顯著降低。隨著水浴養護時間的增加，路基土的抗壓強度先減弱后增強。CS-S的Rw為2.84 MPa，養護齡期為3 d的CS-S強度損失率最高（Dw為28.17%），水穩定性系數為0.72，SNS-S的Rw為4.45 MPa。養護周期為3 d的SNS-S強度損失率最低（Dw為13.26%），水穩定性系數為0.87。CS-S前期水穩定性系數的下降幅度大于SNS-S，SNS-S后期水穩定性系數下降速度較慢。隨著養護周期的增加，CS-S和SNS-S后期的水穩定性系數逐漸增大，路基土在浸水環境下趨于穩定，進一步表明納米二氧化硅穩定劑可有效地提高路基土的穩定性能。

2.3 凍融循環試驗

表2為凍融循環試驗的結果，其中Rf代表試驗后的抗壓強度（UCS），BDR代表防凍指數。從表2中可以看出，在相同的凍融循環次數下，與CS相比，SNS對路基土的防凍性能有一定程度的提高。隨著凍融循環次數的增加，SNS-S的BDR下降速度快于CS-S；但在不同凍融循環次數下，SNS-S的BDR大于CS-S。

溫度的變化會導致土壤顆粒在凍融循環過程中發生破碎，土壤顆粒之間的分子吸引力降低，土壤顆粒之間的間距變大，土壤中的水相也會交替變化，冰晶結構不斷增加，導致土壤表面出現裂縫。路基土中由水化反應和沸石反應產生的C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠隨著凍融時間的增加而被破壞，最終體現為路基土宏觀力學強度下降。

2.4 微觀結構變化

2.4.1 掃描電鏡測試（SEM）

圖2為路基土掃描電鏡測試（SEM）圖。圖2（a）是放大2 000倍的原始路基土的SEM圖像。從圖2（a）可以清楚地看到，路基土的微觀結構主要是團聚或片狀，沒有觀察到絮凝結構和網狀結構。土壤表面形狀不規則、分布不均勻，結構元素主要是點-面和邊-面接觸，可以觀察到許多黑色陰影，代表土壤顆粒之間或土壤顆粒與礦物之間的間隙。這也表明，土壤顆粒之間顯然缺乏有效連接。當土壤遇到水流時，縫隙會被水填滿，土壤顆粒被軟化，導致土壤的強度特性變差，路面性能降低。

從圖2（b）可以看出，土壤仍然以塊狀團聚體為主。與圖2（a）相比可以看出，土壤表面變得相對平坦，并產生了水化產物，但其水化產物較少，不能起到很好的填充作用。因此，雖然添加少量SNS在一定程度上提高了公路路基的抗壓強度，但是提高的效果并不明顯。

從圖2（c）可以看出，隨著SNS含量的增加，產生更多的針狀鈣礬石晶體（AFt）、C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠。表明隨著SNS含量的增加，早期的水化反應變得更加充分，水化產物顯著增加。針狀晶體和絮凝劑的形成可以有效地填補土壤顆粒之間的空隙，使土壤結構更加緊湊，起到穩定作用。這就解釋了土壤強度隨穩定劑含量的變化現象。同時，從圖2（c）中可以觀察到，早期土壤的微觀結構主要是層狀的，土壤表面有大量的AFt和六方晶Ca（OH）2。與圖2（a）中的原始土壤相比，土壤顆粒之間的間隙明顯減小，土壤顆粒的直接連接方式也變為填充方式，提高了土壤的穩定性。

從圖2（d）可以看出，隨著養護齡期的增加，土壤的微觀結構由片狀結構變為絮狀結構，土壤顆粒之間的間隙明顯減少，這說明隨著養護齡期的增加，水化產物C-H充分參與了C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠的形成，起到膠結和填充的作用。路基土的強度隨著養護齡期的增加而增強，說明相比片狀結構，絮狀結構能更好地提高路基土的強度。

3 結論

通過實驗室和現場試驗，研究新穩定劑的最佳比例及其對路基土的穩定影響，得出以下結論：穩定劑對路基土具有凝膠化和填充作用，并且與傳統的水泥穩定劑相比，新型穩定劑可以有效地提高路基土的強度、水穩定性和防凍性能。穩定劑的最佳含量為10%。將納米二氧化硅摻入路基土，能提升其強度性能和耐久性，滿足公路建設的要求，并且路基土表面存在大量的針狀鈣礬石晶體和六方晶Ca（OH）2，可以有效填充路基土孔隙，進一步表明納米二氧化硅穩定劑可有效提高路基土的穩定性能。

4 參考文獻

［1］田威，李騰，賈能，等.固化劑在黃土路基工程中的研究進展［J］.公路，2021，66（11）：45-52.

［2］李松松.公路橋梁施工中軟土地基施工技術的應用分析［J］.運輸經理世界，2022（35）：95-97.

［3］宋兵偉，宮經偉，鄒平，等.土壤固化劑研究進展及其在溫室修建中的應用前景［J］.鄉村科技，2022，13（3）：156-158.

［4］劉蕾，姚勇，張玲玲，等.EFS固化道路基層抗壓強度試驗研究［J］.施工技術，2020，49（3）：10-13.

［5］池育源.飛灰在膨脹土路基加固處治中的應用［J］.山西交通科技，2016（5）：29-31.