高液限黏土固化理论及路用性能试验研究

2018-06-11杜衍庆王新岐

城市道桥与防洪 2018年5期

杜衍庆，王新岐

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051；2.长安大学，陕西　西安 710064；3.天津市基础设施耐久性企业重点实验室，天津市 300051）

0　引言

高液限土是指液限高于 50% 的细粒土[1]，根据塑性指数的不同又分为高液限黏土（CH）和高液限粉土（M H）。高液限黏土具有液限高、天然含水率高、持水能力强、强度低、水稳定性差等不良性质，若直接用于填筑路基，会引起不均匀沉降、开裂、滑坡等病害[2]。目前，工程上常采用石灰、水泥、粉煤灰等无机结合料改良高液限黏土用作路基填料，并对改良后的高液限黏土的力学性质开展了较多的试验研究[3-6]。然而，鲜有采用高效土壤固化剂固化处理高液限黏土并对其路用性能开展研究的成果。

针对天津东丽区的高液限黏土，在深入研究水硬性材料——GURS固化剂作用机理的基础上，对固化高液限黏土的路用性能进行试验研究。

1　高液限黏土固化作用机理分析

GURS系列固化剂对高液限黏土有类似水泥的凝结硬化作用，使泥浆中的水、土颗粒、固化剂充分凝结硬化形成稳定、密实的结构，其固化作用机理可总结为三个阶段，详述如下：

（1）搅拌共溶阶段

GURS系列固化剂各组分粒径仅0.02～5.00 um，经搅拌溶合后，固化剂以液态的形式溶入高液限黏土，各组分寻找各自的对象发生反应。为保证固化剂组分与土颗粒充分溶合，要求高液限黏土达到最佳搅拌含水量。

（2）反应阶段

GURS固化剂以液态形式溶入高液限黏土后，固化剂组分中所存在的凝结剂、水硬性材料、活性激发剂与泥浆中土颗粒、水分、金属离子、有机质等组分发生五大反应。

a.水化、火山灰反应。GURS系列固化剂某些组分与土颗粒之间自由水发生水化、火山灰反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、矽酸盐类水化物等胶凝性水化产物，使得自由水向矿物结合水转化。经水化反应生成的结晶体使高液限黏土体积增加，利用固化材料水化产物的胶结、填充作用使得颗粒之间更加紧密。在电子显微镜下可以看到土壤颗粒被水化凝胶包围，在土壤粒子间形成牢固的网状结构体（见图1a），从而提高密实度。

b.置换水反应。在进行水化、火山灰反应的同时，GURS固化剂某些组分将结合过多的水分，生成钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）针状结晶体（见图1b），针状结晶体穿插在土颗粒空隙中形成骨架，有效的填充土团粒间的空隙，使固化土致密。

图1　固化高液限黏土的截面SEM照片

c.离子交换作用。GURS固化剂中的钙盐、镁盐溶解后，Ga2+、M g2+与土壤颗粒所吸附的Na+发生交换反应，并中和土颗粒表面电荷，降低黏土胶团表面ζ电位，胶团吸附的双电层减薄，电解质浓度增强、颗粒凝聚，消除高液限黏土中的液相和气相，引起土颗粒的絮凝。

图2为掺加GURS-501固化剂前、后黏性土粒度分布曲线。由图2可知，未掺加固化剂，土颗粒粒度集中在2～5 μm，随着固化剂的掺入，粒度逐渐增加至5～20 μm。

图2　黏性土粒度分布曲线

d.土颗粒吸附作用。结合水膜的打破，使土颗粒对GURS中的各组分进行物理、化学吸附，土颗粒将GURS中的某些组分吸附在表面，降低表面自由能，同时土体颗粒与固化剂之间形成化学键，在颗粒表面形成憎水膜，有效地保护土体的稳定性，该过程不可逆，通过固化处理的土由“亲水性”变成“憎水性”。吸附固化剂的土颗粒进一步与水化物凝胶发生反应，同时与针状结晶相互交叉，形成链状和网状结构而紧密结合，从而提高了固化土的强度、耐水性和抗冻性。

e.固化剂与土颗粒间的活性反应。土颗粒含有大量的活性Si O2、Al2O3、CaO等物质，当加入固化剂充分搅拌后，在激发剂的作用下，固化剂和部分土壤颗粒参加化学反应，固化剂中某些成分与土颗粒中的活性成分反应生成胶凝性物质，发挥黏土潜在活性，增强已形成骨架网状结构的密度，提高固化土强度和耐久性。

（3）凝结硬化排斥阶段

随着GURS系列固化剂与泥浆之间反应的深入，自由水减少、水化物凝胶析出、活化土颗粒凝聚、结晶纤维延伸，各种反应产物相互交错凝结硬化，形成致密、稳定的团粒构造，使高液限黏土成优质的路用土壤。

2　固化高液限黏土路用性能试验研究

2.1　原状土物理性质

基于以上固化作用机理，在天津市东丽区取高液限原状黏土掺加GURS-501固化剂进行固化试验，并实测固化高液限黏土路用性能。原状高液限黏土的物理指标见表1，天然含水量为53%～59%，塑性指数在28～32之间，干缩性大、对水敏感，不满足工程土条件。

表1　天津东丽区高液限黏土物理指标

2.2　固化高液限黏土力学性能试验

2.2.1无侧限抗压强度性能研究

为研究GURS系列固化剂固化高液限黏土的强度规律，对试验土样分别掺加2%、3%、4%、5%、6%、8%、10%的GURS-501固化剂，制备50×50 mm的试件，并测定7 d、14 d、28 d无侧限抗压强度。

本次试验考虑高液限黏土属于泥状物，很难与干粉GURS-501固化剂充分拌和。因此，在现场取样土自然含水量条件下，适当加水（较液限含水量大5%～10%）之后掺入GURS-501固化剂并充分拌和，养护后测定无侧限抗压强度结果见图3。

由图3可知：

（1）虽然东丽土含水量大于液限5%～10%，但GURS-501固化剂对东丽土仍然具有很好的固化效果，7 d无侧限抗压强度达3.2 MPa，14 d无侧限抗压强度达3.4 MPa，28 d无侧限抗压强度达4.4 MPa，满足公路底基层的强度要求。

图3　不同固化剂掺量固化高液限黏土抗压强度曲

（2）当固化剂掺量小于6%，无侧限抗压强度随固化剂掺量增加呈线性增大，而当固化剂掺量大于6%，随着固化剂掺量的增加，固化土强度增加并不明显，甚至有所下降，说明GURS固化高液限黏土有其最佳掺量，对于大于液限5%～10%的东丽土最佳固化剂掺量为6%，具体工程应根据高液限黏土的含水量进行配合比设计，确定最佳掺量。

（3）固化高液限黏土7 d无侧限抗压强度为28 d的70%～75%，说明固化土早期强度很高。从不同龄期强度增长情况来看，14 d无侧限抗压强度较7 d增加了5%～10%，28 d无侧限抗压强度较14 d增加了20%～30%，分析原因在于固化土早期强度的形成主要来自固化剂五大反应的作用，而后期强度则除五大反应之外，来自高液限黏土中与固化剂无法反应的自由水的排出或蒸发。

2.2.2含水量与强度关系

土压实的传统理念是土在最佳含水量时进行压实，土颗粒周边的自由水充分排除、土颗粒靠近，干密度达到最大。但这种理念并不适用于高液限黏土。为了固化高液限黏土，结合室内试验，提出最佳搅拌含水量（OSM C）的概念。最佳搅拌含水量是指能使高液限黏土与固化剂充分搅拌，并使其凝结硬化后强度最大的含水量。

根据前述东丽土强度试验研究可看出，当高液限黏土含水量大于液限5%～10%、固化剂掺量在2%～4%时，固化土强度满足工程要求，为此，进一步对东丽固化高液限黏土与含水量关系进行试验研究，以寻求东丽土最佳搅拌含水量。以东丽土为固化对象，土样液限为53.2%，无侧限抗压强度与含水量关系曲线见图4。

图4　不同固化剂掺量条件下无侧限抗压强度-含水量关系曲线

由图4可知：

（1）在含水量大于液限的条件下，7 d无侧限抗压强度先随含水量的增加而增加，达到最大后，强度逐渐减小。其中，固化剂掺量为2%时，含水量较液限含水量增加7%（含水量为60.25%），强度最大；固化剂掺量为5%时，含水量较液限含水量增加9%（含水量为62.2%），强度最大。

（2）固化剂掺量2%（5%）的固化高液限黏土最佳搅拌含水量为较液限增加7%（9%）时的含水量，可见随着固化剂掺量的增加最佳搅拌含水量有所增大。工程使用应根据固化高液限黏土需达到的强度要求及其物理性质进行最佳搅拌试验予以确定。

2.2.3CBR试验

为进一步明确GURS固化高液限黏土替代传统道路路基的可能，根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）制作152×120 mm试件，养护6 d，浸水24 h后进行CBR试验，承载比试验结果见表2。由表2可看出，高液限黏土掺加2%、4%GURS-501固化剂后CBR均满足道路路基对CBR的要求。

表2　承载比试验结果

2.3　固化高液限黏土水稳性试验

水泥、石灰等无机结合料稳定土在长期浸水条件下强度大幅衰减（见图5a），严重影响工程的使用寿命。因此，水泥土、石灰土以及水泥石灰土仅可作为低等级道路的底基层，为了探讨GURS固化高液限黏土作为道路基层或底基层的可能性，应对其水稳性进一步研究。

图5　掺加固化剂土与掺加水泥石灰浸水后效果对比

试验参考岩石力学中关于岩石水稳系数的测定方法，对固化高液限黏土标准养护7d、28d后在水中充分浸泡不同时间进行抗压强度试验，计算其水稳系数和强度损失，预测其变化规律。试件统一较液限含水量增加7%，无侧限抗压强度及稳定系数测试结果见表3。

表3　固化高液限黏土水稳性能测试结果

由表3可知：

（1）固化高液限黏土养护7 d后，随着浸泡时间的增加强度并未衰减，略有增大，并随着固化剂掺量的增加，增幅变大，这与GURS固化剂在水环境下仍然能进行反应有关，7 d养护龄期后一定时间内强度形成仍然在继续，说明固化高液限黏土有较好的水稳性能。

（2）固化高液限黏土养护28 d后，随着浸泡时间的增加强度有所衰减，但幅度很小，而且随着固化剂掺量的增加，强度减少量逐渐降低，说明固化剂掺量的增加可提高水稳定性。

（3）固化高液限黏土在不同浸泡条件下水稳系数在0.9～1.0之间，且随着固化剂掺量的增加，水稳系数逐步增大，掺量达5%时水稳系数接近1，说明固化高液限黏土有较好的水稳性。

2.4　固化高液限黏土干缩性能试验

将东丽土在最佳搅拌含水量下制备50 mm×50 mm×200 mm试件，进行固化高液限黏土干缩性能测试。为了模拟固化高液限黏土的施工条件，测试温度要求20±1℃，湿度要求60±5%，利用SH-100收缩仪测试高低温交变湿热试验条件下固化高液限黏土的干缩情况。不同固化剂掺量下固化高液限黏土干缩试验测试结果见图6。

图6　固化高液限黏土干缩试验结果

由图6可知：

（1）固化高液限黏土的干缩应变在1～13 d时间内增长迅速，之后趋于平缓，当失水率达到最大值时，干缩应变趋于4 000×10-6左右并稳定。

（2）固化高液限黏土的平均干缩系数为200×10-6～400×10-6，在养生初期变化较大，在养生14 d后趋于稳定，平均干缩系数受固化剂掺量的影响较大，与水泥、石灰土干缩系数变化显著不同，随着固化剂掺量的增加，干缩系数逐渐减小，这是因为GURS固化剂有很强的结合能力，在一定含水量条件下（最佳搅拌含水量），固化剂与高液限黏土凝结硬化能力和抗变形能力更强。