土壤固化剂稳定粉土路用性能试验研究

2014-05-28乐金朝

湖南交通科技 2014年4期

张涛，潘登，乐金朝

(1.河南交通职业技术学院公路学院，河南郑州 451400; 2.郑州大学水利与环境学院，河南郑州 450002)

0 引言

含砂低液限粉土广泛分布于我国北方平原地区，具有塑性指数低、粘性小、压实困难的特点，作为公路路基填筑料其工程性质较差［1，2］。工程应用中常造成路基沉降变形、桥头跳车、路基滑塌或水毁等病害［3，4］。因此，选用粉土作为路基填料时需要对其进行处理［5－8］。

针对豫东粉土的特殊性，对试验路段路床采用某粉状无机类土壤固化剂进行处理，对比分析稳定路床的击实特性、无侧限抗压强度、CBR、抗裂强度、干缩特性等路用性能指标，并将研究成果应用到工程试验路段，验证其工程应用的可行性。

1 材料性质及试验配比

1.1 土样

试验用土选自济祁高速公路工程取土场，为褐黄色。按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)，通过试验确定其粒径分布及物理性质指标，结果见表1、表2。

由试验结果可以看出，该土样的粉粒含量约为64.4%，砂粒含量约为25.2%，液限WL＜50%，塑性指数7 ＜Ip＜10，按照分类标准该土样为含砂低液限粉土。

1.2 土壤固化剂

土壤固化剂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。研究采用的是粉状无机类土壤固化剂，其有效成分为水泥、掺合料、粉煤灰、CaO、活性剂等。固化剂和土壤混合后各种离子发生反应，以达到固结土壤、提高强度和水稳定性等能力。

表1 土样颗粒级配表

表2 土样物理力学性质指标

1.3 试验配比

结合土壤固化剂的使用性能说明，总结了对路基填料已有研究成果［9，10］，设计了 3 种土壤固化剂稳定粉土路床配比，见表3。

表3 配比方案表

2 最优配比试验研究

将取土场土样经自然风干，人工碾散过2 mm筛，击实试验采用重型击实试验法，干土法备样(土样不重复使用)，按照表3配比制备土样进行室内试验。根据稳定土的击实特性、7 d 无侧限抗压强度确定最优配比。

2.1 击实试验

针对原土及3 种配比稳定土分别进行重型击实试验，得到干密度与含水率关系(图1)。为更加直观的分析其压实特性及水敏感性，对其空气体积率Va(图2)进行分析。

图1 干密度与含水量变化关系

图2 空气体积率与含水量关系图

根据击实试验结果图1，随着固化剂的添加土样的最大干密度减小，最佳含水量较原土变大;3 种配比方案的最佳含水量基本一致，最大干密度随固化剂添加量的升高而降低。

随着固化剂量的增加相同含水量下的空气体积率减小;最佳含水量左侧水敏感性较右侧大;配比A在最佳含水量右侧有一个明显的空气体积率回弹，没有很好地消除粉土在高含水量下压实困难的问题，而配比B、C 的情况较好。

2.2 7d无侧限抗压强度试验

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)［11］进行试验，按高速公路路床压实度要求，对3 个配合比静压法制样使压实度为96%，进行不同龄期的无侧限抗压强度试验。见表4。

表4 7d无侧限抗压强度试验结果 MPa

试验结果中，配比A 不能满足路床设计抗压强度要求，即要求Rc 0.95≥Rd，配比B、C 能满足路床设计抗压强度要求。

2.3 最优配合比综合分析

根据击实试验、空气体积率和7 d 无侧限抗压强度试验进行综合评判，并考虑经济技术的合理性，最后分析得到配比B(6∶94)为最佳配比。

3 路用性能试验研究

按照试验规程［11］，对 6∶94 固化剂稳定粉土、3%水泥稳定粉土、粉土按照高速公路路床压实度要求，静压法制样使压实度为96%，对其抗压强度、CBR、抗裂强度及干缩特性等进行试验，并进行对比分析。

3.1 无侧限抗压试验

按照试验规程分别进行 7、14、28、60、90、180 d的无侧限抗压强度试验，3 种土样的试验结果如图3所示。

图3 无侧限抗压强度随龄期的变化曲线

固化剂稳定土和3%水泥稳定土的强度特性有明显的改善，均满足路床设计抗压强度要求;7 d 强度值大致相同，但固化剂稳定土的后期强度增长较快，同期龄强度值均大于3%水泥稳定土。固化剂稳定粉土的28 d 强度可达180 d 强度的80%，说明固化剂稳定土具有早强性，有利于加快施工进度。

3.2 CBR值试验

按照试验规程［11］，分别对3 种土样进行 CBR试验，结果如表5。

表5 CBR试验结果

粉土的CBR 值不能满足路床设计要求;固化剂稳定土和3%水泥稳定土能很好的改善CBR 性能，其结果均满足路床CBR 设计要求。

3.3 劈裂试验

按照试验规程分别对3 种土样进行7、14、28、60、90、180 d 的劈裂强度试验，根据试验结果绘制了劈裂强度随龄期的增长曲线(见图4)。

图4 劈裂强度随龄期的变化曲线

粉土的劈裂强度较低，后期增长不明显;固化剂稳定粉土的劈裂强度大于同期龄的3%水泥稳定粉土，且后期劈裂强度增长较快，28 d 劈裂强度达到180 d 的50%;随着龄期增长，固化剂稳定粉土的劈裂强度增长趋势逐渐变缓，但仍有稳定的增长。

3.4 干缩试验

按照试验规程［11］，采用静压成型方法制作小梁试件，每组6 个试件，3 个测干缩量，3 个测质量损失。干缩性能主要以干缩应变以及干缩系数两个指标来衡量。由于粉土试样受到破坏，无法提供可靠数据，只对固化土和3%水泥土进行试验。

两种土样的干缩应变随时间的变化曲线变化规律基本一致(图5)，干缩应变在试验的前120 h 干缩应变增长较快，之后逐渐趋于平稳，在试验进行7 d 之后，试件的干缩应变基本达到稳定。

固化剂稳定土较3%水泥稳定土干缩应变大，主要是由于固化剂与试件中的水发生水化作用所引起体积收缩。施工中在保证材料强度的前提下，应尽量减少固化剂的用量，以减小混合料的自生收缩，保证材料的抗裂性能。

固化剂稳定土干缩系数随着时间的增长在36 h 内达到峰值(图6)，后随着时间的增加趋于稳定，与3%水泥稳定土干缩系数基本一致。而3%水泥稳定土的干缩系数没有明显整体峰值出现。

图5 干缩应变随时间的变化曲线

图6 干缩系数随时间的变化曲线

对比已有研究结果［12，13］，配比 6∶94 固化剂稳定土的干缩系数相对较小，能够满足高速公路路用材料的性能要求。

4 试验性工程应用

为验证最优配比6∶94 固化剂稳定土实际工程路用性能，选择济祁高速公路(永城段)二期工程100 m 作为试验路段，进行路床施工。

4.1 施工工艺控制

由该标段的设计图纸可知，路床处理层厚度为36 cm，共两层各18 cm，均采用路拌法进行施工。混合料拌合均匀后，立即用平地机进行整平和整形;整形后，不应出现薄层补贴现象。碾压顺序及碾压遍数应合理，采用光轮压路机碾压，胶轮压路机收面。在保证施工质量的前提下，尽量缩短施工碾压成型的延迟时间，确保混合料的强度不出现大幅下降。碾压完成并经检测合格后，应立即洒水，并盖上专用养生膜进行养生，以保持表面湿润。固化剂稳定粉土的施工工艺简单，但施工的技术含量高，每一道工序对固化土的质量影响都很大，所以施工过程必须严格监管。