郭柏林1,汪益敏1,陈页开1,郭德应2,陈土荣2

(1.华南理工大学,广东广州　510640;2.广东省湛江市公路管理局)

摘要:结合广东省湛江市徐闻县境内修建的农村公路,利用ISS(Ionicsoilstabilizer) 离子土壤固化剂加固土作为道路基层,开展了ISS加固含砂高液限粉土的室内和现场试验研 究。离子土壤固化剂加固土的强度和水稳性相比素土有较明显的提高,收缩性显著降低,土 的工程性能得到明显改善。根据室内试验结果,确定了ISS加固含砂高液限粉土的配合比, 修筑了长度为600m的ISS加固土基层试验路,提出了ISS土壤固化剂加固土作为低等级道 路基层的施工工艺和技术要点。对试验路进行了弯沉检测、评价以及跟踪调查,结果表明,离 子土壤固化剂加固土基层使用效果良好。

关键词:ISS固化剂;低等级道路;基层;无侧限抗压强度;弯沉

1　引言

2005年经国务院审议通过的《农村公路建设规 划》指出,本世纪前20年农村公路建设的总体目标是: 具备条件的乡(镇)和建制村通沥青(水泥)路,基本形 成较高服务水平的农村公路网络,使农民群众出行更 便捷、更安全、更舒适,适应全面建设小康社会的总体 要求。可见,随着国家对农村公路建设的高度重视,以 后一段时间内的农村公路建设将会得到很大的发展。 对于我国广大农村地区,修筑道路普遍会遇到资金缺 乏的问题。如果能直接利用沿线或附近的土料作为路 面结构层材料,这无疑会较大地降低工程费用;但是由 于土料强度低和水稳定性差等原因,一般都不能直接 作为路面材料。所以,迫切需要寻找一种能提高土料 工程性能的方法。本文提出了利用离子固化剂ISS (Ionicsoilstabilizer)加固土的方法,并结合广东省湛 江市徐闻县境内的一条农村公路基层的加固工程实 践,对ISS固化剂加固含砂高液限粉土进行了室内试 验研究,并对现场试验段进行弯沉检测和评价,最后提 出了施工要点,可为同类工程提供参考和借鉴。

2　ISS固化剂对土的加固作用机理

离子固化剂是一种由多个强离子组合而成的化学 物质,一般为液态。ISS主要是利用高效离子交换作 用,使土体结构中的吸附水游离出来,且不可逆地脱离 土壤颗粒,使土体易于压实,土的密实度、承载力和水 稳定性得到有效的提高。ISS固化剂对土的加固作用 机理主要表现为以下几个方面。

2.1　离子交换作用减薄粘土表面双电层厚度

粘土颗粒具有较大的比表面能,可与空隙中的水 溶液相互作用,在土粒表面形成双电层。通常双电层 厚度越大,土的强度和稳定性越低。当水溶液的成分、 浓度和pH值发生变化,双电层的性状也会发生改变, 导致土的工程性质发生变化。ISS是一种水溶性液 体,用水稀释后,迅速离子化,使溶液呈高导电性。同 时,它是一种酸性物质,经测试,ISS原液的pH值约 为1.25。ISS稀释液与土拌和后,其中含有的大量高 价离子,置换出土中的低价阳离子后,促使土粒对水的 吸附能力减弱,扩散层厚度减薄,土颗粒间粘结增强。 2.2　表面活性剂改善粘土-水界面的表面特性 土的强度和稳定性与其含水量密切相关,如抗压 强度、抗剪强度、水稳定性等都随含水量的变化而变 化。ISS固化剂中的表面活性剂对粘土-水界面表面 特性进行改善,不可逆地促进部分吸附水的排出,使粘 土颗粒表面疏水,有效阻止处理后土体的再吸水,使土 体更加稳定。

2.3　压实作用提高土体强度

ISS固化剂基于化学方法改善土体性质,在实际 工程应用中一般需与物理压实作用配合使用提高强 度。由于经过ISS固化剂处理的细粒土亲水性减弱, 斥水性增强,当采用机械压实时,土体易于压密。土颗 粒嵌挤紧密,土对水的吸附作用能力减弱,土的强度得 到提高。

3　室内试验研究

3.1　试验内容

室内试验主要是比较加固土与素土在强度、水稳 定性及收缩性等方面的差异。试验项目包括无侧限抗 压强度、回弹模量、CBR以及收缩试验。上述试验均 采用静压法成型试样,压实度93%。

3.2　试验材料

(1)ISS:采用离子土壤固化剂Roadpacker,最小 释稀比1∶200。

(2)石灰:采用普通熟石灰,不同批次的试验所采 用的石灰有所差异。

(3)素土:采用试验路现场土,土的基本性质指标 为:干密度1.56g/cm3,最佳含水量28.92%,液限 54.3%,塑限39.3%,塑性指数15,自由膨胀率32%。 土的颗粒分析结果见表1,参照《公路土工试验规 程》(JTJ051-93)对土进行工程分类,现场土属于含 砂高液限粉土。

3.3　试验结果与分析

3.3.1　无侧限抗压强度试验

不同配合比条件下加固土的无侧限抗压强度试验 结果如表2所示。

从表中可以看出:掺加固化剂后,土的强度明显得 到提高,浸水后不崩解,水稳定性较好。现场土分别单 独掺加4%石灰或3%水泥后,其7d与28d的浸水和 非浸水抗压强度均比现场土掺加4%石灰+0.3ISS加 固土的相应强度低,其中现场土+4%石灰加固土的7 d浸水强度小于现场土+4%石灰+0.3ISS加固土相 应强度的1/2,龄期增长至28d时,现场土+4%石灰 加固土的浸水抗压强度约为现场土+4%石灰+ 0.3ISS加固土的70%。

采用不同剂量的ISS对4%石灰土进行加固,加 固土的无侧限抗压强度如图1所示,掺加0.3L/m3 的ISS固化剂时,加固土的强度最大。

不同压实度条件下,加固土的无侧限抗压强度试 验结果如图2所示。结果反映,同一龄期下,加固土的 抗压强度随压实度的增加而增大,并且增大的幅度越 来越大;在同一压实度下,土样的抗压强度基本上是随 着龄期的增长而增大的(在低压实度84%下,土样强 度不随着龄期的增长而增大,而是各个龄期强度基本 保持不变),并且增大的幅度越来越大(浸水崩解认为 强度为零)。

3.3.2　CBR试验

CBR试验结果如表3。从表中可以看出,现场土 +4%石灰+0.3ISS加固土的CBR值随着龄期的增 长而增大,并且增大的幅度越来越大,这也吻合了该加 固土无侧限抗压强度随龄期变化的规律。相比于现场 素土,加固土7d龄期的CBR值已经增加2倍还要 多,而膨胀率不足其1/2。

3.3.3　回弹模量试验

回弹模量试验结果如表4所示。结果表明,在7d 龄期下,素土和素土+4%石灰的不浸水回弹模量较接 近,但素土的水稳性很差,素土试样在泡水短短几分钟 内完全崩解。与土+4%石灰相比,素土+4%石灰+ 0.3ISS加固土的效果很好,浸水和不浸水回弹模量都 有很大的提高;素土+3%水泥的加固土,不浸水的效 果与素土+4%石灰+0.3ISS差不多,但其浸水效果 较差,水稳性不如后者。

3.3.4　收缩试验

收缩试验结果如表5所示,从表中可以看出,素土 的收缩系数最大,素土+4%石灰和素土+4%石灰+0.3ISS+20%砂的收缩系数最小,仅为素土收缩系数 的1/2左右。素土+4%石灰+0.3ISS和素土+3% 水泥的收缩系数差不多,为素土的63%左右,单就收 缩系数而言,素土+4%石灰+0.3ISS的效果比素土 +4%石灰差些,但从对缩限的提高方面看,素土+4% 石灰+0.3ISS的缩限为27.843,相比素土+4%石灰 的缩限大6%左右,而缩限的提高也是对收缩性改善 的结果,从这个方面来说,素土+4%石灰+0.3ISS的 加固土的收缩性能要比素土+4%石灰好些。

4　工程应用

ISS加固土基层试验路为广东省湛江市徐闻县境 内的一条农村公路,路基宽度7m,原设计采用20cm 厚6%水泥稳定碎石基层。由于徐闻地区主要地层为 高液限粉土,缺乏石料,修路所需的碎石和砂大部分从 海南省购买,通过远距离的船运和汽车运输到施工现 场,大大增加了工程费用。因此,急需开发一种能就地 取材的筑路材料,降低修路成本。本试验路主要研究 ISS离子固化剂加固沿线高液限含砂粉土作为基层的 应用技术,试验路桩号K13+700~K14+300,长度为 600m,ISS加固土基层厚度为20cm。

4.1　施工工艺与要点

本试验路段采用厂拌法施工,其施工工艺与要点 如下:

(1)准备土料:抽样检测土料含水量,保证其值小 于加固土最佳含水量(2~3)%。

(2)确定配合比:根据室内试验结果,确定ISS固 化剂的掺量为0.3L/m3,石灰剂量按干土重量的4% 掺入。

(3)机械拌料:根据拌和机的拌料体积,计算每斗 混合料需掺入的ISS和石灰用量。拌和时首先将ISS 加入水箱中,配兑成ISS溶液,稀释比最小为1∶200。 然后将ISS溶液输入到搅拌器中与土和石灰充分搅 拌。拌料过程中要经常检测含水量,据此调节进料输 入参数。拌和完毕,堆置现场闷料24h。

(4)运输和摊铺混合料:本路段ISS加固土基层 厚20cm,作为一个施工层进行施工,混合料的松铺厚 度为26cm,松铺系数1.3。

(5)碾压:首先采用12t光轮压路机静压1~2 遍,接着轻振2遍,然后采取振动力为30t的压路机 振动碾压2~3遍,最后光轮静压收面,直至碾压横纹 及轮沿痕迹消失,整个碾压过程一般控制在4h内完 成。当加固较高等级路基时,建议碾压机具采用羊足 碾和光轮配合使用。

(6)养生:路基压实后,应及时进行养生,施工完 成后一个星期内要坚持洒水养护,在条件允许下,完工 后一周内最好进行1∶500~1∶1000的ISS溶剂喷洒 养护。

(7)加铺沥青面层:ISS加固土基层施工完毕28d 后,加铺3~5cm厚的沥青碎石面层。

4.2　试验路检测及结果分析

为了了解加固土基层强度发展变化过程及其对路 面结构的影响,同时基于加固土基层与常规的水泥稳 定碎石基层的对比,在施工养护阶段进行了贝克曼梁 弯沉试验。在加铺ISS加固土基层之前,首先对原土 基进行了弯沉试验,施工完成3d后,对加固土基层进 行了检测,1个月以后,又对加固土基层进行了检测, 检测结果如表6。

弯沉检测结果反映:

(1)ISS加固土基层铺筑3d后,弯沉值从原土基 的157.58(0.01mm)减小为108.85(0.01mm),降低了30.92%,强度得到明显提高。

(2)经过一个月,试验段基层的弯沉有所减小,从 108.85(0.01mm)减小到97.14(0.01mm),降低了 10.76%,反映ISS加固土基层的强度随时间增长。 对试验路进行了跟踪观测,加固土基层铺筑完毕 后,部分路段出现了宽度为1~3mm的细裂缝,分析 产生的主要原因是由于高液限粉土的收缩性较大,再 加上雨季施工,土料含水量偏高。加入石灰与ISS固 化剂后,明显改善了加固土的失水收缩性。试验路经 过两个雨季的考验,沥青路面表层未见裂缝扩展,路面 使用状况良好。

5　结论

本文结合广东省湛江徐闻地区某农村公路工程, 开展ISS加固含砂高液限粉土作为道路基层的试验研 究。室内试验研究和现场试验路结果表明,掺加干土 质量比为4%的石灰和0.3L/m3的ISS对含砂高液 限粉土有较好的加固改善效果,加固土的强度、水稳 性、抗收缩性等方面均比素土有较大提高,加固土基层 试验路取得了令人满意的效果。

参考文献:

[1]　汪益敏,张丽娟,苏卫国,等.ISS加固土的试验研究[J]. 公路,2001(7).

[2]　高昌贵,汪益敏,张丽娟,陈页开.ISS土壤固化材料在渠 道防渗中的应用[J].中国农村水利水电,2004(1).

[3]　张信贵,欧鸥,易念平,吴　恒.液态稳定剂加固土的工 程应用研究[J].工程勘察,2006(4).

[4]　王年香.高液限土路基设计与施工技术[M].北京:中国 水利水电出版社,2005.