抗疏力固化土路用性能对比试验研究

2021-09-14史晓强

现代交通技术 2021年4期

史晓强

(中铁十九局集团第三工程有限公司，沈阳 110136)

土壤作为工程中来源最广泛、最经济的原材料，其因强度低、稳定性差等缺陷，在公路工程应用中受到限制[1-4]。传统的土壤改性主要通过添加水泥、石灰、粉煤灰、二灰土等无机稳定类材料来实现，但随着交通量日益增大、国家对环保的日益重视，水泥、石灰等无机稳定类材料的缺陷日益凸显：①生产过程中开采大量黏土矿物，产生大量有毒气体和粉尘颗粒，影响生态安全；②水泥在提升土壤强度的同时，阻断土体内部孔隙连通，不利于维持土体内部的干燥状态；③石灰稳定土强度低、水稳定性差，受雨水冲刷易出现翻浆、唧泥、不均匀沉降等病害，严重影响公路工程的安全性[5-7]。因此，寻求一种性能优异、环境友好的新型土壤固化剂成为解决工程土壤问题的关键。

抗疏力固化剂为新型土壤固化材料，起源于瑞士，其主要由水剂C444和粉剂SD两部分组成，可加速黏性土壤再石化进程。抗疏力固化技术在国外土工领域已使用四十多年，其成品经多家检测单位认定为环保产品，用于公路工程中具有施工方便、工效高、进度快、造价低等优点。20世纪80年代抗疏力固化剂引入我国，因其优良性能广受关注。刘俊[8]利用抗疏力固化技术对重庆红黏土进行处理，有效提高了土壤的力学性能、水稳定性和耐久性能。张虎元等[9-10]将抗疏力固化剂掺入黄土中，并与水泥、石灰等传统无机材料进行对比，结果发现抗疏力固化黄土斥水性最优、通透性最好。郭晓宏等[11]研究结果表明，抗疏力固化剂显著降低中、高膨胀土的自由膨胀率和线膨胀率。杨永东等[12]以抗疏力固化土为竖向增强体构件复合地基，结合Ansys有限元分析软件对复合地基进行数值分析，结果表明抗疏力固化土构建的复合地基满足规范要求。抗疏力固化技术虽然已有较为丰富的研究，但研究内容主要集中在抗疏力固化剂对单一土壤性能的改善，抗疏力固化剂对不同类型土壤适用性和路用性能的研究较少，限制了抗疏力固化剂的进一步推广应用。

基于此，本文选取黄土、红黏土、膨胀土3种工程性质不良土壤，通过无侧限抗压强度试验、间接抗拉强度试验、干缩试验、吸水特性试验，对比分析抗疏力固化剂固化不同类型土壤路用性能的差异性，为抗疏力固化剂在全国推广应用提供理论依据。

1 试验部分

1.1 原材料

1.1.1 抗疏力固化剂

抗疏力固化剂选用北京抗疏力科技有限公司生产的水剂C444和粉剂SD。水剂C444是一种电离子溶液，呈淡黄色，pH值为6，具有挥发性，在高温下易燃烧。粉剂SD是一种高分子有机粉末，呈灰白色。

1.1.2 土样

在贵阳地区选取黄土、红黏土、膨胀土，扫除表面浮土，取1.5～2.0 m深、无裂缝的土样。依据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)，对3种土样进行干燥、粉碎，通过2 mm筛，并测试土样的物理力学性能，黄土、红黏土、膨胀土物理力学性能指标如表1所示。

表1 黄土、红黏土、膨胀土物理力学性能指标

1.2 制样及测试方法

设置水剂C444掺量为 0.7‰、0.9‰、1.1‰，粉剂SD掺量为1.4%、1.8%、2.2%(占混合料总质量的百分比)，抗疏力固化土试验方案如表2所示。

表2 抗疏力固化土试验方案

将抗疏力固化剂分别与黄土、红黏土、膨胀土拌和均匀，依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)进行击实试验，确定抗疏力固化土的最佳含水率和最大干密度。依据击实试验结果，选用静压成型法，压实度为97%，成型φ50 mm×h50 mm的圆柱体试件和50 mm×50 mm×200 mm的长方体试件，每组成型6个平行试样。试件成型后用塑料袋包裹，置于自然环境中进行养生。养生3 d后，取长方体试件饱水24 h，参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)测量试件随龄期增长所产生的干缩变形，并根据式(1)和式(2)计算试件干缩应变εi和干缩系数αi。

(1)

(2)

式中，i为龄期，d；εi为第i天试件的干缩应变；l为试件的初始长度，mm；αi为第i天试件的干缩系数，%；wi为第i天试件的失水率，%。

养生7 d后，取圆柱体试件测量无侧限抗压强度和间接抗拉强度；养生28 d后，取圆柱体试件分别测量抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的质量m0，然后浸入水中24 h(水面高度高于试件顶面2.5 cm)，再测量其质量m1，根据式(3)计算试件的吸水率Q。

(3)

式中，Q为试件的吸水率，%；m0为试件浸水前质量，g；m1为试件浸水24 h后质量，g。

2 结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度

不同抗疏力固化剂掺量下，抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的7 d无侧限抗压强度如图1所示。

图1 7 d无侧限抗压强度

由图1可知，抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的7 d无侧限抗压强度均随着抗疏力固化剂掺量的增加而增大。当C444掺量增至0.9‰、SD掺量增加至1.8%时，抗疏力固化黄土、红黏土和膨胀土的7 d无侧限抗压强度分别提高了30.4%、11.8%和14.4%。这可能归因于抗疏力固化剂掺量增加，C444中大量带电离子与土壤颗粒周围电荷中和，降低结合水膜的厚度，增强土壤颗粒间的分子作用力，使土体更致密，进而提高无侧限抗压强度，而SD与土壤拌和均匀后，及时对土壤颗粒进行包裹，增强了土体的稳定性，提高了无侧限抗压强度。

抗疏力固化不同类型土壤的无侧限抗压强度差异性较大。抗疏力固化黄土的无侧限抗压强度最优，其次为红黏土，膨胀土无侧限抗压强度最差，但均满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)施工要求。除此之外，抗疏力固化剂掺量的变化对黄土的7 d无侧限抗压强度影响更为显著，其次为膨胀土，红黏土对抗疏力固化剂掺量变化的敏感性较小。当C444掺量以0.2‰的幅度增加时，抗疏力固化黄土的7 d无侧限抗压强度分别提高了30.4%、29.0%，抗疏力固化膨胀土的7 d无侧限抗压强度分别提高了14.4%、16.8%，抗疏力固化红黏土的 7 d 无侧限抗压强度分别提高了11.8%、13.8%。

2.2 间接抗拉强度

不同抗疏力固化剂掺量下抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的间接抗拉强度如图2所示。

由图2可知，抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的间接抗拉强度与7 d无侧限抗压强度的规律类似，均随着抗疏力固化剂掺量的增加而增大。当C444掺量为0.7‰、SD掺量为1.4%时，抗疏力固化黄土、红黏土和膨胀土的间接抗拉强度分别为0.47 MPa、0.41 MPa和0.31 MPa；当C444掺量增至1.1‰、SD掺量增至2.2%时，抗疏力固化黄土、红黏土和膨胀土的间接抗拉强度分别提高了117.0%、85.4%和103.2%。

图2 间接抗拉强度

抗疏力固化黄土的间接抗拉强度最优，其次为红黏土，抗疏力固化剂对膨胀土的固化效果最差，这与无侧限抗压强度的结论一致。当C444掺量为0.9‰、SD掺量为1.8%时，相较抗疏力固化膨胀土，抗疏力固化红黏土的间接抗拉强度提高了23.4%，抗疏力固化黄土的间接抗拉强度提高了61.7%。这是由于黄土、红黏土、膨胀土的颗粒组成和矿物成分差异较大。黄土、红黏土中存在大量的黏土矿物，如水云母、高岭石等，而膨胀土含有大量亲水矿物，如蒙脱石。大量亲水矿物的存在，导致抗疏力固化剂对土壤颗粒周围水膜作用效果减弱，土壤颗粒间的引力减弱，导致抗疏力固化膨胀土的无侧限抗压强度和间接抗拉强度较低。同时，黄土、红黏土的颗粒组成以粒径<0.005 mm的黏粒为主，膨胀土的颗粒粒径主要为0.005～0.05 mm。抗疏力固化剂主要通过降低黏土颗粒周围结合水膜厚度以提高土体强度，因而抗疏力固化黄土、红黏土的无侧限抗压强度和间接抗拉强度优于抗疏力固化膨胀土。

2.3 收缩性能

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)，将饱水的长方体试件置于干缩室内(温度为20 ℃±1 ℃，相对湿度为60%±5%)，选用千分表测量试件长度随龄期增加的变化量，并分别计算抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的干缩应变和干缩系数，抗疏力固化剂掺量对抗疏力固化土干缩应变的影响如图3所示。

由图3可知，随着抗疏力固化剂掺量的增加，抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的干缩应变均逐渐降低。干缩试验进行至28 d时，相较于C-H-1、C-N-1、C-P-1的试件，C-H-2、C-N-2、C-P-2试件的干缩应变分别降低了16.7%、23.1%和24.1%。半刚性材料的干缩变形原理可概括为毛细管张力作用、吸附水和分子间作用、矿物凝胶层间水作用和碳化收缩4个方面的综合作用，而毛细管张力作用是半刚性材料干缩变形的主要原因，主导早期干缩变形[13-15]。随着抗疏力固化剂掺量的增加，土壤颗粒周围结合水膜厚度降低，土体结构更为致密，内部毛细孔隙数量减少，使得毛细管张力作用减弱，抗疏力固化土干缩变形减小。

对比分析图3(a)、(b)、(c)可知，抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的干缩应变曲线均可分为3个变化阶段：阶段Ⅰ，干缩试验前期(1～3 d)，试件干缩应变曲线近似直线增长，这是由于试件表面的大量自由水在温度、湿度等环境因素的作用下大量蒸发，失水迅速，试件干缩变形量增大；阶段Ⅱ，干缩试验中期(4～13 d)，试件干缩应变曲线增长速率减慢，逐渐趋于平缓，这是由于试件表面自由水在试验前期已蒸发殆尽，此阶段主要为试件内部的自由水蒸发，但由于混合料的包裹，失水速率缓慢，试件干缩变形增长缓慢；阶段Ⅲ，干缩试验后期(14～28 d)，试件干缩应变曲线趋于平缓，此阶段混合料内部水分已蒸发殆尽，试件失水率趋于定值，干缩变形逐渐稳定。

(a) 抗疏力固化黄土

(a) 干缩应变

抗疏力固化土的干缩应变和干缩系数对比分析如图4所示。

由图4可知，抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的收缩性能表现存在差异性。抗疏力固化黄土干缩应变最小，其次为红黏土，抗疏力固化膨胀土的干缩应变最大。相比C-N-2试件，C-H-2和C-P-2试件的28 d干缩系数分别降低了21.7%和30.0%。这是因为干缩试验过程中，抗疏力固化膨胀土虽然干缩变形量较大，但失水迅速，干缩系数较小。因此，选用干缩应变或干缩系数作为半刚性材料干缩抗裂性能的评价指标仍需进一步研究。

2.4 吸水特性

抗疏力固化土的吸水率对比分析如图5所示。

图5 抗疏力固化土的吸水率对比分析

由图5可知，随着抗疏力固化剂掺量的增加，抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的吸水率均显著降低。当C444掺量为0.7‰、SD掺量为1.4%时，抗疏力固化黄土、红黏土和膨胀土的吸水率分别为1.1%、1.4%和2.6%；当C444掺量增至0.9‰、SD掺量增至1.8%时，抗疏力固化黄土、红黏土和膨胀土的吸水率分别为0.8%、1.2%和2.3%。这是由于随着抗疏力固化剂掺量的增加，土壤颗粒表面结合水的水膜厚度降低，土体内部毛细孔隙数量减少，毛细水作用力减弱，同时SD及时包裹在土壤颗粒表面，避免水分进一步侵入。

抗疏力固化黄土、红黏土、膨胀土的吸水率存在差异性。当C444掺量为1.1‰、SD掺量为2.2%时，抗疏力固化黄土、红黏土和膨胀土的吸水率分别为0.6%、0.9%和2.1%。