土壤固化剂稳定粉质黏土性能的试验研究 
    徐　平,　乐金朝,　马清文,　闫东明 
    (郑州大学水利与环境学院,河南郑州450002) 
    摘要:以河南省境内某段高速公路附近的粉质黏土为原材料,通过室内试验,首先对比了掺或不掺 固化剂的情况下,水泥质量分数分别为5%,10%,15%和20%时集合料的7 d无侧限抗压强度,结 果表明掺固化剂能明显提高集合料的无侧限抗压强度;其次制备了不同配合比的集合料试件,分析 了水泥和固化剂含量对集合料最大干密度、最佳含水量、7 d和28 d无侧抗压强度、28 d间接抗拉 强度的影响,综合试验结果与成本等因素,选定了最优配合比为m(水泥)∶m(固化剂)∶m(粉质黏 土)=4∶8∶88;最后,对该最优配合比进行了延迟和干缩等路用性能试验及SEM微观分析,并在 某高速公路选取100 m的底基层进行了现场试验和追踪调查,结果表明上述最优配合比集合料完 整密实且强度较高,未出现病害,路用性能较好. 
    关键词:粉质黏土;固化剂;无侧限抗压强度;间接抗拉强度;延迟;干缩 
    中图分类号:U414.1　文献标志码:A　doi:10.3969/j.issn.1007-9629.2010.01.012 
    直接选用土壤这一最经济、来源最广的材料来 修建道路,可以减少砂石用料、保护山林和水源等自 然生态环境,但土壤的强度往往达不到工程要求,因 此需要对其进行处理,目前常用方法是掺加石灰和 粉煤灰形成二灰稳定土,但其强度、密度的影响因素 比较多,也比较复杂,若掌握不好,轻则影响质量,重 则导致失败,不少文献都进行了掺加土壤固化剂的 研究尝试[1-5].
    我国自20世纪90年代开始引进和研 制土壤固化剂[6-7],但由于气候与土壤条件以及所依 据技术规范要求的不同,多数液体固化剂无法在我 国直接使用,也无法满足我国现有规范对其水稳性 的要求,并且对土壤的稳定作用缓慢而复杂[7].国内 掺加土壤固化剂的固化土普遍存在强度低、抗渗能 力差和抗冻性差等缺点,多数达不到工程上对其耐 久性的要求,而将固化剂稳定土用于修筑高等级公 路基层更是缺乏有力依据[8]. 
    为了提高固化剂稳定土的物理、力学性能,本文 提出了在固化剂基础上再掺加水泥的方案,并以河 南省境内某段高速公路附近的粉质黏土为原材料, 采用粉末状固化剂,通过一系列室内试验得到了以 水泥(C)、固化剂(SA)、粉质黏土(SC)为基层填料 的最优配合比、无侧限抗压强度、间接抗拉强度、延 迟时间和干缩应变等室内试验指标,为工程应用提 供了参考依据. 
    1　配合比对集合料物理、力学性能的 影响 
    1.1　掺或不掺固化剂的集合料强度对比 
    对原材料土体进行常规室内试验,测得其液限 ωL=20%,塑限ωp=5%,塑性指数Ip=15,土体处 于塑限时的锥入深度为6.96 mm,由此可判断该土 体为低液限粉质黏土. 
    为了拌和均匀,固化材料采用路丰牌I号粉末 状固化剂(主要成分为粉煤灰和添加剂)和42.5级普 通硅酸盐水泥.首先分析掺固化剂对集合料强度的 影响,根据相关规范[9],制备了固化剂掺量分别为0 (不掺)和5%1),水泥含量分别为5%,10%,15%和 20%的50 mm×50 mm圆柱体试件各5个,其7 d 平均无侧限抗压强度f-c,7 d与固化剂含量的关系如 图1所示.从图1可以看出,对于不同的水泥含量, 增加固化剂均可明显提高集合料的f-c,7 d,提高值都 超过了1.0 MPa. 
     
    1.2　配合比对集合料最大干密度的影响 
    在同一压实功作用下,基层材料最大干密度增 大,说明其致密程度增大,承载能力提高.为了分析 配合比对集合料致密程度的影响,制备了配合比(m (C)∶m(SA)∶m(SC))不同的100 mm×127 mm 圆柱体试件各6个.通过室内击实试验,测得各组试 件的平均最佳含水量w-o和平均最大干密度ρ-d,max, 结果见表1. 
     
    从表1可以看出,水泥和固化剂的含量对集合 料w-o的影响较小,而对其ρ-d,max的影响较大,根据 表1绘制了集合料的ρ-d,max等值线,如图2所示.由 图2可见,集合料ρ-d,max等值线的走向大致与纵轴平 行,即:(1)当固化剂含量一定时,集合料ρ-d,max受水 泥含量的影响较小,其变化幅度不大;(2)当水泥含 量一定时,集合料ρ-d,max随固化剂含量的增大而增 大,表明掺固化剂有利于提高集合料的致密程度. 
    1.3　配合比对集合料抗压强度的影响 
    根据表1配合比制备50 mm×50 mm圆柱体 试件各12个,测得其7,28 d无侧限抗压强度fc,7 d, fc,28 d及其平均值f-c,7 d,f-c,28 d(见表2). 根据表2绘制了集合料f-c,7 d和f-c,28 d的等值 线,如图3,4所示. 由图3,4可见,二者规律基本相同,即f-c,7 d和 f-c,28 d都随水泥、固化剂含量的增大而增大. 
     
     
     
    式(1),(2)反映的规律基本相同,fc,7 d和fc,28 d都随 固化剂含量的增大而增大,而且与固化剂含量之间 存在很好的线性相关性,拟合直线斜率分别为24.5 和44.0,因此f-c,28 d随固化剂含量的增大程度大于 f-c,7 d. 
    1.4　配合比对集合料28 d间接抗拉强度的影响 
    根据表1配合比,制备了50 mm×50 mm圆 柱体试件各6个,由劈裂试验得到了集合料28 d间 接抗拉强度ft,28 d及其平均值f-t,28 d,见表3. 
     
    根据表3绘制了集合料ft,28 d的等值线,如图5 所示.由图5可见:(1)当固化剂含量一定时,f-t,28 d 受水泥含量的影响较小;(2)当水泥含量一定时, f-t,28 d随固化剂含量的增大而增大,即掺固化剂有利 于集合料间接抗拉强度的提高. 
     
    式(3)表明:w(C)=4%时,f-t,28 d随固化剂含量 的增大而增大,两者之间存在很好的线性相关性,其 相关系数R2达到了0.99.式(4)~(6)表明:固化剂 含量一定时,f-t,28 d随水泥含量的增大而增大,但增 大的速率较小,其斜率都小于式(3)中的斜率6.45, 也就是说,增大固化剂含量对于提高试件劈裂强度 的效果比增加水泥含量的效果要好一些,这与由图 5得到的结论是一致的. 
    1.5　最优配合比的选取 
    虽然配合比(m(C)∶m(SA)∶m(SC))为4∶ 12∶84和2∶10∶88时的ρ-d,max最大,分别为 2.006,2.002 g/cm3,但前者的固化剂含量太大,工 程应用不太经济,后者的水泥含量太小,会直接影响 集合料的强度,而配合比为4∶8∶88和6∶6∶88 时的ρ-d,max分别为1.998,1.997 g/cm3,接近最大值 2.006 g/cm3,并明显大于其他数值,其中的固化剂 和水泥含量也比较合适;配合比为4∶8∶88和6∶ 6∶88时集合料的f-c,7 d,f-c,28 d,f-t,28 d依此为3.8, 5.4,0.71 MPa和4.2,5.4,0.65 MPa,前者的f-c,7 d 较低,但f-c,28 d已与后者相当,而且其f-t,28 d大于后 者.在道路的抗压能力都满足设计要求时,应着重考 虑其抗拉能力,因此,m(C)∶m(SA)∶m(SC)=4∶ 8∶88为最优配合比. 
    2　最优配合比的部分性能研究 
    2.1　延迟试验 
    按最优配合比制备50 mm×50 mm圆柱体试 件各6个,测得不同成型延迟时间t时集合料7 d无 侧限抗压强度fc,7 d、平均值f-c,7 d和95%概率值 fc,7 d,0.95,见表4. 
     
    从表4可以看出,最优配合比集合料的f-c,7 d基 本上随延迟时间的增大而减小,延迟8 h时集合料 的f-c,7 d比不延迟时降低了0.6 MPa,尽管如此,其 fc,7 d,0.95还是比较大(为2.7 MPa,大于设计抗压强 度值(2.5 MPa)). 根据表4数据可得到集合料f-c,7 d,fc,7 d,0.95随 延迟时间变化的拟合方程: 
     
    从上式可以看出,集合料fc,7 d与延迟时间之间 存在很好的线性相关性,其相关系数为0.95.另外 由表4还可看出,延迟4,6 h时,f-c,7 d比不延迟时分 别降低了0.3,0.7 MPa,因此,为保证公路的基层具 有足够强度,就必须在集合料拌和4 h内进行碾压. 
    2.2　干缩试验 
    以最优配合比制备15 mm×15 mm×400 mm 长方体试件共6个,养护7 d后,在自然条件下测其 干缩变形,以收缩为正,试件的纵向变形与干缩时间 的关系如图7所示.从图7可以看出,试件的纵向变 形在最初的4 d(96 h)里变化最大,之后变得平稳, 并最终趋于稳定,也就是说,集合料成型后的前4 d 是收缩变形的主要阶段,最大干缩应变为335× 10-6,满足设计要求. 
     
    2.4　工程应用 
    河南境内某段高速公路底基层原设计为水泥稳 定碎石,设计强度为2.5 MPa.经业主同意,选取 100 m的试验段(K14+500~K14+600),以固化剂 稳定细粒土作为底基层,强度要求与原设计一致. 现场试验时,底基层材料采用上述所研究的粉 质黏土并按配合比m(C)∶m(SA)∶m(SC)=4∶8 ∶88进行固化处理,施工步骤如下:准备下封层→ 施工放样→备料摊铺土→洒水→拌和闷料→整平轻 压→摊铺水泥和固化剂→拌和→整形→碾压→养 生. 
    现场养生7 d后,在行车道和紧急停车道各钻 取1个芯样,测得其无侧限抗压强度都达到了设计 要求.试验段路面平整密实,无松散和弹簧现象,线 型顺直,无明显轮迹.目前,整条高速公路已运营2 a 多,通过现场追踪调查,试验段路面未出现任何的深 陷、裂缝、坑槽、车辙、龟裂、泛油等常见病害. 
    3　结论 
    1.当水泥含量分别为5%,10%,15%,20%时, 掺固化剂能明显提高集合料的抗压强度. 
    2.集合料的7,28 d无侧限抗压强度都随固化 剂、水泥含量的增大而增大;其最大干密度和28 d 间接抗拉强度随固化剂含量的增大而增大,但受水 泥含量的影响较小. 
    3.综合最大干密度、抗压和抗拉强度、经济等因 素,认为最优配合比为m(C)∶m(SA)∶m(SC)=4 ∶8∶88. 
    4.以最优配合比制备的集合料有以下主要性 能:其7,28 d抗压强度的平均值和95%概率值都大 于设计强度(2.5 MPa);28 d劈裂强度的平均值和 95%概率值分别为0.71,0.62 MPa;为了保证基层 具有足够的强度,必须在集合料拌和4 h内对其进 行碾压;集合料成型后的前4 d是其收缩的主要阶 段,其最大干缩应变满足设计要求;养护60 d的集 合料致密程度较高,大部分区域形成了坚固联结,使 其强度大大提高.工程应用实践表明,以最优配合比 集合料修筑的底基层芯样完整密实且强度较高,运 营2 a多未发现任何病害. 
    参考文献:略