固化剂改良公路路基土体的干燥收缩性能研究

(中国建筑一局(集团)有限公司,北京 100161)

根据交通运输部《国家公路网规划(2013年-2030年)》，国家高速公路里程将由8.5万km调整至11.8万km，新增加的3.3万km国家高速公路路线补充连接了新增的20万以上人口城市、地级行政中心，且增加了一部分贯穿多个省区的重要通道，在这一专项规划的指导下，国家高速公路将更好地服务综合交通运输体系构建与发展[1]。作为高速公路的重要组成部分，公路路基土体的干燥收缩性能一直是影响整体工程质量的关键因素，通常情况下公路路基的填料需要具有挖取方便、压实容易、强度高和水稳定性好等特点，而我国不同地区土体的物化性能差别较大，尤其是在昼夜温差较大的地区，采用传统固化剂制备的公路路基土体存在干缩系数大[2]，在实际施工过程中容易产生开裂、造成公路路基使用寿命缩短且还会造成资源浪费、环境污染等问题[3]。为了解决公路路基土体的干燥收缩问题，本文对比分析了水泥和土凝岩作为固化剂对公路路基土体干燥收缩性能的影响，并利用SPSS Statistics和MATLAB软件[4]对土凝岩固化剂改良公路路基土体试验进行回归曲线模型统计分析，以期开发出具有良好干燥收缩性能的公路路基土体固化剂并推广在公路路基施工中应用。

1 试验材料与方法

原始原料为取自施工公路路基地表以下1 m的土样，水泥和土凝岩固化剂的物化性能指标见表1和表2，其中，土凝岩固化剂由赤泥和粉煤灰等工业废弃物研磨而成。

表1 土凝岩固化剂的物化性能指标Table1 Physicochemicalpropertiesofsolidifyingagentforsoiltuff吸湿率/%熔点/℃燃点/℃密度/(g·cm-3)断后伸长率/%抗拉强度/MPa<0.11685880.8818478

表2 水泥固化剂的物化性能指标Table2 Physicochemicalpropertiesofcementcuringagents初凝时间/min终凝时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa3d28d3d28d≥45≤600≥10≥33≥3≥8

分别以土凝岩和水泥作为固化剂制备了不同固化剂/干土配合比的梁式试件，尺寸为60 mm×60 mm×250 mm，其中，配合比在2%～10%之间，制备好的梁式试件宏观形貌采用华为 P30 Pro手机进行拍摄，宏观形貌见图1(a)，之后对试件进行养护处理[5][(见图1b)]。在ISOBY-354型混凝土比长仪(附带DH-3188型电阻应变仪)上对改良土混合料进行干燥收缩试验，并分别测试不同固化剂掺量下的失水率和干缩应变[6]。

2 结果及讨论

图2为固化剂改良公路路基土体的干燥收缩性能随时间的变化曲线。从失水量-时间曲线看，以土凝岩和水泥作为固化剂试件的失水量随时间的变化趋势基本一致，即都表现为在开始15 d内迅速增加，而继续延长时间的失水量则逐渐趋于稳定或略有增加；对比分析时间为15 d时的试件可知，水泥固化剂和土凝岩改性试件的失水量分别约占整体失水量的72%和68%，可见，土凝岩相对水泥固化剂具有更好的前期保水性，可以一定程度抑制试件中干缩裂缝的产生[7]。从干缩应变-时间曲线看，以土凝岩和水泥作为固化剂的试件的干缩应变随时间的变化趋势也基本一致，当时间达到15 d时，水泥固化剂和土凝岩固化剂改性试件的干缩应变都已经分别完成整体稳定值的89%和91%，由此可见，水泥固化剂和土凝岩改性试件的干缩应变主要发生在15 d的阶段，而在后期的干缩应变较少，因此，在施工过程中应该确保在15 d内进行养护，此外，对比分析还可见，当水泥固化剂和土凝岩固化剂添加量分别为6%和8%时，固化剂改良公路路基土体的干缩应变最小，整体而言，采用土凝岩固化剂进行改性的公路路基土体的干缩应变减小，更适宜于路基的应用[8]。从干缩系数-时间看，随着时间的延长，水泥固化剂和土凝岩固化剂改性试件的干缩系数都呈现先急剧上升后趋于平稳，然后逐渐降低的过程，2种固化剂改性试件的干燥系数在10 d时都会急剧增加，且会随着水泥和土凝岩掺量增加而增大，在时间达到60 d及以上时，水泥固化剂改性试件的干燥系数降低时间相较土凝岩固化剂改性试件提前，可见，土凝岩固化剂改性试件在后期的干燥收缩性能会相对水泥固化剂改性试件更为稳定。

(a)试件外形

(b)养护图1 试件外形与试件养护宏观形貌

Figure 1 Specimen shape and specimen maintenance macromorphology

图2 固化剂改良公路路基土体的干燥收缩性能随时间的变化曲线Figure 2 Curve of drying shrinkage of roadbed soil improved by curing agent with time

图3为水泥掺量对公路路基土体干燥收缩性能的影响曲线。从整体失水量看，随着水泥掺量的增加，整体失水量呈现减小而后增大的趋势，在水泥掺量为6%时取得最小值；从前10 d失水量增幅看，随着水泥掺量的增加，前10 d失水量呈现波浪变化趋势，在水泥掺量为6%时取得最大值；从干缩应变看，随着水泥掺量的增加，干缩应变也呈现波浪变化，在水泥掺量为6%时取得最小值；从前10 d干缩应变增幅看，随着水泥掺量的增加，前10 d干缩应变呈现先增加而减小趋势，在水泥掺量为6%时取得最大值。

图3 水泥掺量对公路路基土体干燥收缩性能的影响Figure 3 Effect of cement content on drying shrinkage of highway subgrade soil

图4为土凝岩掺量对公路路基土体干燥收缩性能的影响曲线。从整体失水量看，随着土凝岩掺量，呈现先增加后减小趋势,在土凝岩掺量为4%时取得最大值；从前10 d失水量增幅看，随着土凝岩掺量的增加，前10 d失水量呈现波浪变化趋势，在土凝岩掺量为8%时取得最大值；从干缩应变看，随着土凝岩掺量的增加，干缩应变呈现先减小后增大趋势，在土凝岩掺量为8%时取得最小值；从前10 d干缩应变增幅看，随着土凝岩掺量的增加，前10 d干缩应变整体呈现逐渐减小趋势。结合图3的水泥掺量对公路路基土体干燥收缩性能的影响可知，水泥固化剂和土凝岩固化剂对前10 d失水量增幅的变化趋势刚好相反，而在失水量较小时，2种固化剂改性的土体的整体干缩应变都较小，但是整体而言，土凝岩作为固化剂改性的土体的干燥收缩性能要优于水泥固化剂。

图4 土凝岩掺量对公路路基土体干燥收缩性能的影响Figure 4 Effect of soil tuff content on drying shrinkage of highway subgrade soil

图5为固化剂改良公路路基土体的干燥收缩性能随失水率的变化。从干缩应变-失水率曲线看，随着失水率的增加，水泥固化剂和土凝岩固化剂改性试件的干缩应变整体都呈现逐渐升高的趋势，且当水泥掺量为4%时水泥固化剂改性土体的干缩应变高于相同失水率的其它试件，当土凝岩掺量为6%时土凝岩固化剂改性土体的干缩应变高于相同失水率的其它试件；当水泥固化剂和土凝岩固化剂改性试件的失水率达到11%附近时，2种试件的干燥应变也同时达到峰值。从干缩系数-失水率曲线看，水泥固化剂和土凝岩固化剂改性试件的失水率整体呈现随着失水率增加而先增大后减小特征，水泥掺量为6%和10%时干燥系数随失水率的变化分别与土凝岩掺量为4%和8%时相似，而土凝岩改性试件在相同掺量下的干缩变形却小于水泥土改性试件，这也进一步说明土凝岩固化剂对公路路基土体的改性效果要优于水泥[8-9]。

图5 固化剂改良公路路基土体的干燥收缩性能随失水率的变化Figure 5 Changes of drying shrinkage performance of road subgrade soil improved by curing agent with water loss rate

通过SPSS Statistics和MATLAB软件对土凝岩固化剂改良公路路基土体试验进行回归曲线模型统计分析，可得出土凝岩固化剂改良公路路基土体的时间与干缩应变对应的方程式为[10]：

y=3 086.27-3 292.04/t

(1)

土凝岩固化剂改良公路路基土体的干缩应变模型可用下式表示[11]：

y=A+B/t

(2)

其中，A=a0+a1x+a2x2+a3x3;B=b0+b1x+b2x2+b3x3;x为固化剂掺量;t为时间;y为干缩应变[12-13]，结合前述的土凝岩固化剂改良公路路基土体干缩性能测试结果可知[14]，本文的土凝岩固化剂改良公路路基土体的干缩应变模型可表示为：

y=4 017.967+685.284x-190.26x2+11.66x3+

(-5704.95-448.363x+206.283x2-

14.492x3)/t

(3)

图6为土凝岩固化剂改良公路路基土体的干燥应变拟合曲线。可见，当土凝岩固化剂掺量分别为2%、4%、6%、8%和10%时，固化剂改良公路路基土体的干缩应变的软件数据处理值与原始数据基本吻合，误差都在5%以内，即采用公式(3)可以计算得到土凝岩固化剂改良公路路基土体的干燥应变，计算结果与试验结果相吻合，可以较好地指导实际工程中公路路基土体的施工养护工作[15]。

图6 土凝岩固化剂改良公路路基土体的干燥应变拟合曲线Figure 6 Drying strain fitting curve of improved highway roadbed soil with soil tuff solidifying agent

3 结论

a.土凝岩相对水泥固化剂具有更好的前期保水性，可以一定程度抑制试件中干缩裂缝的产生；采用土凝岩固化剂进行改性的公路路基土体的干缩应变减小；土凝岩固化剂改性试件在后期的干燥收缩性能会相对水泥固化剂改性试件更为稳定。

b.水泥固化剂和土凝岩固化剂对前10 d失水量增幅的变化趋势刚好相反，而在失水量较小时，2种固化剂改性的土体的整体干缩应变都较小，但是整体而言，土凝岩作为固化剂改性土体的干燥收缩性能要优于水泥固化剂。

c.土凝岩固化剂改良公路路基土体的时间与干缩应变对应的方程式为：y=3 086.27-3292.04/t；土凝岩固化剂改良公路路基土体的干缩应变模型可用下式表示：

y=4 017.967+685.284x-190.26x2+11.66x3+(-5 704.95-448.363x+206.283x2-14.492x3)/t。土凝岩固化剂改良公路路基土体的干缩应变的软件数据处理值与原始数据基本吻合，误差都在5%以内，土凝岩固化剂改良公路路基土体的干缩应变模型可以较好地指导实际工程中公路路基土体的施工养护工作。