王加龙 田晓燕

(辽宁省交通勘测设计院,沈阳110005)

摘　要:通过对两种不同固化剂在不同剂量情况下稳定粉土的强度、刚度、水稳定性、冻融稳定性及干缩、温缩 等性能的实验研究,分析了水泥基及石灰基的两种固化剂在相同配合比及同一种固化剂不同配合比或不同龄期情 况下的路用性能的变化规律,得出了适当配合比的固化剂稳定粉土能够满足路面基层材料的要求,并结合使用性 能提出了实际应用时应重点注意的问题,为工程应用做了一定的准备。

关键词:固化剂;粉土;基层;路用性能

中图分类号:U414　文献标识码:B　文章编号:1673-6052(2008)12-0004-05

土壤固化剂作为一种新型的工程材料,在国外 被广泛研究,它比水泥、石灰具有更好的经济、环保 效益,被广泛应用于实际工程当中;而在我国道路工 程中的应用处于起步阶段。本研究中,针对内蒙古 敖汉地区的粉土,分别采用SS-108固化剂、CLG固 化剂稳定粉土作为路面基层材料,对其路用性能进 行综合研究。

1原材料性质

1.1　粉土

经调查分析确定,该土产生于第四纪新生代,呈 淡黄色细粒状,硅铝率高达6.35%,Na2O+K2O为 3.9%,非粘土矿物平均含量占74%,最高达89% (主要由石英、长石、碳酸盐、云母组成)。粘土类矿 物平均含量占26%,最低为11%(其中伊利石、蒙脱 石二者占79%,最高达84%),pH=7.1~8.5,其粉 土粒径分析结果见表1,粉土的物理、力学参数见表 2。

1.2　固化剂

常用的固化剂包括粉状和液体两种,固化剂一 般由主剂和添加剂两大部分组成。本研究采用的固 化剂均为粉末状固态固化剂,一种为新加坡进口的 SS-108,呈锈红色,为水泥基固化剂;另一种为江苏 常州生产的CLG,呈灰白色,为石灰基固化剂。主 剂分别由水泥、石灰等材料组成,添加剂主要由羧基 化合物及有较强混合能力的胺基碘酸类等高聚物组 成。在上壤与固化剂混合初期,固化剂与土壤中各 种粒子快速发生反应,生成新的结晶体和土壤组成 密实的网络结构,可以达到固结土壤、提高强度和水 稳性等能力。

2混合料配合比设计

首先从技术、经济角度考虑,拟定固化剂稳定粉 土的若干个可行配合比,然后根据规定的无侧限抗 压强度标准,通过试验选取最适宜于稳定的材料,确 定必须的或最佳的石灰、水泥及固化剂剂量并确定 混合料的最佳含水量、最大干容重。

从表3中可以看出:

(1)SS-108固化剂稳定粉土随固化剂掺加剂 量的增加,7d无侧限抗压强度增长幅度很大,当剂 量由2%增加到3%时无侧限抗压强度增长80%, 剂量由3%到4%及4%到5%时平均增长30%;

(2)CLG固化剂稳定粉土7d无侧限抗压强度 随固化剂掺加剂量的增加而增大,当剂量由2%增加到3%时无侧限抗压强度增长56%,剂量由3% 到4%及4%到5%时平均增长15%。

综合考虑经济性、技术性以及新工艺、新材料、 新技术的应用等因素后,2%SS-108固化剂、4%SS -108固化剂、2%CLG固化剂、4%CLG固化剂四种 固化粉土方案作为本次研究的推荐配合比。 3固化剂稳定粉土抗压强度、劈裂强度及刚度特 性的试验研究

基层必须能够承受车轮荷载的反复作用,即在 预定设计标准轴次反复作用下,基层不应产生过多 的残余形变,更不应发生疲劳弯拉破坏,这主要取决 于基层材料本身的整体强度及刚度。无侧限抗压强 度是材料强度中最常用也是最容易测量的一个指 标;规范规定对高等级公路的路面应进行弯拉应力 检验,但由于半刚性基层材料的抗弯拉试验难以实 施,而抗弯拉强度与劈裂强度、抗压强度之间有较好 的相关关系,因此用劈裂强度试验替代抗弯拉强度 试验;抗压回弹模量是路面结构设计中进行力学验 算或厚度计算的一个主要参数。对以上指标进行试 验,结果见表4。

从表4中可以看出:

(1)固化剂稳定粉土无侧限抗压强度、劈裂强 度及抗压回弹模量均随龄期增加而增长,且开始时 增长较快,后期变缓;

(2)固化剂稳定粉土强度生成较快,7d龄期无 侧限抗压强度达180d抗压强度的70%~80%,说 明两种固化剂稳定粉土具有早强性,所以使用固化 剂稳定粉土可以缩短养生时间,加快工程进度;(3)4%CLG和4%SS-108稳定粉土的各龄期 抗压强度、劈裂强度分别是2%CLG和2%SS-108 稳定粉土抗压强度、劈裂强度的2倍和3倍左右,当 固化剂剂量不足时其各龄期强度均较低,因此合适 剂量是保证得到有一定强度的稳定土的必要条件。 同时说明施工中剂量的准确及拌和的均匀性都将对 基层使用性能产生较大影响。

4　固化剂稳定粉土水稳定性试验研究 进入路面结构层的水分使基层或底基层材料强度降低,从而可能导致沥青面层在车辆荷载作用下 产生过早破坏。所以,水稳定性是考察半刚性基层 材料稳定性的重要方面之一。

试件的尺寸为:直径×高=5cm×5cm,密实度 为95%。经恒温恒湿养生48h后置于水中养护,养 护温度为20±2℃,龄期分别为7d、28d、90d和 180d。水稳系数按下式计算,结果见表5。

从表5中可知:

(1)SS-108固化剂稳定粉土水稳系数大于 CLG固化剂稳定粉土的水稳系数;

(2)固化剂稳定粉土的水稳定性均随水中养生 龄期的增加而逐渐减小,从7d龄期到28d龄期的减 小量最大,随后减小量变小;

(3)2%CLG稳定粉土的各龄期饱水养生抗压 强度均较低,其余混合料的各龄期饱水养生强度均 大于或接近1MPa,能满足路面基层强度的基本要 求,可以作为低等级公路的路面基层。

5.固化剂稳定粉土抗冻性能的试验研究 在地下水位接近地表或路基两侧有长期积水的 情况下,通过毛细水的作用,路面结构层内会发生水 分重分布现象,如这些材料层位于冰冻深度范围内, 则可能发生聚冰带,到春融化冻期间,材料强度将明 显下降,导致路面整体承载能力明显下降,甚至发生 破坏,因此抗冻性能是评价半刚性基层材料耐久性 的关键指标。可以通过低温冻融试验,研究混合料 抵抗冻融破坏的能力。

把成型试件经恒温、恒湿养生28d后,放入冰箱 内,在-20±2℃条件下冻24h,然后恒温恒湿养护 箱解冻24h,养护温度为20±2℃,养护湿度为 90%,即为一次冻融循环。

如此经过五次冻融循环后测定试件的无侧限抗 压强度,以28d龄期经过五次冻融循环后的抗压强 度与28d龄期饱水抗压强度的比值作为抗冻系数K 值,结果见表6。

从表6可知:

(1)经过反复冻融循环后,各混合料强度都出 现了下降,但下降的幅度不同,表明冻融循环对不同 混合料强度产生的影响不同。

(2)经过几个循环之后,试件会有剥落、开裂及 整个试件塌陷的现象。塌陷往往发生在融化之后, 是由于冻融交替比单纯长期冻结破坏性更大。

(3)经过5次反复冻融以后,4%SS-108稳定 粉土、4%CLG稳定粉土的强度大于1MPa,能满足路 面基层强度的基本要求。

(4)对比SS-108及CLG固化剂稳定粉土两个 不同剂量的抗冻性能可知,随固化剂剂量增加,抗冻 性能增长明显。

(5)固化剂稳定粉土的抗冻系数均较低,特别 是2%比例时,强度不足0.5MPa,抗冻系数50%左 右;4%比例时,强度分别达到1.32和2.05MPa,抗冻系数65%~75%。因此,在设计及施工中应引起 足够的注意,在地下水位接近地表或路基两侧有长 期积水等可能发生冻融破坏时,应采取相应引排水 及防水措施,避免冻融作用对路面的破坏。

(6)加固土的抗冻性能与材料中空隙率、颗粒 间联结强度、液相中离子浓度等多因素有关。其中 颗粒间联结强度对抗冻性能起着主要作用。若颗粒 间联结强度高,足以抵消因冻胀作用引起的内应力, 则材料的抗冻性能就好,冻稳定系数就高;反之,则 容易发生冻融破坏。

6　固化剂稳定粉土收缩性能的试验研究

在沥青路面使用过程中,半刚性基层引起的反 射裂缝是沥青路面早期破坏的主要原因,因此收缩 性能是影响其使用的重要因素。收缩包括干燥收缩 和温度收缩。

6.1　稳定粉土干燥收缩性能

以各种混合料的最佳含水量和最大干容重制作 小梁试件,其规格为:长×宽×高=24cm×5cm× 5cm。在标准养护室内养护7d,养生温度为25± 2℃,相对湿度大于90%,养生过程中要保持试件的 原始含水量基本不变。养生结束后置于自然状态, 通过千分表测量不同时间试件的干缩量。

从图1可看出:

(1)四种混合料的干缩应变顺序为:4%CLG稳 定粉土>2%CLG稳定粉土>4%SS-108稳定粉土 >2%SS-108稳定粉土。

(2)四种混合料干缩应变随时间增长的变化规 律基本一致,干缩应变均随着时间的增加而变大,改 变量则随着时间的发展而逐渐变小,最后干缩应变 趋于稳定。

(3)CLG固化剂的干缩量较SS-108大,主要 是因为CLG固化剂与土发生火山灰反应而生成的 产物具有强烈的层间水作用,层间水蒸发较慢,所以 使混合料在后期具有较大的干缩量。

6.2　稳定粉土温度收缩性能

温缩试验采用的小梁制作和养生方法与干缩相同,但需养生28d,期间保持含水量不变。 将养生28d的被测试件在60℃条件下烘干 24h,除去试件中的游离水分后,和标准温度补偿试 件以半桥法依次接入应变仪,将试件与标准补偿试 件放入恒温箱中。按预定初始温度15℃恒温24h, 在24h末时,将全部测点的读数调零,同时进行电 容、电阻平衡调节。待完成后,即以5℃为温度差进 行降温,恒温24h,读取应变值。再往下一温度降 温,直到最低温度-25℃为止。

从图2可看出:

(1)当温度从15℃降到-25℃时,四种混合料 的温缩应变顺序为:4%SS-108稳定粉土>2%SS -108稳定粉土>4%CLG稳定粉土>2%CLG稳定 粉土。

(2)四种混合料温缩应变随温度降低而变化的 趋势相同,在15℃~-5℃的区间内温缩应变改变 量很小,而从-5℃开始温缩应变随温度下降而急剧 增加。

这是因为:随温度T的下降,毛细管中弯液面 内外压力差ΔP和弯液面表面张力增大,只有当这 种作用力超过毛细管壁颗粒内部的连接力时,才发 生材料整体收缩,在高温区间时毛细管中弯液面内 外压力差ΔP和弯液面表面张力较小,所以随温度T 的下降,整体收缩变化很小。所有试件虽然经过了 烘干过程,可排除重力水以及开放孔隙中的毛细水, 但无法排除密实试件内部的毛细水、浓差渗透水等 全部弱结合水,弱结合水冰点大都在0℃~-10℃, 结冰冻结后体积增大,抵消了部分收缩变形,但由于 这部分水的含量极少,所以冰冻作用不明显。两者 相互作用结果表现在图2上就是从温缩开始整体收 缩有微量增加,并有一定波动。当T<-5℃后,毛 细管张力大于颗粒的连接力,同时大部分孔隙水已 经结冰,而冰具有较大的收缩系数(α1=30× 10-6/℃),所以整体收缩急剧增加。

6.3　收缩性能综述

(1)总体而言,CLG固化剂稳定粉土干缩系数 大于SS-108稳定粉土干缩系数;而对于温缩系数 则是SS-108固化剂稳定粉土温缩系数大于CLG 稳定粉土温缩系数。但由于混合料的温缩系数比干 缩系数要小一个数量级,温缩系数介于50×10-6~ 70×10-6之间,而干缩系数介于450×10-6~1050× 10-6之间,因此混合料的收缩性主要受湿度的影响, 干燥收缩是半刚性基层材料收缩的主要原因。所以 综合干燥收缩和温度收缩来看,CLG固化剂稳定粉 土收缩系数大于SS-108固化剂稳定粉土收缩系 数。

(2)不同材料稳定粉土的温缩性能相差很小, 且抗裂系数较高;不同材料稳定粉土的干缩性能差 别很大,干缩抗裂性能最好的是2%SS-108稳定粉 土,最差的是8%石灰稳定粉土。

(3)随结合料剂量增加,温缩系数增大,4%剂 量时两种固化剂的温缩系数都较2%剂量时要大, 这主要是因为原材料各矿物的温度收缩性一般较小 (α1=10×10-6/℃),而反应生成的胶结物有较大 的温度收缩性(α1=20×10-6~30×10-6/℃)。

(4)对比本试验结果与文献[1]所述半刚性基 层材料的干缩系数可知,固化剂稳定粉土的干缩性 较大,因此在实际应用中应注意采取控制施工含水 量、碾压结束后及时养生、养生结束后及时铺筑沥青 封层或沥青面层等措施,防止半刚性基层开裂。

7.结论

通过以上分析可以看出:

(1)固化剂稳定粉土强度及刚度均随固化剂剂 量及养生龄期增加而增长;

(2)固化剂稳定粉土具有早强性,使用固化剂 稳定粉土可以缩短养生时间,加快工程进度;

(3)固化剂稳定粉土的饱水养生强度均大于或 接近1MPa,能满足路面基层强度的基本要求;

(4)固化剂稳定粉土的抗冻系数均较低,在设 计及施工中应引起足够的注意,在地下水位接近地 表或路基两侧有长期积水等可能是路面结构层内富 含水分而发生冻融破坏时,应采取相应引排水及防 水措施,避免冻融作用对路面的破坏;

(5)固化剂稳定粉土的干缩性较大,因此在实 际应用中应注意采取控制施工含水量、碾压结束后 及时养生、养生结束后及时铺筑沥青封层或沥青面 层等措施,防止半刚性基层开裂。

(6)实际应用时,固化剂稳定粉土的配合比应 结合当地的地形、地质、水文及工程环境等因素,综 合考虑确定。

参考文献

[1]沙庆林.高等级公路半刚性基层[M].人民交通出版社.1998,9.

[2]沙爱民.半刚性路面材料结构与性能[M].人民交通出版社. 1998,5.

[3]JTJ057-94,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S]..

[4]王加龙,稳定粉土路面基层材料的研究.重庆交通学院.2004.