聚合物乳液与水泥复合固化粉土的混料优化

王天新，郝 雨，樊 亮

（1.齐鲁高速公路股份有限公司，山东 济南 250031；2.单县交通运输局，山东 菏泽 274300；3.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）

引言

粉土的工程不良性质，带来粉体在道路工程建设的应用限制，科学改良粉土、利用粉土资源是工作者普遍关注的问题［1］。传统上技术中常用石灰、水泥、粉煤灰等无机结合料进行稳定粉土。这些材料属于钙基类稳定材料，主要利用钙离子交换和火山灰反应以及Ca（OH）2的结晶、碳化增强稳定土效果。但是无机稳定技术普遍存在干缩、温缩大、水稳定性差的问题，这与粉土组成有很大关系［2］。以黄河冲（淤）积粉土为例，其组成几乎都由原生矿物粉粒组成，可塑性差，活性SiO2、Al2O3成分少，级配也差；石灰与土反应生成的固化凝聚物量少，导致灰土初期和后期强度低，抗水抗冻性差；由于级配不良，水泥填充和胶结不能充分发挥；粉土中黏粒少，活性组分的溶解量少，水泥土系统中激发土壤生成水化硅酸钙或钙铝硅酸盐胶结物就少，因此对土的胶结作用差，强度提升不明显［3］。

为此，很多研究者采用高分子固化进行粉土的稳定工作，如沥青、乳化沥青、稀释沥青等，也有采用合成聚合物材料对粉土进行稳定［4-5］。这些有机材料可以避免钙基类固化材料引起的土壤膨胀，带来更好水稳定性，构成了其重要的技术优势。

1 材料与试验

1.1 材料

1.1.1 粉土

粉土以山东单县郭村镇（北纬34.82，东经116.07）的黄河淤积粉土为试验用土（简称S），表1 为液塑限、粒径组成指标，为含砂低液限粉土。

表1 粉质土指标

1.1.2 固化材料

（1）高分聚合物乳液为丁二烯、苯乙烯经过乳液聚合得到的一种乳白色水性溶液，电荷为阴离子，试验室将其稀释至5%的固含量浓度，按照一定掺量掺加至粉土中，达到粉土的固化效果，简称LA。（2）为保证粉土的后期强度，粉土固化中添加3%的水泥，简称C，联合使用。（3）采用矿渣硅酸盐水泥，指标见表2。

表2 水泥指标

1.2 设计与试验

采用Design-Expert 软件进行试验设计和混料优化［6］，其中LA含量5%～10%，C 含量1%～3%，S 含量89%～92%之间。设计试验为16 组，分别测量试件的7 d 无侧限抗压强度和浸水无侧限抗压强度（2 个响应参数），并计算试件的水稳系数。表3 为试验安排和结果数据。

表3 试验安排与检测结果

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009），试件成型采用静压成型方法（T0843），为φ50 mm×50 mm 圆柱形试件，成型压力机量程不小于2 000 kN，成型速度为1 mm/min。采用人工拌和，为防止拌和不均匀，每个试件均单独进行拌和。成型试件脱模后，将试件放入密封袋内密封，室温养生7 d。

抗压强度测试采用10 kN 压力机进行压力测试，速度为2 mm/min，取压力峰值进行无侧限抗压强度计算，每组制作3 个试件，取平均值计算强度。其中，水稳系数=饱水抗压强度/室温抗压强度。

2 分析与讨论

2.1 响应参数模型

根据表3 试验结果，按照Design Expert 软件推荐的相关系数最大的数学模型，对响应参数强度和水稳系数进行拟合。

（1）无侧限抗压强度拟合方程（Quadratic 模型）

（2）水稳系数拟合方程（Cubic 模型）

式中：LA、C、S—聚合物胶乳溶液、水泥、干燥粉土的含量，%。

模型方差分析中，模型对据的拟合程度用相关系数R2表示，组成与响应参数的显著相关用p 值判断。一般而言，R2越接近1，拟合准确性越高；p＜0.05，则表明组成与响应参数有显著性，p 值越小，显著性越高。

表4 为两响应模型的方差分析结果，两个模型均能良好拟合，尤其是强度模型的相关系数R2为0.94，p＜0.000 1，体现出极好的显著性；而水稳系数模型相关性较低，p 值小于0.05，也能体现出良好的显著性。图1 显示出两个模型中，实测数据和预测数据之间具有良好的对应关系，说明这两个模型公式在试验数据范围内是合适的，利用组成含量关系可以预测固化土的7 d 无侧限抗压强度和水稳系数。

表4 响应模型方差分析

图1 响应模型中的实测数据与预测数据

2.2 响应参数影响因素

图2 为固化土各组分对响应参数造成的影响轨迹，其中轨迹曲线上升表明随着该组分的增加对该响应值增长有利，曲线下降则表明随着该组分的增加会降低其响应值。

图2 固化土组成对响应参数的影响轨迹曲线

图2（1）为无侧限抗压强的影响因素轨迹，表明了LA乳液、水泥C 和粉土S 的含量对强度影响不同。水泥对强度的影响最为显著，轨迹曲线更为陡峭，呈正相关趋势；而LA乳液的含量增高，并不能带来强度显著的上升，在一定添加比例后，固化土的强度衰减会变慢。粉土组成含量提高，固化剂减少，会带来更大的强度弱化。从而说明，在强度贡献方面，水泥起到了至关重要的作用。图2（2）为水稳系数的变化轨迹。影响土体水稳定性、且呈正相关关系的组成为LA乳液。LA乳液含量的增高，会带来土体水稳定性的提高，但在一定含量后，增幅也不再明显；而水泥对水稳定性的影响无明显规律。

综合分析表明，在复合固化粉土技术中，LA乳液起到了土体初期黏结稳定作用，并显著提高了土体的水稳定性；水泥对土体的强度贡献更大；在利用该技术固化粉土时，可以利用这种趋势优化固化土的组成配置。

2.3 组成优化与验证

利用软件中的混料优化设计器，可以根据自设定的强度、水稳系数要求进行固化土组成比例优化。如在农村低等级道路或村村通工程中，固化土强度不能要求太高，但是对水稳定性有着较高的要求。设计可以规定7 d 无侧限强度大于0.8 MPa、水稳系数大于0.6，见表5。通过优化，软件给出一个优化组成方案，LA含量8.4%、水泥C 含量3%、粉土S含量88.6%。根据表6 中优化的物料组成，检测实际试件与模拟优化结果的相对误差，结果表明7 d 无侧限强度的相对误差为0.7%，水稳系数的相对误差为2.5%。这就体现了利用Design-Expert 混料设计方法的良好预测性，并初步证实了混料设计用于聚合物乳液与水泥复合固化粉土中的适用性和可靠性。

表5 各因素范围及权重设置

表6 模型预测结果和误差

3 结语

利用低浓度高分子聚合物乳液、结合低剂量水泥可以复合固化粉土。其中，高分子乳液起到了土体初期黏结稳定作用，并显著提高了土体的水稳定性；水泥对土体的强度贡献更大，决定了土体的后期强度。利用Design-Expert 混料设计可以对复合固化粉土的组成进行含量优化，并体现出良好的预测性和适用性。