固结渣土混合料的性能研究

王俊艺

（上海机场建设指挥部，上海市 201207）

0 引言

为满足环保和扩建需求，上海市浦东机场第五跑道外区域承接消纳了大量的本市地铁建设盾构渣土。根据地勘情况可以看出，渣土层较浅，受沉积环境影响表现出土质松散、粘性土和粉性土呈层状交叉分布等特点，整体的土质也不均匀，土性较差，存在一定液化现象。这些渣土的地基承载力低、回弹模量较小且沉降尚未完全稳定，因此必须对其进行固结处理方可用于道路工程建设[1]。基于现场情况、施工特性和经济性原则，拟对渣土层进行由上至下的逐层化学固结处理[2]。

固结剂稳定渣土的力学性能和结构特性要求都与我国通常所用的无机结合料不同，因此其混合料设计必须与结构性能要求相适应[3]。但是在设计方面关于固结土设计指标的选择及要求却没有相应的标准。本次研究选取最常见的渣土固结材料——水泥，以及新型研发的WK+固结剂，对固结剂稳定渣土的无侧限抗压强度和回弹模量进行试验与分析[4]，为材料设计指标做基础研究。

1 渣土性质与试验准备

1.1 渣土粒径分析

对渣土粒径级配的分析采用筛分试验。根据目测，可以很明显地区分出现场渣土为3种级配组合，分别为粗料、中料、细料，如图1所示。

图1 渣土原料的3种主要类型

图2展示了经过粒径筛分试验的3种粒料的级配曲线图。

图2 3种粒料的级配组成曲线

1.2 最佳含水率和最大干密度的测定

3种粒料的最佳含水率和最大干密度试验结果见表1。

2 固结剂稳定渣土强度性能试验

2.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度反映了固结剂稳定渣土的强度和整体性，是固结剂稳定渣土混合料设计和施工质量控制的重要指标[5]。进行了固结剂稳定渣土的无侧限抗压强度试验，为其混合料设计提供参考，并与水泥稳定渣土试验进行对比分析。

表1 3种粒料的最佳含水率与最大干密度

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中有关无侧限抗压强度的试验方法，分别在最佳含水率下成型粗料、中料、细料试件，尺寸为Ф150×150 mm，养生7 d后测试其无侧限抗压强度。选取用水泥和WK+作为固结剂的中料试件进行对比试验，掺入剂量分别为4.5%，6.0%和8.0%，试验结果见表2。

表2 不同固结剂试件的无侧限抗压强度 MPa

由表2可知，对于中料试件来说，养生7 d后，掺入4.5%WK+固结剂后的强度较掺入同等剂量水泥后的强度增长了20.7%；掺入6.0%WK+固结剂后的强度较掺入同等剂量水泥后的强度增长了27.0%；掺入8.0%WK+固结剂后的强度较掺入同等剂量水泥后的强度增长了21.3%。从以上数据中可以看出，与掺入水泥的中粒试件相比，掺入同等剂量WK+固结剂的中粒试件7 d无侧限抗压强度都有较为明显的增长，且增幅均超过20%，尤其是在剂量为6.0%时增长幅度最明显。

掺入水泥和WK+固结剂的中粒试件无侧限抗压强度均随掺入剂量的增加而提高，两者近似成正比关系，其中掺入WK+固结剂试件的增长速率较快。

为求全面的对比，在掺入4.5%WK+固结剂的条件下，分别进行了3种粒料试件的7 d、28 d两种龄期的无侧限抗压强度试验，图3展示了其试验结果。

由图3可知：3种粒料试件的无侧限抗压强度与养生天数呈正比关系；粗料试件无侧限抗压强度的增长速率最快，其次是中料和细料试件；同样养生天数下，无侧限抗压强度大小依次是粗料、中料、细料试件。

图3 掺4.5%WK+固结剂试件的无侧限抗压强度

采用WK+固结剂的渣土试件早期强度较高，且后期强度稳定发展。早期强度高可使建成道路提前投入运行，提高运行效益，后期强度稳定可使建成道路的运行性能稳定，经久耐用，使用寿命增长。

2.2 回弹模量

回弹模量是无机结合料稳定基层的重要力学参数，反映了无机稳定材料在荷载作用下的变形特性。无机结合料稳定材料的回弹模量决定了路面结构的应力、应变分布，从而显著影响路面的承载能力和整体结构强度[6-8]。为了评价固结剂稳定渣土底基层的回弹模量情况，进行了固结剂稳定渣土的回弹模量试验。回弹模量试验采用“顶面法（T 0808—94）”，按照最佳含水率成型试件，尺寸为Ф150×150 mm，在标准条件下养生7 d。课题组同样选用以水泥和WK+作为固结剂的中料试件进行对比试验，掺入剂量分别为4.5%，6.0%和8.0%，试验结果见图4。

图4 掺入水泥、WK+固结剂的中料试件回弹模量

由图4可知：中料试件的回弹模量随掺入剂量的增加而呈现近似线性增长，其中掺入WK+固结剂时增长更快；同等掺入剂量下，掺入WK+固结剂后的回弹模量比掺入水泥后的回弹模量大，幅度在10%左右。

在4.5%WK+固结剂剂量下，细料、中料及粗料试件的7 d和28 d回弹模量试验结果如图5所示。

图5 掺4.5%WK+固结剂试件的回弹模量

由图5可以看出：各试件的回弹模量与养生天数呈正比关系；粗料试件回弹模量的增长速率最快，其次是中料和细料试件；同样养生天数下的回弹模量大小依次是粗料、中料、细料试件。以中料渣土为基准，分别掺入不同剂量的WK+固结剂和水泥进行28 d室内回弹模量试验，每种工况做6次试验，结果取平均值，见表3。

由表3可以看出，随着固结剂剂量增加，试件的回弹模量逐渐提高。WK+固结剂的剂量达4.5%时，试件的回弹模量平均值在800 MPa左右；WK+固结剂的剂量达6.0%时，试件的回弹模量平均值为1 100 MPa左右；WK+固结剂的剂量超过8.0%后，试件的回弹模量平均值超过了1 400 MPa。掺入剂量相同时，掺水泥试件的回弹模量小于掺WK+固结剂试件的回弹模量。

3 结论

（1）通过无侧限抗压强度和回弹模量测试，对比分析了WK+固结剂与水泥这两种固结剂稳定渣土的效果。用WK+固结剂固结渣土的强度、刚度较高，整体性能要优于用水泥固结的渣土，因此宜采用WK+固结剂来稳定渣土。

表3 中料试件28 d室内回弹模量MPa

（2）根据不同剂量的WK+固结剂稳定渣土性能试验结果，WK+固结剂剂量为4.5%～6.0%时，能满足路基与垫层性能要求，WK+固结剂剂量超过8.0%时能满足基层性能要求，因此WK+固结剂固结渣土可以分别用于道路路基、垫层与基层。