EFS土壤固化剂稳定低液限粉土路用性能试验研究*

2021-10-23张玲玲陈代果

施工技术(中英文) 2021年15期

马敏，姚勇，张玲玲，陈代果，刘蕾

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

0 引言

土壤固化剂是由多种无机和有机材料合成的新型节能环保材料，具有较好的土壤固化效果，被广泛应用于路基处理等工程建设中[1-2]。利用土壤固化剂代替石灰、水泥、粉煤灰等传统材料，具有较高的环境效益。已有学者对土壤固化剂在道路基层中的应用开展了大量研究，如周伟等[3]的研究表明，淤泥经水泥基固化处理后可作为路基填料，可解决疏浚工程底泥资源化利用问题；徐洪华等[4]通过开展正交试验，得出满足设计要求的泡沫轻质土配合比，同时研究泡沫轻质土作为路基填料减少路基工后沉降及不均匀沉降的有效方法；陈贝等[5]选取藏东南地区公路路基常见4类土体，对土体压实特征、抗压强度等进行了室内试验研究，并给出最优级配，研究发现以不同掺量加入帕尔玛离子固化剂后，4类土体无侧限抗压强度曲线随着固化剂掺量的增加而增大；杜应吉等[6]利用WH型土壤固化剂固化黄土，并进行抗渗、抗冻、击实和无侧限抗压强度试验，研究发现固化黄土抗冻性、抗渗性均得到提高；江舜根等[7]将SS-1型固化剂、水泥作为固化材料，通过无侧限抗压强度、水稳定性、线性收缩、CBR、回弹模量试验，研究SS-1型固化剂处理粉土路基路用性能；李昭鹏[8]将路邦EN-1土体固化剂、石灰和水泥掺入黄土中，并进行室内和室外试验，结果表明，路邦EN-1固化土作为道路基层，对提高道路稳定性和强度具有明显效果。

作为新型环保离子类的EFS土壤固化剂，与土壤混合后将发生一系列物理化学反应，且能有效填充土颗粒之间的孔隙，使固化土致密，从而有利于土体压实，压实后的土体会降低再吸水能力，使抗压、抗渗性能大幅度提高[9]。EFS土壤固化剂经水稀释后无任何危害性，对生态无破坏，在道路基层、软土地基硬化等工程领域具有应用前景，但目前对其固化效果的研究较少。因此，以成都市基土为例，设计3种固化土配合比，研究EFS土壤固化剂对路基的固化作用，并给出配合比设计建议。

1 试验概况

1.1 原材料

试验用土外表呈红棕色，粒径较小，为无大颗粒石的细粒土，土质较湿。根据YS/T 5225—2016《土工试验规程》和JTG E40—2007《公路土工试验规程》有关规定，采用烘干法测得土样天然含水率为17.53%。采用液、塑限联合测定法测得土样液限为23.33%，塑限为13.78%，计算得到塑性指数Ip=9.55，液性指数Il= 0.39，由Ip<10、液限<50%，0.25

1.2 固化土配合比

按照CJJ/T 286—2018《土壤固化剂应用技术标准》有关要求，进行固化土配合比设计，如表1所示。根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》有关规定，控制土样压实度为96%，制作φ100mm×100mm试件，每组6个。

表1 固化土配合比 kg·m-3

2 试验结果与分析

2.1 7d无侧限抗压强度

为快速准确地反映试件强度特性，进行7d无侧限抗压强度试验。选用HYE-300型微机电液伺服压力试验机，记录试件破坏时的最大压力P。试件无侧限抗压强度按式(1)计算，为保证试验结果精度，引入95%保证率的强度代表值、变异系数，分别按式(2)和式(3)进行计算。

(1)

(2)

(3)

试件7d无侧限抗压强度计算结果如表2所示。由表2可知，3种配合比试件7d无侧限抗压强度变异系数均满足规范限值要求；A3组试件7d无侧限抗压强度较大，离散性较小；A1组试件7d无侧限抗压强度较小，离散性较大；随着水泥用量的增大，试件7d无侧限抗压强度逐渐增大；《土壤固化剂应用技术标准》中要求城市道路轻交通底基层一级固化土7d无侧限抗压强度为1.5～2.5MPa，可知A1，A2组试件均满足该要求，其中A2组试件7d无侧限抗压强度较高，95%保证率的强度代表值较规范限值1.5MPa高42%，较A1组试件高25.29%；《土壤固化剂应用技术标准》中要求城市道路轻交通基层三级固化土7d无侧限抗压强度≥2.5MPa，可知A3组试件满足该要求，95%保证率的强度代表值较规范限值2.5MPa高6.80%，分别较A1，A2组试件高57.06%，25.35%。

表2 试件7d无侧限抗压强度

水泥在EFS土壤固化剂的促进作用下与混合料胶结为整体，水泥掺量为5%的土体中水泥胶凝颗粒相对较少，未能完全包裹土颗粒，特别是土体棱角部位较少吸附水泥胶凝颗粒[10]。随着水泥掺量的增加，水泥掺量为6.5%，8%的土颗粒包裹性有所增强，颗粒表面和棱角部位已吸附较多的水泥胶凝颗粒，且EFS土壤固化剂改变了土颗粒物理结构，使颗粒之间或内部发生交联，增强了土体稳定性，从而提高了土体抗压强度。

2.2 水稳定性

为判断固化土遇水时的稳定性及抵抗侵蚀破坏的能力，进行水稳定性试验。水稳定性系数以标准养护6d、泡水1d与标准养护7d稳定土试件无侧限抗压强度平均值之比进行评定[11]。本试验试件标准养护6d后取出称重，然后泡水1d，泡水结束后使用软布吸取试件表面水分，并再次称重。观察知，经1d泡水后，试件未出现大量损坏或脱落现象，泡水后质量增大。水稳定性试验结果如表3所示。由表3可知，A1～A3组试件平均吸水量较小，表明试件质量变化较小；A1～A3组试件均具有良好的水稳定性，水稳定性系数分别为80.47%，83.09%，86.29%，均较规范限值高。这主要是因为纯土土颗粒及土团之间依靠水胶黏结，黏结强度低，一旦浸水饱和，土颗粒及土团之间受水分子运动的影响，水膜效应增加，粒间排斥力增大，导致粒间黏结力丧失，趋于分散状态。加入EFS土壤固化剂后，其与土颗粒表面形成化学链，可除去土体矿物中的水分，疏水尾包围了土颗粒，阻止水分进入，将土颗粒由亲水性变为憎水性，使固化土水稳定性得到提高。同时，水泥与土样搅拌后，土颗粒被水泥包裹，接触较充分，混合料胶结为整体，形成具有一定水稳定性的整体板块，且随着水泥掺量的增加，水稳定效果越好。

表3 水稳定性试验结果

2.3 抗冲刷性

为检验固化土抗冲刷性，开展冲刷试验。喷嘴直径8cm，喷孔65个，孔径0.01mm，水压控制为0.05～0.10MPa，冲刷高度为80cm，以保证水压、水流与室外降雨尽量接近。记录渗透时间并观察试件表面变化，计算渗透速率。冲刷试验中，水以一定压力连续作用于试件，除试件表面受水分子影响外，随着冲刷时间的延长，土体内部因表层土颗粒水膜饱和，与邻层干燥土颗粒形成水力坡度，水分继续向内渗透。观察试件受水作用的同时，每隔10min记录试件冲刷渗透厚度，用于计算试件渗透速率。冲刷试验结果如表4所示。由表4可知，各组试件经一段时间冲刷后表面均完整、无溃散，表明试件抗冲刷性良好；随着水泥掺量的增加，试件渗透速率逐渐减小，表明试件抗冲刷性逐渐提高；随着冲刷时间的增加，各组试件渗透速率逐渐增大，表明试件耐水性有所降低。