一種蓄水型土壤固化技術在公路基層中的應用研究

黃結友,謝 軍,湯 浦,陳 焱,仲 正

（1.江西省公路學會,江西 南昌 330008; 2.江西路道環?？萍加邢薰?江西 南昌 330099）

0 引言

我國經濟社會發展迅速，帶動了國內基建工程的發展，到2022 年末全國公路總里程達到534.65 萬公里[1]。公路基礎設施建設已經進入一個全新的發展階段。然而公路建設保持高速發展的同時，所面臨的路面病害問題也不容忽視。大量研究數據及使用經驗表明，水是造成路面早期病害的一個重要因素。例如在多雨及季節性冰凍地區，若路面上的雨水或冰雪融水無法及時排出而滲入結構層，容易損害路面結構強度及剛度；若路面被雨水長期浸泡，則會進一步加重病害。為此，需要研究一種新型的土壤固化技術，讓公路基層能夠滿足要求。

伴隨著“海綿型”城市建設對公路建設要求的不斷提高，傳統的公路基層處理方法已經難以滿足要求。長期治理過程中，隨著“海綿型”城市建設理念的推廣，透水路面的應用越發受到廣泛重視。其特有的功能性能夠在充分利用現有土地資源的情況下，最大限度地實現對城市道路的雨水進行及時有效滲透、匯集，使得道路內部結構保持“干燥”，讓公路會“呼吸”。接下來就介紹了一種蓄水型土壤固化技術，該技術具有良好的固化作用，并且能有效滿足“海綿型”城市建設的高要求。

1 研究方法及目標

（1）通過查閱現有技術規范，明確需要達到的設計指標及試驗檢測方法。

（2）根據選定的原材料，通過試驗選取最佳配合比。

（3）鑒于空隙的形成機理，在確定固化土配合比的前提下，通過改變壓實度控制混合料空隙率，驗證常見壓實度條件下混合料各項性能是否穩定滿足道路基層的各項檢測指標要求。

（4）展望蓄水型固化技術在公路基層以外的應用前景。

2 具體研究內容

2.1 蓄水型固化土設計指標研究

蓄水型固化土的材料組成設計時必須同時滿足水力性能和力學強度兩個指標。表征該材料水力性能的有效指標是有效空隙率；而基層材料的力學指標包含7 d 無側限抗壓強度、水穩定性系數以及28 d 養護試塊凍融5 次殘留抗壓強度比。

考慮到實用性，該研究將分別對90%壓實度和95%壓實度成型的蓄水型固化土材料進行水力性能和力學強度分析，驗證其是否能夠達到設計指標要求。

2.1.1 水力性能指標

蓄水型固化土作為半剛性基層路面的透水基層，其主要的功能就是使滲入路面結構內的水分能夠在每一次降水過程之后在一定時間內排除，同時在非雨季時對雨水進行一定程度的儲存，緩解城市“熱島效應”，而實現上述功能要求滲水混合料具備一定的空隙率。當前規范尚未對用作路面透水層時水穩碎石的空隙率做出明確要求，僅在研究層面，當控制水穩碎石排水基層空隙率范圍為15%~25%時，通過正交化群方法，得出路面透水表層形成連通空隙的臨界空隙率為17.22%[2]這一結論，透過面層進入基層的水已大量減少，因此相應的空隙率要求也應該隨之降低?？障堵士障斗譃檫B通空隙、半連通空隙和封閉空隙3 種。僅從排水角度講，起作用的是連通空隙，而半連通空隙中的水相對停滯，對排水作用不大，但是對于蓄水來說是有效的。因此，對于蓄水型固化土，考慮其整體空隙率意義不大，僅需考慮由連通空隙及半連通空隙組成的有效空隙率即可，它的測量可通過混合料吸水量進行反推。

由于混合料的被穩定材料試件表面光滑，可直接測得試件體積。因此有效空隙率可按下式計算：

式中，ne——試件的有效空隙率（%）；?m——試件吸水后質量變化量（g）；V——試件毛體積（cm3）；γw——水的密度（g/cm3）。

2.1.2 力學強度指標

蓄水型固化土材料在組成上不僅應該滿足其透水、蓄水的功能，由于它在路面結構中擔當著承上啟下的作用，并且要承受荷載的作用，因此，應在保證滲透性的前提下滿足力學強度的要求。另一方面，當面層滲入水以后，在車輛荷載作用下還要承受動水壓力以及凍融循環作用。因此混合料應具有良好的無側限抗壓強度、劈裂強度、水穩定性及抗凍性能等物理力學性質。

（1）蓄水型固化土7 d 無側限抗壓強度。當前規范尚未有針對蓄水型固化土排水路面基層強度做出明確要求。參考現有固化土相關規范《T/CHTS10103—2023》對一般固化土路面基層的強度要求，考慮到排水基層內部存在空隙，強度受此影響必然有所降低，因此選取蓄水型固化土7 d 無側限抗壓強度≥2 MPa，該指標可滿足中、輕交通等級路面基層要求。

該課題7 d 無側限抗壓強度試驗方法參照現行《公路工程無機結合穩定材料試驗規程》（JTG E51）中T 0805的方法執行。

（2）蓄水型固化土水穩定性。該研究采用的控制指標為水穩定性系數，綜合參考國內固化土材料相關規范以及考慮內部空隙將會導致的水穩定性下降，要求水穩定性系數≥75%。具體試驗檢測方法如下：

同一配比的穩定土制備12 個無側限抗壓強度標準試件，6 個一組，共兩組。

一組試件采用標準養生齡期7 d，其中養生齡期最后一天浸于（20±2）℃的水中（飽水試驗），另一組采用標準養生7 d 齡期（不浸水）。

對上述兩組試件分別開展無側限抗壓強度試驗，并通過式（2）計算穩定土的水穩定性系數。

式中，WSC——水穩定性系數（%）；——未浸水試件的無側限抗壓強度（MPa）；——浸水試件的無側限抗壓強度（MPa）。

（3）蓄水型固化土抗凍性能。蓄水型固化土基層材料可能會長期處于潮濕狀態，那么其抗凍性能會在很大程度上影響結構層的耐久性能。在季節性冰凍地區，這一性能尤為重要。目前規范尚未對蓄水型固化土排水基層的抗凍性能做出明確規定。該研究采用的控制指標為28 d 養護試塊凍融5 次殘留抗壓強度比，綜合參考國內固化土材料相關規范，確定其數值為75%。

該課題抗凍性能試驗方式參照現行《公路工程無機結合穩定材料試驗規程》（JTG E51）中T 0858 的方法。

2.2 蓄水型固化土配合比設計及試驗結果

2.2.1 原材料技術要求

（1）固化劑：

①無機類固化劑。無機類土壤固化劑即由無機化合物制成的一類化學物質，如常見的水泥、石灰等。其原理主要為固化劑與土顆粒中的自由水發生水解、水化反應，通過生成Ca(OH)2、CaCO3等膠結物，將土體中自由水固定為結晶水。黏土質礦物失水后本身存在一定硬化強度，加之膠結物的黏結、空隙填充作用，改良素土工程性能。

②有機類固化劑。有機類土壤固化劑的分子量較大，自然條件下一般呈液態。該類固化劑固化機理多基于物理形式，并非對土顆粒進行改造，而是利用高分子單體發生聚合反應，在土壤內部形成網狀的三維支撐結構，又通過水解、電離等反應產生帶電基團，這些基團與土壤中的帶電粒子連接，將土顆粒黏結成板塊，提高土體強度。

③離子類固化劑。離子類固化劑其主要成分為一種或多種離子化合物，常見的包括鈣離子、鋁離子、鐵離子等。這些離子可使土體內部自由水中的電荷與土粒表面電荷充分交換，壓縮土顆粒表面的雙電層厚度，同時減少土體內部間隙的毛細管作用，從而改變土壤性質，由“親水性”變為“憎水性”，再通過機械壓實形成一種高密度的新型土壤結構，提高具體強度。

該課題選用的SRR-W 蓄水型固化劑，它以高分子聚合物類固化劑為基礎，添加水分散環氧齊聚物以提高強度；添加多元醇化合物平衡土體電荷需求，使混合料呈“憎水”性，減弱水與材料的黏滯性，提高滲透系數；添加發泡劑，使材料內部形成均勻的聯通空隙，實現透水－蓄水性能。

（2）水泥?；旌狭系陌韬?、運輸、攤鋪以及碾壓，整個流程一般不少于2 h，因此在選用水泥時，應選用終凝時間較長的水泥種類；由于固化劑的固化機理，需選用硅酸鹽水泥，并滿足以下要求：

①水泥初凝時間應大于2 h，終凝時間應在6~10 h。

②水泥的其余技術要求應符合現行《通用硅酸鹽水泥》（GB175）的有關規定。

該課題所采用的水泥為海螺牌425 水泥。

（3）被穩定材料。該課題被穩定材料為細粒土，無需進行級配研究。參考《高聚物穩定細粒土基層施工技術指南》（T/CHTS 10102—2022）中對被穩定材料的技術要求，該課題選用的是塑性指數大于17 的細粒土。

（4）石灰。石灰在蓄水型固化土材料中的作用不為增加材料強度或穩定性等性能，而是當被穩定材料塑性指數＞17 時，需通過悶灰進行鈣化處理，使水泥、固化劑和被穩定材料能均勻拌和。

該課題所采用的石灰為粒徑不大于9.5 mm 的Ⅱ級石灰。

2.2.2 配合比設計

（1）初步配合比設計。不考慮壓實度影響的前提下，配合比的選取可參照《高聚物穩定細粒土基層施工技術指南》（T/CHTS 10102—2022）技術要求進行，具體如下：

無機結合料劑量和固化劑摻量可參照下表規定的范圍選取，且不宜少于5 個無機結合料劑量和2 個固化劑摻量。

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51）中T 0804 擊實試驗方法，確定最大、中間和最小2個無機結合料劑量條件下混合料的最大干密度和最佳含水率，其他兩種無機結合料劑量的最佳含水率根據內插法確定。

固化劑的添加對含水率的影響非常小，因此，在確定最大干密度和最佳含水率時不考慮添加固化劑。

根據最佳含水率、最大干密度及壓實度要求成型標準試件，測定不同無機結合料劑量和固化劑摻量條件下混合料的7 d 無側限抗壓強度，確定滿足設計要求的無機結合料劑量和固化劑摻量。

對于滿足強度要求的混合料試件應開展水穩定性和抗凍性能試驗；當所有試件不滿足要求時，應調整配合比重新試驗。

配合比設計流程如圖1。

圖1 配合比設計流程圖

根據所選原料及配合比設計流程，確定研究的最佳設計配合比為表1。

表1 最佳設計配合比

（2）壓實度影響。根據《高聚物穩定細粒土基層施工技術指南》（T/CHTS 10102—2022），固化土基層壓實度要求一般在90%~95%之間，選取90%及95%兩個壓實度下成型的試件分別進行水力性能和力學強度性能的研究，得到以下試驗結果，如表2~3：

表2 90%壓實度

表3 95%壓實度

3 結語

通過試驗室大量試驗數據及現場施工工況，在規范的壓實度條件下蓄水型固化土力學強度均能滿足公路基層設計值，且均具備較好的蓄水性能，蓄水性能的大小隨壓實度增大而降低。通過上文的分析就蓄水型土壤固化技術檢測標準的設定進行了優化，可以為相關檢測提供依據。同時，還提出了一套配合比方案，通過驗證，該方案能夠滿足公路排水基層的應用要求。蓄水型土壤固化技術不僅可用于排水路面基層、護坡、停車場、公園等城市建設方面，在防塵治沙、固土培植等領域更有著巨大的潛在市場。