高性能固化剂稳定粉质土路基的效果分析
               朱志铎,　郝建新,　赵黎明
          (东南大学交通学院,江苏南京　210096)
摘　要:文章基于路基的力学及路用性能,进行高性能固化剂和其他材料稳定粉质土路基的室内及现场试验 的对比研究,以确定稳定粉质土路基的合理方案及固化剂掺量。室内试验结果表明,掺加高性能固化剂可明 显增加粉质土的无侧限抗压强度和水稳性,减小其收缩变形;现场试验结果表明,掺加4%高性能固化剂的粉 质土路基早期强度较高、变形较小、整体刚度好,能满足路基的各项技术指标要求。
关键词:高性能固化剂;粉质土;路基;试验
粉质土为较差的筑路材料,因含有较多的粉 土粒,干时虽有粘结性,但易被压碎、扬尘大,浸水 时易被湿透,形成流体状态。粉质土的毛细水上 升高度大,在季节性冰冻地区更容易使路基产生 水分累积,造成严重的冻胀翻浆现象。粉土的粘 粒含量少,塑性指数小,目前工程上大多采用无机 结合料(如水泥、石灰、粉煤灰或这些材料的混合 物)来稳定粉土,但效果往往不尽人意,主要表现 为早强差、收缩大、易开裂及稳定性差等,暴露了 工程上传统的单一外掺、简单的复掺无机结合料 稳定粉土的不足。因此,针对该类土的特性,研制 合适的固化剂,对其进行稳定处理,以满足路基的 技术要求是非常必要的[1,2]。
本文通过对高性能固化剂和其他常用的外掺 材料进行稳定粉土的室内及现场试验研究,以无 侧限抗压强度、水稳系数和收缩变形3个指标对 粉土固化稳定的效果进行评价,确定稳定粉质土 路基的合理方案及最佳的固化剂掺量[3]。
1　试验概况
(1)粉土的基本特性[4,5]。试验用粉土取自 苏北地区,该地区粉土化学成分的特点是高硅 (Si)铝(Al),其次为铁(Fe),钾、钠(K2O + Na2O),其余化学成分含量较小。矿物成分以石 英、长石和云母等原生矿物为主,黏土矿物约占矿 物组成的25%,主要为蒙脱石、高岭石等次生矿 物。颗粒分析表明,粉土中粉粒的质量分数平均 在74%左右,粘粒质量分数在10%左右。土的平 均塑性指数IP为6~10,为低液限粉土,CBR值 大多低于路基设计规范中路基用土要求。
(2)高性能固化剂的基本组成[2]。固化材料 在固化稳定土壤中的作用主要为复合胶凝效应和 填充增强效应,复合胶凝效应主要包括3种作用: 水化作用、激发作用和离子交换作用,所以粉土高 性能固化剂的组分应该能充分发挥上述几种效应 和作用。在高性能固化剂研制中,首先在粉土中 掺入多种不同种类的固化材料,纵向对比各单掺 或复掺固化材料对粉土性能指标的影响,选出其 中对粉土性能影响较为显著的固化组分,对前期 试验结果分析整理后得出高性能固化剂的初步配 比。针对前期试验得出的有效固化组分设计正交 试验,以分析各固化组分的作用大小,并确定高性 能固化剂的较佳配比。对正交试验得出的高性能 固化剂配方进行分析和优化,进行反复试验验证, 以最终确定各种有效的固化组分和最佳配比。最 后进行多种粉土稳定材料的对比试验,以确定性 能优越的粉土固化材料。经过上述试验得到高性 能粉土固化剂的有效组分为水泥、掺合料A、粉煤 灰、CaO、膨胀组分A、石膏、Na2SO4及表面活性 剂等。通过对固化剂各组分价格的计算,固化剂 的成本约为266·2元/t,与目前常用的固化材料 相比有较好的性价比。如进行大面积施工,固化 剂将进行成品生产且施工方便,节约施工成本。 (3)粉土路基固化稳定的标志及其评价参 数[6]。在公路建设中,路基必须满足规范的强度 要求,同时要有足够的稳定性,包括水稳性、体积 稳定性及温度稳定性等,稳定土还应具备适宜的 刚度。因此,在进行粉土固化试验研究过程中,采 用无侧限抗压强度、水稳系数和收缩变形3个指 标作为评价固化材料稳定粉土性能的参数,以强 度作为分析问题的出发点,考虑水稳系数和收缩 变形2个指标,对粉土固化稳定的效果进行评价。 试验根据文献[7,8]规定进行。
(4)试验方案。为了比较掺加不同外加剂稳 定粉土的效果,进行稳定粉土的室内试验,以寻求 合适稳定方案及其适宜的掺加比,本文拟定了7 种室内试验方案,见表1所列,对每种方案进行无 侧限抗压强度试验和收缩试验。室内试验结果表 明,粉质土掺加4%的高性能固化剂具有良好的 力学性能及较小的干缩性,所以现场试验以此为 基础,拟采用4种配比方案作对比试验。现场试 验方案见表2所列,现场试验地点选择在盐通高 速公路。

2　室内对比试验结果与分析
(1)无侧限抗压强度试验。图1所示是不同 试验方案稳定粉土的无侧限抗压强度,由图1可 以看出随着龄期的增加,各方案稳定粉土的无侧 限抗压强度都有不同程度的增长,且在前28 d的 值增长较快,后期增长较慢。在7种方案中,方案 1、2的强度值较低,方案1的28 d强度只有 0·25 MPa。加入高性能固化剂的4、5、6和7方案 的强度值较高,且随着高性能固化剂掺量的增加, 强度也有明显的增长,显示出高性能固化剂稳定 土的优越性。方案7的28 d强度达到了 1·38 MPa,方案4的28 d强度也有0·66 MPa。

各龄期的水稳系数,见表3所列。方案1的 水稳性最差,在7 d浸水时发生破碎,其他龄期的 水稳系数也很低,维持在0·6左右。方案2水稳 系数值在0·86~0·94之间,而方案4~7的水稳 系数最高,基本保持在1·0左右,各方案之间的差 异不大,最大值达到了1·03。由此可见,加入高 性能固化剂比传统的稳定粉土的方法在水稳性方 面有较大提高。

(2)收缩变形试验。对7种稳定方案不同龄 期的稳定粉土进行收缩变形试验,所有的收缩均 是相对于试件的原长而言,以线性收缩率表示,正 值表示膨胀,负值表示收缩,试验结果如图2所 示。由图2可以看出,各种方案的试件都表现出 前期略有膨胀,后期明显收缩的现象。随着龄期 的增加,含水量减小,各组试样产生明显收缩。方 案1、2的收缩很大,说明传统的稳定方法随着龄 期增加和含水量减小,在前期会有比较快的收缩。 方案4、5、6和7则随着龄期的增加收缩减缓,在 21 d后处于相对稳定状态,比方案1、2收缩程度 小,但在这4种方案中,方案4、5、6和7的收缩量 与高性能固化剂的掺加量呈反向比例,这主要是 由于高性能固化剂的掺加量越大,其产生的强度 越大(在14 d时就产生了大约85%的最终强度), 从一定程度上制约了收缩现象的发生。

3　现场试验结果与分析
现场试验主要进行各方案的工地室内和现场 钻芯取样的7 d、28 d无侧限抗压强度的比较,进 行各稳定方案的回弹弯沉和回弹模量检测,以评 定其整体承载能力和在荷载作用下路基的弹性变 形能力[6]。
(1)无侧限抗压强度试验。现场取芯采用人 工方式进行,将大块芯样用修土刀切割成5 cm× 5 cm的圆柱体测量其无侧限抗压强度。不同方 案7 d的现场无侧限抗压强度分别为0·49、0·75、 0·41和0·37 MPa,28 d的现场无侧限抗压强度 分别为0·75、0·99、0·51和0·40 MPa,其强度增 长值依次是0·26、0·11、0·10和0·03 MPa,这与 室内养护试验强度增长值呈现出相同的规律性。 4种方案同一龄期的现场配料室内和现场测试的 无侧限抗压强度相差不大,这主要是由于现场用 塑料薄膜养护,保温保湿效果好,而且试验是在5 月底进行,温度基本控制在30℃,这比试验室的 标准温度20℃高10℃左右,这也是保证现场强 度能持续增长的原因。就同一龄期4种方案的强 度来看,方案2、1、3、4的现场测试强度依次减少, 这与现场配料的室内强度试验结果是一致的。 不同方案的现场取样的无侧限抗压强度,如 图3所示。

(2)路基回弹模量及弯沉测试结果。各稳定 方案施工28 d后回弹模量及弯沉测试结果,见表 4所列。

从表4看出,方案2的回弹模量最大,达到 202·4 MPa,方案4最小,仅为81·7 MPa。回弹 模量从大到小的方案顺序依次是2、1、3、4。这一 结果表明4%高性能固化剂的强度完全能够满足 路基填筑的强度要求。在表4的4种方案中方案 4的代表弯沉最大,达到了120·5(×10-2mm), 方案2的最小,仅为40·2(×10-2mm)。4种方 案代表弯沉从大到小的顺序依次为4、3、1、2,说 明就整体刚度而言,方案2最优,方案4最差。
4　结　论
通过高性能固化剂和其他材料稳定粉质土路 基的试验研究,可得到下列结论:
(1)多种粉土稳定材料的室内试验表明,加 入高性能固化剂强度值较高,且随着高性能固化 剂量的增加强度也有明显增长;加入高性能固化 剂比常规的稳定粉土的方法在水稳性方面有较大 提高。
(2)现场测试分析可得到如下结论:4种方 案无侧限抗压强度数值从大到小依次都为2→1 →3→4,其中方案2的28 d的无侧限抗压强度达 1·06 MPa。回弹模量和弯沉检测的数据表明,就 整体刚度而言,方案2最优,方案4最差。
(3)基于路基的力学及路用性能,掺加4%高 性能固化剂早期强度较高、变形较小、整体刚度 好,能满足路基的各项技术指标要求,是最为合理 的稳定粉质土路基的方案。
[参　考　文　献]
[1]　JTJ034-2000,公路路面基层施工技术规范[S].
[2]　JTG D30-2004,公路路基设计规范[S].
[3]　朱志铎.粉土路基稳定理论与工程应用技术研究[D].南京: 东南大学交通学院,2006.
[4]　邓学均.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2002: 27-55.
[5]　朱志铎,刘松玉,孙海军.江苏徐宿地区粉土的基本特性及 加固方法研究[J].岩土力学,2004,25(7):147-150.
[6]　朱志铎,郝建新,周礼红.固化粉质土应力应变特性试验研 究[J].岩土力学,2008,29(8):2199-2202.
[7]　JTJ 051-93,公路土工试验规程[S].
[8]　JTJ 057-94,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].