戴文亭  陈瑶  齐春玲  李振峰

(吉林大学交通学院道桥系  吉林长春  130025)

摘要:文章针对长春地区典型粘性土,用美国BaseSeal固化剂进行加固,对其加固土的路用性能进行了系统试验研究。首先进行了固化剂加固土材料的最佳配合比的试验研究,在此基础上,进行了最佳配合比条件下加固土的无侧限抗压强度、室内回弹模量、间接抗拉强度、冻稳定性等路用性能指标方面的试验研究,得出BaseSeal固化剂加固土作为路面基层材料具有早期强度高、长期强度也高,且冻融稳定性好的结论,特别适合长春地区及其气候、土质类似地区的道路建设应用。

关键词:BaseSeal固化剂;加固土;无侧限抗压强度;路用性能

中图分类号:U414文献标识码:B

1 概述

土固化是指把土固化剂按照设计配比掺入松散土体中进行适当养护,固结后形成有适宜的整体强度和良好的抗渗抗冻性的人工固化土技术,特别是在砂石较为缺乏的地区,某些特定工程情况下利用土壤固化技术是一种经济可行的、有重大环保意义的加固工程用土的工程措施。自20世纪初一些经济发达国家在兴建公路,港口,机场等工程中,采用土固化技术对土进行改良以来,取得了良好的效果。而随着科技的进步,作为一种专门用来固结土壤的新材料———土壤加固剂,目前在国外的许多领域已有广泛的应用,这种材料适应性强,固化性能良好且施工简单,工程造价低,应用前景广阔。但是我国对固化剂加固土的研究,特别是将其应用于类似长春这样寒冷地区高等级公路的建设中,尚处于起步阶段。因此,本文从工程实际出发,利用美国BaseSeal固化剂对地处我国东北长春地区的典型粘性土进行了加固土路用性能试验研究。

2 试验原材料技术性能

(1)BaseSeal土壤加固剂:该试剂由美国公司提供,液体,材料符合工程环保要求,无毒,有香味,可入口。

(2)石灰:本试验采用地产符合工程标准的三级石灰,有效钙加氧化镁含量为57.3%,符合《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中Ⅲ级消石灰钙镁含量技术要求。

(3)水泥:本试验采用的水泥为虹桥牌32.5普通硅酸盐水泥。

(4)土:试验用土取自吉林省长农高速公路取土场,液限(ωl)为38.1%;塑限(ωp)为23.0%;塑性指数(Ip)为15.1。天然含水量17%左右,按公路工程技术规范要求的击实实验确定的最佳含水量是12%,最大干密度是1.92g/cm3。

(5)水:自来水,满足工程要求。

3  固化土最优配合比的筛选

为了找到BaseSeal固化剂加固土的最优配合比,本次试验研究分别对掺加BaseSeal固化剂的石灰稳定土和水泥稳定土,做了不同固化剂掺量及不同石灰或水泥掺量,共计16组配合比的筛选试验。以7天饱水无侧限抗压强度试验结果为依据确定最优配合比,配合比确定试验方案设计及试验结果见表1和表2。表中石灰、水泥和固化剂掺加量均按与土的重量百分比计。

对比表1和表2的实验结果,可看出:掺加同样剂量固化剂及同样剂量的石灰或水泥时,石灰固化土均比水泥固化土的7天无侧限抗压强度高,说明针对长春地区的典型粘性土,用该固化剂与石灰的组合,其加固土固化效果更好。

那么再分析表1的实验结果,当固化剂掺量为0.25%时,随着石灰掺量从3%增加到7%,7天无侧限抗压强度从0.93Pa增加到1.78MPa,强度增长明显;但当固化剂掺量为0.28%和0.32%时,随着石灰掺量从3%增加到7%,其强度变化曲线呈抛物线型,强度最大值都出现在石灰剂量为5%时,其值分别为1.79MPa和1.69MPa;当石灰掺量为3%时,随着固化剂掺量从0.25%增加到0.32%,7天无侧限抗压强度从0.93MPa增加到1.06MPa,虽然强度一直在增长,但固化剂掺量较大时固化土强度增长率小于掺加量增长率;当石灰掺量为5%时,随着固化剂掺量从0.25%增加到0.32%,其强度变化曲线呈抛物线型;当石灰掺量为7%时,随着固化剂掺量从0.25%增加到0.32%,其强度变化曲线呈单斜下降型。

以上变化规律说明:①盲目加大固化剂与石灰的掺加量,并不能带来固化土的高强度,同时还带来工程造价的提高;②掺加5%的石灰和0.28%的固化剂时,可得到最大的7天无侧限抗压强度(1.79MPa),但掺加5%的石灰和0.25%的固化剂时,也可得到较大的7天无侧限抗压强度(1.62MPa)。

通过以上试验结果分析,并结合工程造价及7天无侧限抗压强度值与我国规范要求值(0.8MPa)的对比等因素综合确定,本次实验的最优配合比方案为:石灰5%,固化剂0.25%。

4 固化剂加固土的路用性能试验研究

以下各项性能指标试验中固化剂和石灰的掺加量均按以上确定的最优配合比进行。

4.1固化剂加固土的无侧限抗压强度试验

本试验研究采用!10×10cm的圆柱体试件,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)中无侧限抗压强度试验标准成型,利用双向静压法将土压实,为了使试验结果较为贴近实际的施工情况,试件成型的压实度控制在98%。试验方法如下:将混合料拌和均匀后放入塑料袋内闷2～4h后成型,在20℃±2℃,相对湿度≥95%的恒温恒湿箱中养生。在养生期最后一天,将经24h饱水后的试件,在路面强度试验仪上以1mm/min的加荷速率测试强度。本次试验分别进行了BaseSeal固化剂加固土的7天,28天和90天的饱水无侧限抗压强度测定。试验结果如表3所示。

通过以上数据得到BaseSeal固化剂加固土的强度增长趋势如图1所示。

从表3和图1中可以看到,BaseSeal固化剂有利于提高加固土的早期强度,养生龄期7天时的无侧限抗压强度即可达到《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中要求强度(0.8MPa)的二倍,而在长春地区同等剂量的石灰稳定土7d时的无侧限抗压强度一般仅为0.9MPa左右,这对于缩短工期,提高基层或底基层早期强度,具有十分重要的意义。另外从图1还可以看出,BaseSeal固化剂加固土的强度增长速度较快,而且其长期强度也较高,90天的无侧限抗压强度达到3.40MPa。这使其作为基层或底基层材料,具有较大的优势。

4.2 固化剂加固土的回弹模量试验

抗压回弹模量是路面结构设计的一个重要参数,它反映路面结构层的强度。本试验根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)之室内回弹模量承载板法的规定,对BaseSeal固化剂加固土进行回弹模量试验。对已成型的试件在温度为20℃,相对湿度≥95%的条件下标准养生28d,在饱水条件下测得其抗压回弹模量为447.15MPa。说明BaseSeal固化剂稳定土抵抗破坏的能力较强。

4.3 固化剂加固土的间接抗拉强度试验

间接抗拉强度是反映稳定土抗裂性能的重要指标,可以说,该项指标直接反映了BaseSeal固化剂稳定土的间接抗拉性能。本试验根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)之间接抗拉强度试验方法进行操作,按照无侧限抗压强度试验标准成型,试件成型的压实度控制在98%。成型后的试件在(20±2)℃,相对湿度≥95%的恒温恒湿箱中养生28d,养生期最后一天,经24h饱水后,在路面强度试验仪上以1mm/min的加荷速率测试其间接抗拉强度。

经过试验,得到BaseSeal固化剂稳定土的28d饱水间接抗拉强度为0.26Mpa。测试结果表明此种固化剂稳定土具有较高的间接抗拉强度,这对于实际工程来说,具有重要的意义。劈裂强度高,可以减少路面结构层面层裂缝的产生,并使基层裂缝少,提高防水性等性能指标。

4.4 固化剂加固土冻融循环试验

冻融循环试验是检验加固土冻稳定性的重要试验。而目前对于检验这一路用性能指标的试验尚没有明确的规范规定其试验条件及方法。因此,本次研究中,通过参考前人关于冻融循环试验的方案,制定了一套适合本次研究的试验方案:按照无侧限抗压强度试验标准成型试件,压实度控制在98%。成型后的试件在(20±2)℃,相对湿度≥95%的恒温恒湿箱中养生28d,养生期最后一天,经24h饱水后开始进行冻融循环试验,即在-35℃的条件下冷冻24h,然后取出试件在(20±2)℃,相对湿度≥95%的恒温恒湿箱中融化24h,此为一次冻融循环。本次试验共进行5次循环,每次循环后观察试件表面是否有起皮,裂纹,散粒等现象,并称量其质量,循环结束后进行无侧限抗压强度试验,最后计算表征其耐久性的耐冻系数,即冻融前后试件的抗压强度之比值。试验结果如下:

经过五次冻融循环后试件的无侧限抗压强度值为2.04MPa,而28天饱水无侧限抗压强度值为2.24MPa,从而得到BaseSeal固化剂加固土冻稳定性系数为91%。此试验结果表明,BaseSeal固化剂加固土具有较好的冻稳定性,这对于提高潮湿寒冷地区路面抗冻稳定性具有重要意义。

5 BaseSeal固化剂加固土强度形成机理

BaseSeal固化剂属于离子类固化剂,无色水溶性液体,按设计配比掺入水中后形成水溶液,用水稀释后迅速离子化,在土中固化形成胶结体,发生一系列的物理化学反应,主要包括固化剂自身的化学反应,与土颗粒之间的化学反应及其与石灰土之间的化学反应,这些反应导致土的结构发生变化,形成新的结晶体,使得土体结构由原来简单的凝聚结构变成复杂的结晶结构,正是通过这些新的结晶体之间的相互作用使得固化剂加固土的强度得到大幅度提高。其次,通过BaseSeal固化剂在土中的作用,使土中大量的自由水以结晶水的形式固定下来,利用土固化剂中离子之间的相互作用来改变土表面的电荷特性,有效降低土的吸水率,提高土体密度,而且能使压实后的土体吸水能力再次得到降低,使其具有较高的抗渗性和耐久性。

6 结语

从本次试验研究结果可以看到BaseSeal固化剂做为一种新型的土固化类材料,固化效果良好,其固化土具有较好的物理力学性能:

(1)早期强度高,强度增长迅速,此特点对于工程中缩短工期具有重要意义。

(2)长期强度高,且回弹模量值为447.15MPa。说明BaseSeal固化剂加固土抵抗破坏的能力较强。

(3)BaseSeal固化剂加固土的间接抗拉性能及冻稳定性较好,28d间接抗拉强度达到0.26MPa,冻稳定系数达到91%。

综上所述,BaseSeal固化剂特别适合长春地区及其气候、土质类似地区的道路工程应用。

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