抗疏力固化土干缩性能试验研究

刘 俊 ，陈思旻 ，凌天清，陈 平 ，方灵毅

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市300457；2.天津市公路处，天津市 300170；3重庆交通大学，重庆市 400074；4.重庆市设计院，重庆市 400074）

0 引言

固化(稳定)土的一个明显缺点是抗拉强度低、抗变形能力差。收缩因可能引起开裂而成为土壤固化中一个普遍关心的问题。固化土体产生的收缩，在养生期内主要是固化过程中化学反应引起的自身收缩，在后期主要来自干燥收缩(简称干缩)和温度收缩(简称温缩)。

干缩之所以作为收缩问题中的一个重要内容来研究，是由于它具有如下特点：

（1）干缩几乎不可避免。固化土结构物一旦养生结束暴露在大气中，都面临着水分散失而发生收缩的可能。

（2）干缩在总收缩中所占比例较大。干缩通常要比温缩严重得多，例如半刚性材料的干缩系数是其温缩系数的十多倍，干缩往往是引起开裂最常见的原因。

（3）干缩在道路工程中引起的开裂危害严重。道路工程中大部分的横向裂缝是由半刚性基层的收缩引起，例如水泥固化土干缩会产生间距3～10 m的横向裂缝，裂缝宽度0.5～3 mm，路面开裂将大大缩短道路的使用寿命。

（4）干缩的可控制性强。相对于温缩受到自然环境温度变化的影响而难以控制而言，干缩则可以通过养生、覆盖等措施加以改善。

因此，控制干缩是控制收缩的主要着眼点，本文则主要针对抗疏力固化土的干缩性能展开试验研究。

1 原材料

抗疏力固化剂（The Consolid System）是专为土壤稳固作用而开发的新型固化材料。抗疏力系统包括水剂 CONSOLID444（C444）和粉剂 SOLIDRY（SD）：

（1）C444属于电离子溶液（ISS）类固化剂，是一种有机化学物质,略显酸性（pH=6），具有氨味，高温下易燃。C444能破坏土壤细小颗粒附着的水膜，导致细小的颗粒发生不可逆转的凝聚，从而大大减少水的毛细上升现象，使土壤不再被水浸渍。因此，C444处理后的土壤能更好地被压实，在施工期间以及后期通行使用期间增加所要求的密度。

（2）SD属于高聚物类固化剂,是一种有机的粉末状化学物质，其成分具有脱水收缩及长久保持作用。SD覆盖在载体上，能进一步增加对处理后土壤的保护，抵抗水的软化作用，维持经处理后土壤的稳定，并增加土壤特殊的粘合特性。SD通过关闭毛细管阻止处理后的土壤被水浸入，从而消除土壤的膨胀现象。

经配合比试验研究，选取抗疏力固化剂C444和SD的最佳掺量（水剂C444—0.8 L/m3、粉剂SD—20 kg/m3）。

以重庆地区的粘性土为处理对象，重庆地区土质特点：多为粘性土，且为地表风化层，粘性大。试验中所用土均取自重庆市巴南区某施工工地的粉质粘土（从地表面至25 cm的深度取土），经工程分类，为含砂低液限粘土。土样的颗粒级配如表1所示，土样的基本性质如表2所示。

2 干缩试验方法

试验采用压力机制件。将试模的下压块放入试模的下部，外露2 cm左右，然后将垫板两面刷油后放在下压块的上面。将已经称量好的混合料试样一次倒入试模中，最后将上压块放入试模内，应使其也外露2 cm左右。将整个试模（连同上下压块）放到压力机上，加压直到上下压块都压入试模为止。解除压力后，取下试模，拆卸模具脱模。

表1 土样的颗粒级配

表2 土样的基本性质

试验试件脱模后无需放在养护室恒温恒湿养护，直接放在干燥、安静的干缩室架表测量（如图1、图2所示）。具体方法如下：

图1 测失水量的试件

图2 测干缩量的试件

（1）将试件安放在收缩仪上。在收缩仪上垫上涂有润滑剂的玻璃棒，以减少试件收缩时下承面的摩擦（不考虑收缩仪玻璃板本身的温缩）。

（2）将收缩仪连同试件一起放入干缩室。将千分表顶到试件上使表走动到较大的数值，待所有试件统一架好后归零。

（3）从移入干缩室的时间算起计算，在开始试验的一个星期内，每天读1次数，记下每个试件的每个表的读数，并称量标准试件的质量；在7 d以后每两天读1次数。

（4）在干缩观测结束后，将标准试件放到烘箱内烘干至恒重。

干缩性能主要以干缩应变εd和平均干缩系数αd两个指标来衡量，其计算分别按式（1）和（2）进行：

式中：εd——干缩应变，指由水分损失引起的试件单位长度的收缩量，×10-6；

αd——平均干缩系数，指某失水量下，试件的

干缩应变与失水率之比，×10-6；

ΔL——干缩量，即含水量损失Δω时，小梁试

件的整体收缩量，mm；

L——试件的整体长度（mm），已知L=200mm；

Δω——失水率，即试件损失水分重量与试件

所用材料干重之比，%。

抗疏力试件干重约为1548 g，石灰土（4%石灰）试件干重约为1530 g。

3 试验结果与分析

由表3和图3～图5分析可以得出:

（1）在相同的收缩环境条件下，随着暴露时间的增长，抗疏力固化土的失水量均低于石灰稳定土的失水率。同时，抗疏力固化土的失水率随时间增长的幅度明显低于石灰稳定土，石灰稳定土失水率的增长趋势较为明显，且在较长的时间内失水率保持增长。直至失水率趋于稳定达到最大值时，抗疏力固化土的失水率明显低于石灰稳定土。

（2）两种固化土的干缩应变随时间发展的变化规律相同，干缩应变均随着时间的发展而变大，在1～3 d龄期时收缩速率较快，其后，随着时间的增长，水分的蒸发，收缩速率逐渐减小，直到最大失水率时，干缩应变趋于稳定。当试件暴露在空气中大约15 d时干缩变形基本趋于完成。

（3）在相同的收缩环境条件下，随着暴露时间的增长，抗疏力固化土的收缩应变均小于石灰稳定土，说明抗疏力固化土的干缩性能优于石灰稳定土。但抗疏力固化土和传统的石灰稳定土在干缩过程中的收缩应变都比较大，尤其在初期，因此，两种配比混合料在干缩情况下都容易开裂。为避免其产生收缩裂缝，在基层成型后必须加强初期洒水养护，避免在高温下曝晒干缩，同时，在混合料中掺入一定比例的集料，以减小由于粘结料失水和水化引起的干缩。

表3 干缩试验结果

图3 失水率变化对比图

图4 干缩应变变化对比图

图5 干缩系数变化对比图

（4）在相同的收缩环境条件下，随着暴露时间的增长，抗疏力固化土的平均收缩系数均大于石灰稳定土。平均干缩系数是指某失水量下，试件的干缩应变与失水率之比，由于石灰稳定土的失水率远远大于抗疏力固化土，才最终导致抗疏力稳定土的平均收缩系数大于石灰稳定土。所以，单纯用平均收缩系数作为评价抗疏力固化土干缩性能的指标有待商榷。

4 抗疏力固化土干缩性能影响因素

干燥收缩的基本原理是由于水分蒸发而发生的“毛细管张力作用”、“吸附水分子间作用”、矿物晶体或胶凝体的“层间水作用”以及“碳化脱水作用”而引起的整体宏观体积的变化。相关研究认为，抗疏力固化土的干缩性能主要取决于以下几个因素：

（1）结合料的矿物成分和分散度。含有较多粘土矿物和分散度大、比表面大的材料有较大的干燥收缩性。

（2）养护时间。龄期增加，胶结物不断滋生，致使孔隙率下降，强度与刚度增大，从而导致干燥收缩系数减小。

（3）集料含量。集料含量增多，可减少整体材料的孔隙率、比表面和含水率，从而可较大幅度地降低干燥收缩性。

5 结语

抗疏力土壤固化剂作为一种新型筑路材料,可以针对不同的土质，应用于公路、街道、机场、铁道等工程中，有着明显的经济效益和环境效益。随着环境保护对石料、河砂、山砂等自然资源开采的严格限制，抗疏力固化剂的应用研究，以人工合成材料替代传统筑路材料，将分布广泛的土作为主要的路面基层材料，实现公路建设就地取材，提高工程质量，降低工程造价，节省资源和能源，保护生态环境，使公路建设不受资源、生态、环保的影响，已成为公路可持续发展的当务之急。抗疏力固化土的干缩性能研究作为抗疏力固化剂应用研究的重要内容，对公路建设的可持续发展战略具有重大意义。

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