水玻璃和硫酸铝处理高液限土路基病害可行性试验研究

黄伟

摘要：文章通过试验研究了水玻璃和硫酸铝处理高液限土路基病害的可行性，并取得了以下结果：采用水玻璃和硫酸铝对高液限黏土进行处理后，液限降低，塑限增大，塑性指数降低;与未经处理的土壤相比，改良后土壤的黏粒含量降低，而粉土和粗粒含量增加;改良土的绝对膨胀率和相对膨胀率均低于未处理土;在相同的干循环次数和湿循环次数下，改良土的粘聚力和内摩擦角分别为未处理土的1/2和1/3;经过三次干湿循环后，未处理土壤的承载比（CBR）不符合规范要求，但经过7d的养护和3次干湿循环后，改良土的CBR（含4%水玻璃溶液和0.4%硫酸铝）符合规范要求。

高液限土;水玻璃;硫酸铝;路基病害防治

0 引言

在我国中西部地区高等级公路的建设中，经常出现大量高液限土。高液限土具有天然含水量高、液限高、细颗粒含量大等特点。采用高液限土作为路基填料时，涉及三个方面的工程问题。（1）含水量控制。高液限土的天然含水量较高，很难将其含水量降到最佳值。在碾压过程中，如果含水量过高，很难压实土壤，从而导致土壤难以碾压[1-2]。（2）强度问题。高液限土的强度（CBR）很低[3]，一般难以满足规范的要求[4]。（3）水的稳定性。高液限土的水稳定性较差[5]。因此，在公路使用过程中，由于季节性气候变化引起的干湿交替循环，可能会逐渐破坏土结构，导致不均匀沉降、路基边坡坍塌、路面开裂等并发症[6]。针对上述问题，公路路基设计规范规定：“液限>50%、塑性指数>26的细粒土，不得直接用作路基填料。开挖段采用高液限土填筑路基时，高液限土应进行处理[4]。

由于受技术经济因素的制约，高液限土分布区的许多公路路基填料直接采用未经处理的高液限土，导致沉降不均匀，路基边坡坍塌。在高速公路运营过程中，路面开裂和其他并发症严重影响了其使用。基于这一现象，本文通过实验室试验探索了一种添加剂，目的在于提供一种易溶于水、无毒副作用的添加剂，并可通过注浆法进行添加。

1 高液限土的基本物理性质指标

本试验所用高液限土样取自广西荔浦至玉林高速公路K156+200段，取样深度为2.0m，土样呈红褐色，粒径<0.075mm的颗粒含量为89.6%。基本物理性能指标见表1。根据《公路工程土工试验方法》（JTGE40-2007）的规定，试验土为高液限黏土。

2 添加剂的选择

研究的第一步是确定一种能够通过灌浆方法解决路基复杂问题的添加剂。在选择添加剂时，应考虑三个方面：（1）使用离子活性剂，以减少通过置换作用在土颗粒表面携带的电荷，从而降低土壤的亲水性;（2）使用胶结材料，从而形成网状结构，增强土壤颗粒间的结合力;（3）添加剂应具有较高的水稳定性。

根据以上三点，初步选择了硅酸钠和硫酸铝的组合作为添加剂。黏度比试验结果表明，混合料的黏度在8h内基本保持不变，在灌浆施工过程中不凝结，保证了浆液的良好流动性，满足灌浆施工要求。

水玻璃的化学式为Na2O·nSiO2，其中n表示水玻璃的模量。当模数较小时，固体硅酸钠易溶于水，选择模数为2.6、浓度为3.26ml的工业水玻璃和硫酸铝进行实验。硫酸铝是一种白色晶体，易溶于水。

硅酸钠和硫酸铝溶液反应迅速，反应方程式如下：

在硅酸钠和硫酸铝的反应过程中产生氢氧化铝和凝胶颗粒，凝胶包裹在土壤颗粒表面并填入土壤颗粒之间的孔隙中。其作用是通过胶结和粘聚力使细小的土粒团聚，形成大粒径的团聚体，从而降低高液限土的亲水性，提高其水稳定性。当硅酸钠与硫酸铝的固体质量比为5：1左右时，不仅会促进水玻璃的凝结，而且会导致凝结不太快。实验用水玻璃溶液的浓度为3.26ml，确定水玻璃与硫酸铝的质量比为10：1。

3 改进实验

3.26ml水玻璃溶液和干土的质量比分别为1%、2%、4%、6%和8%;硫酸铝固体和干土的质量比分别为0.1%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%;水玻璃溶液与硫酸铝的配比分别为1%+0.1%、2%+0.2%、4%+0.4%、6%+0.6%、8%+0.8%。

高液限黏土的改良包括以下步骤：（1）称量一定量的风干土;（2）根据水玻璃溶液和干土的质量比称重一定量的水玻璃溶液，然后均匀地将水玻璃溶液喷在土壤样品上，均匀混合后再等2h;（3）根据硫酸铝与干土的质量比，称取一定质量的硫酸铝，溶于水（水控标准规定，将水玻璃溶液和硫酸铝溶液喷洒在土样上后，土样含水量为试验所需含水量），并将硫酸铝溶液均匀喷洒在掺有水玻璃的土样上，让土样静置2h，按照设计干密度，用静压法将土样灌入试样中;（4）将试样固化至规定龄期后进行试验。

3.1 液塑性极限实验

液塑限实验中所用样品的含水量为30.0%，干密度为1.60g/cm3。实验在样品固化7d后进行。实验结果如图1所示。

从图1可以看出，加入水玻璃溶液和硫酸铝溶液后，高液限黏土的液限和塑限发生了显著变化。随着水玻璃和硫酸铝溶液混合量的增加，改性高液限黏土的液限减小，塑性极限增大，塑性指数降低。当水玻璃的掺量为4%、硫酸铝的掺量为0.4%时，改良后的土壤固化7d的液限为54.6%，塑性指数为21，符合《公路路基设计规范》（《设计规范》）2004的要求，细粒土填料的塑性指数必须<26。当水玻璃的掺量為4%时，硫酸铝的掺量为0.4%时，在继续增加添加剂的掺量后，改良土的塑性极限和塑性指数的变化范围减小。因此，添加剂的混合量初步确定为4%水玻璃溶液和0.4%硫酸铝。

含4%水玻璃溶液和0.4%硫酸铝的改良高液限黏土的液限和塑限随养护龄期的变化如图2所示。从图2中可以看出，改良剂在添加到高液限黏土后7d完成了液态和塑性极限的变化。经过7d的固化后，改良土的液塑限没有随着固化时间的延长而有明显的变化。

3.2 压实试验

将改良剂掺入高液限黏土中12h后进行压实试验，试验结果如图3所示。从图3可以看出，改良土壤的最大干密度低于未处理的土壤，而其最佳含水量较大。

3.3 颗粒分析试验

用4%水玻璃溶液和0.4%硫酸铝对改良土进行颗粒分析试验，其含水率为30%，干密度为1.60g/cm3，样品固化7d后进行颗粒分析实验。其中未处理土中粒径<0.002mm的黏土含量为20.8%，改良土中粒径<0.002mm的黏土含量为15.6%;未处理土中粒径介于0.002～0.075mm的粉土含量为79.2%，改良土为82.6%，未处理土中不存在粒径>0.075mm的粗粒组分，改良土中粒径>0.075mm的粗粒组分含量为1.8%。试验结果表明，与未经处理的土壤相比，改良土壤中颗粒组分含量的变化使黏粒含量降低，粉粒和粗粒含量增加。这是由于水玻璃与硫酸铝反应生成的凝胶在土颗粒表面形成了一层黏性层，同时凝胶填充了土颗粒间的孔隙，促进了土颗粒向团聚体的转化。

4 水稳定性试验

通过干湿循环试验，研究了高液限黏土和改良土的水稳定性。

干湿循环试验中使用的样品面积为30cm2，高度为2cm。将土样的含水量混合至最佳含水量，土样的干密度为1.54g/cm3（压实度为96%），然后用靜压法将土样压入截面积为30cm2、高度为2cm的切割环中，以该产品为供试品。

干湿循环试验分为膨胀和收缩脱水两个过程。膨胀过程如下：将试样放在透水石上，加水至水面与透水石顶面高度一致，使试样吸水至饱和，然后逐渐升高水位至试样表面被淹没，待试样浸没后膨胀变得稳定，测量样品的高度。脱水收缩过程如下：将饱和试样干燥至饱和度的70%，然后测量试样高度。

4.1 膨胀率

在干循环和湿循环过程中，根据以下公式计算绝对膨胀率和相对膨胀率：

未处理土和改良土的绝对膨胀率和相对膨胀率与循环次数之间关系的变化如图4所示。从图中可以看出，改良土的绝对膨胀率和相对膨胀率均低于未处理土。未处理土和改良土的绝对膨胀率均随干湿循环次数的增加而逐渐增大，5个循环后相对膨胀率基本保持稳定。未处理土和改良土的相对膨胀率随干湿循环次数的增加先增大后减小，未处理土的相对膨胀率在第3个循环后开始逐渐减小，而其相对膨胀率在第7个循环后开始趋于稳定;改良土的相对膨胀率在第4个循环后开始逐渐减小，第6个循环后相对膨胀率趋于稳定。

4.2 快速剪切实验

表2显示了在不同次数的干循环和湿循环后，未经处理和改良的土壤样品在固化7d后，使用4%水玻璃溶液和0.4%硫酸铝进行快速剪切试验的结果。

由表2可以看出，未处理土和改良土的粘聚力和内摩擦角随着干循环和湿循环次数的增加而逐渐减小。相同循环次数下，改良土的粘聚力和内摩擦角大于未处理土，改良土的粘聚力降低程度约为未处理土的1/2，改良土的内摩擦角减小程度约为未处理土的1/3。结果表明，改良土的水稳定性高于未处理土，即高液限黏土经水玻璃和硫酸铝改良后，水稳定性显著提高。

4.3 承载比（CBR）试验

在3次干湿循环过程中，未处理土样的相对膨胀率达到最大值，内聚力和内摩擦角减小程度较高。因此，对CBR试验进行如下比较：（1）比较未经处理的未经干燥的土壤的CBR;湿循环与3个循环的CBR。（2）比较3个干湿循环后不同养护龄期改良土样与未处理土样的CBR。

未经处理和改良土壤的CBR试验结果如表3所示，其中，未经处理的土壤样品未经干湿循环的CBR为6.1%，符合规范要求（路基CBR必须>3%）。然而，经过3次干湿循环后，未处理土样的CBR降低到2.7%，不符合规范要求。改良土样用4%水玻璃溶液和0.4%硫酸铝养护7d后不进行干湿循环的CBR为18.3%;养护7d后进行3次干湿循环的CBR为15.6%，满足规范要求。3次干湿循环后未处理土样的CBR降低了55.7%，7d养护和3次干湿循环后改良土样的CBR降低了14.8%，改良土样经过28d的养护和3次干湿循环后，其水稳定性降低了16.6%，表明改良高液限黏土在4%水玻璃溶液和0.4%硫酸铝的作用下，其水稳定性明显高于未处理土。

5 结语

本文研究了水玻璃和硫酸铝处理高液限土路基的可行性，探讨了液塑限、最大干密度、最佳含水量等问题以及水玻璃和硫酸铝改良高液限土的水稳定性。通过对实验结果的观察，得出以下结论：

（1）随着水玻璃和硫酸铝掺量的增加，改性高液限黏土的液限减小，塑性极限增大，塑性指数降低。当3.6ml浓度的水玻璃溶液的混合量为4%，硫酸铝的掺量为0.4%时，经改进的土壤固化7d后的液限为54.6%，其塑性指数为21，符合路基填料的塑性指数要求。

（2）改良土的粘聚力和内摩擦角均高于未处理土。未处理土和改良土的粘聚力和内摩擦角均随干湿循环次数的增加而逐渐减小，但随着干湿循环次数的增加而逐渐减小。改良土的粘聚力降低程度约为未处理土的1/2，而改良土的内摩擦角减小程度约为未处理土的1/3。

（3）经过3次干循环和湿循环后，未经处理的土壤CBR不符合规范要求，但经过7d的养护和3次干湿循环后，4%水玻璃溶液和0.4%硫酸铝溶液改良土的CBR符合规范要求。另外，经过3次干湿循环后，未处理土的CBR降低程度大于改良过的土壤。

（4）硫酸铝溶液和水玻璃溶液的黏度在8h内基本保持不变，两种溶液在灌浆施工中不凝结，能够满足灌浆施工的要求。另外，水玻璃和硫酸铝改良高液限黏土的强度和水稳定性显著提高，说明水玻璃和硫酸铝可以通过注浆的方式处理高液限土路基病害。

参考文献：

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