复合固结土技术在辽源南部新城项目中的应用

2013-09-28齐庆祥

城市道桥与防洪 2013年4期

齐庆祥

（中国市政工程华北设计研究总院, 天津市 300074）

0 引言

随着我国道路建设的快速发展，不少地区出现了砂石料紧缺的现象，造成砂石料、石灰、水泥等价格大幅提高，致使道路造价居高不下，严重制约了我国道路建设的发展速度。因此，推广应用新型环保筑路材料，合理利用自然资源，使道路建设和生态环境保护相和谐已经摆在了重中之重的位置。

辽源市南部新城项目位于我国吉林省中南部，处于辽白一体化发展区的南端，其战略地位十分重要。南部新城地势低，道路设计标高比原地面平均高出2 m，土方回填量大。此外辽源市具有美丽的生态环境和丰富的物产资源，快速发展城市和道路建设的同时，必须注重保护其原有的自然和生态环境。若依然采用传统筑路材料，势必造成大量的开山采石，不仅浪费资源和能源，破坏植被，而且在其运输和存放过程中造成周围环境污染，板结土地，料场用地难以复垦，造成土地资源浪费。因此，如何在该项目中引进、利用新型材料，满足路用性能的同时，降低工程造价，保护生态环境，节约资源，建设“绿色道路”，成为一个首要的关键技术问题。

复合固结土技术就是在满足基本路用性能的前提下，很大程度上减少路面基层中传统土壤加固材料的用量，同时，还可以利用丰富的土资源取代传统基层材料中的砂、砾、碎石等，从而减轻了由于石灰石的开采，生石灰的生产、运输，石灰土基层施工以及传统基层材料中砂、砾、碎石的大量开采等过程对自然环境造成的破坏，也为解决目前无砂石地区或欠缺砂石地区存在的道路建设周期长、造价高等问题提供了一种技术方法，具有极大的生态环保效益和经济效益。本文对复合固结土技术在路面基层材料中的应用进行了工程试验研究，测试了固化剂稳定土的抗压强度、水稳定性、抗冻融性等性能，将这项技术应用于辽源市南部新城项目中。

1 原材料基本试验

（1）固化剂

经过筛选比较，试验中确定采用中路1号土壤固化剂。该土壤固化剂为深褐色液态易溶于水的高分子有机物质，pH值小于1.0，密度为1.3～1.35 g/cm3。

（2）试验用土

试验用土取自辽源项目现场土，按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）[1]的规定，通过界限含水率、颗粒分析试验、重型丙类击实试验和筛分试验，得到试验用土的液塑限、塑性指数、最大干密度、最佳含水量、颗粒组成等试验指标，试验结果详见表1和表2。

表l 土料的基本性质

表2 土料筛分试验结果

（3）水泥

本试验水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥，其性能指标见表3。

（4）石灰

本试验采用消石灰，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）[2]的规定，测定所用石灰的有效CaO、MgO含量，进而确定所用石灰的等级。经测定所用石灰为I级钙质消石灰。

表3 水泥性能指标

（5）试验用水

试验用水采用生活饮用水。

2 固化作用机理

中路1号土质固化剂对土质的固化效果是一种综合行为，既有物理吸附和缠绕，又有化学反应，它对混合土质产生的固化有显著效果。

2.1 中路1号土质固化剂对粘土的固化作用

中路1号土质固化剂加入到单纯的粘土中时，中路1号土质固化剂与粘土矿物发生了两方面的作用。一方面，中路1号土质固化剂与粘土矿物发生了化学反应，形成了高强度的化学键，也有酸性物质对粘土矿物的侵蚀；另一方面，中路1号土质固化剂中有机高聚物分子对粘土矿物产生吸附和物理缠绕。粘土矿物表面被侵蚀，粗糙的表面易于吸附其它异性成分，这也有助于有机高聚物分子对它的吸附和缠绕。但是单纯的中路1号土质固化剂与粘土作用不足以形成具有水稳性的网络结构。

2.2 中路1号土质固化剂对石灰、粘土混合土的固化作用

中路1号土质固化剂加入到石灰、粘土的混合土中时，以上两种作用就同时发生了，并且相互促进。

（1）中路1号土质固化剂对粘土矿物产生侵蚀，造成矿物晶体表面缺陷，促进了石灰中与有晶格缺陷的矿物发生化学反应。反应生成的物质依附在原晶体表面上生长，吸收原晶体的成份，形成共用边界，共用边界逐渐增多并形成网络骨架结构。

（2）在碱性石灰以及中路1号自身引发剂的作用下，中路1号土质固化剂中的有机单体聚合成高聚物分子链，吸附在粘土矿物的表面或缠绕在矿物的周围。被侵蚀的粗糙的粘土矿物表面也易于吸附和缠绕。

（3）在中路1号土质固化剂与石灰的共同作用下，混合土能够形成较致密的、水稳的、较高强度的和较稳定的网络骨架结构。这种结构也具有较好的抗冻融性。

2.3 中路1号土质固化剂对水泥、粘土混合土的固化作用

中路1号土质固化剂加入到水泥、粘土的混合土中时，与掺石灰的混合土相类似，中路1号土质固化剂、水泥、粘土发生相互作用，并且相互促进。

（1）中路1号土质固化剂对粘土矿物同样产生侵蚀，造成矿物晶体表面缺陷，能够促进水泥中的一些矿物与有晶格缺陷的粘土矿物发生化学反应。同时，水泥矿物自身的水化反应也生成了新的矿物。这些新矿物依附在原晶体表面上生长，吸收原晶体的成份，形成共用边界，共用边界逐渐增多并形成网络骨架结构。

（2）在引发剂的作用下，中路1号土质固化剂中的有机单体聚合成高聚物分子链，吸附在或缠绕在矿物的周围。同时，水泥水化生成的胶体物质也吸附粘土矿物的表面和填充在网络骨架结构当中。

（3）在中路1号土质固化剂与水泥的共同作用下，化学反应生成的新矿物具有较好的稳定性，混合土能够形成较致密的、水稳的、较高强度的和较稳定的网络骨架结构，也具有较好抗冻融性。

（4）掺水泥的混合土与掺石灰的混合土相比，具有较多的强结合水，这是因为水泥的水化产物中含有较多的凝胶，存在较多的强结合水。这种强结合水与土粒牢固地结合在一起，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度，对试体的强度是有利的。

（5）掺水泥的混合土生成了钙矾石，在胶粒间以辐射状成长，致使宏观体积不断膨胀，在土体内部产生较大自应力，从而可以起到补偿收缩、防止开裂的作用。

3 工程试验与分析

3.1 配合比设计

固化剂对道路的承载性能有着重要的影响。在工程中，固化剂的掺入量要根据具体工程指标、工程现场用土性质和筑路成本确定。在本研究中，根据工程要求及现场土的性质，同时考虑技术经济等因素，为验证复合固结土在路面基层材料中的作用，采用了以下配比进行试验。

配比1∶水泥∶土=3.5∶96.5。

配比2∶水泥∶土=3.5∶96.5+0.02%ZL-1。配比3∶石灰∶土=5∶95

配比4∶石灰∶土=5∶95+0.02%ZL-1。

3.2 确定最佳含水量和最大干密度

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）的相关规定，对配比混合料重复进行击实试验，进而得出湿密度、含水量、干密度的平均值。最后根据试验得出的数据，进而得到其最大干密度和最佳含水量。根据击实曲线，我们可以求出各配比混合料的最大干密度和最佳含水量（见表4）。

表4 不同配比下的最佳含水量和最大干密度

对比分析4种配比混合料的最大干密度和最佳含水量，我们可以看出：适量加入固化剂后，可有效提高土体密度，同时降低土壤含水量。对于该项目，在较大的击实（重型击实）条件下，水泥类固结土最佳含水量小于石灰类固结土，但最大干密度大于后者（见图1）。

图1 土壤含水量-干密度关系曲线

3.3 无侧限抗压强度试验

道路基层材料的抗压强度是衡量道路性能的一个重要指标，《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）[3]中规定用稳定土的无侧限抗压强度来衡量该指标。根据以上配比击实试验所得的最佳含水率和最大干密度，采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中标准规定的方法制备试件。在标准养护条件下，测得其无侧限抗压强度如表5所列。

由无侧限抗压强度试验的结果可以看出：随着试件养护龄期的不断增大，后期无侧限抗压强度相应增大；试件的压实度显著影响其无侧限抗压强度；水泥混合料的无侧限抗压强度要高于石灰混合料；添加中路1号土壤固化剂的水泥复合固结土材料的7 d无侧限抗压强度在2.5 MPa以上，这在北方冰冻地区可以大大延长有效工期，为道路建设带来很大的经济效益和社会效益。

表5 无侧限抗压强度

3.4 水稳性试验

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）的相关要求，在最大干密度和最佳含水量的基础之上，按95%的压实度标准分别用静力压实法成型无侧限抗压强度试件。在标准养护条件下进行浸水试验，实验结果见表6。

表6 复合固结土水稳定性试验结果

由以上数据可以看出，随着试件龄期的增长，水稳定性系数逐渐增大，水稳性越好。掺加固化剂后可以大大提高水稳定性，且水泥复合固结土材料的水稳定性要优于石灰复合固结土材料的水稳定性。

3.5 抗冻融性试验

通过冻融循环试验，对复合固结土进行抗冻性能方面的研究，了解复合固结土抵抗冻融破坏的能力。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）的规定，在其各自对应的最大干密度和最佳含水量的基础之上按95%的压实度制备标准试件。在标准条件下进行5次循环冻融试验。试验结果见表7。

表7 复合固结土的抗冻性试验结果

比较而言，水泥混合料的抗冻融性比石灰混合料的抗冻融性要强，且在加入中路1号土壤固化剂后，水泥复合固结土的抗冻融效果更加明显。虽然复合固结土在经历5次冻融循环后其内部结构也受到了一定程度上的破坏，强度也有较大幅度的降低，但是冻融循环对其内部结构造成的破坏程度大大低于相同冻融条件下的水泥和石灰稳定土。说明复合固结土在石灰、土壤固化剂的联合加固作用下形成的粒间连结比石灰稳定土更为坚固，故土体的抗冻性得以提高。