废弃泥浆复合胶结材料含水量对无侧限抗压强度的影响

李兰珍

文章选取南宁地区的土样，通过试验研究了石灰、水泥、胶结剂添加量、材料含水率、压实度等因素对无机结合稳定料抗压强度的影响。结果表明：水含量决定了胶结剂与石灰水泥的融合度，当材料配合比水的比例为最佳比例时，胶结剂可以充分稀释，与水泥反应充分，但此时强度并不是最大的，在最佳含水量为94%～98%时强度才达到最大;压实程度是决定土体无侧限抗压强度的重要因素，压实度越大，复合胶结材料的强度越大，因此实际施工中应根据施工要求尽可能提高压实度。

废弃泥浆;复合胶结材料;稳定材料;抗压强度;试验研究

U416.03A080275

0 引言

自20世纪50年代以来，废弃泥浆复合胶结材料在我国公路行业逐渐得到了广泛的应用，由于其是以普通施工用土为基础，加入了水泥、石灰、胶结剂等废弃泥浆复合胶结材料，结构和强度远超一般材料。对废弃泥浆复合胶结材料进行充分、均匀地搅拌后静置，可大大提高材料的抗压强度。因此其作为基层材料广泛应用于重载交通公路，也稱半刚性基层材料[1-2]。但是从我国重载交通地区道路工程回访情况来看，大部分高速公路的使用寿命都达不到预期。应用废弃泥浆复合胶结材料的初衷是充分发挥其高强、耐久性，更好地服务于交通事业，但由于对该材料的抗压强度分析不够，导致在公路施工中未充分考虑各方面因素对抗压强度的影响，在设计上不够准确。为此，本文选取南宁地区的土样，对石灰、水泥、胶结剂添加量、材料含水率、压实度等因素对废弃泥浆复合胶结材料抗压强度的影响进行了试验研究，并希望通过试验了解影响废弃泥浆复合胶结材料抗压强度的因素和两者的关系。

1 试验材料

1.1 试验材料选择

废弃泥浆复合胶结材料是一种人工合成混合建筑材料，因此其结构不同于自然界的天然土质，稳定性更强。通常废弃泥浆复合胶结材料的制备需要具备松散的土质条件，或者将材质较硬密度较大的土进行粉碎，并加入适当配合比的石灰、水泥和其他工业废料进行搅拌压实，这样得到的土质强度比较大，稳定性更高，凝固性也更优越。废弃泥浆复合胶结材料的使用范围广泛，根据不同的用途，可以适当调整添加物来使材料具备不同的功用性能。本文所研究的主要为添加石灰和水泥的废弃泥浆复合胶结材料[3-5]。本次试验土壤原料采用南宁市某土场，取土地点为地表深度2.5 m范围内。通过对照半刚性基层材料中对南宁地区土样的一般试验数据结果：液限 40.5%，塑限 24%，塑性指数15.5。

同时对南宁市地铁1号线与2号线交汇点进行取样，取样地点为距地表2 m处，经过试验分析，得到结果为：液限40.2%，塑限21.8%，塑性指数15.6;同时参照南宁地区石灰、水泥复合胶结材料配合比中对南宁方特乐园附近采集的土样进行数据分析，结果为：液限40.24%，塑限23.35%，塑性指数117.68[6-7]。

水泥在稳定材料中起主要填充作用，材料选取除了要符合国家规定的技术指标外还要结合相应的使用场景选用合适的水泥灰号，考虑到试验要求，应尽量避免使用快速填充水泥，凝固时间最小应为6 h，本文选用强度等级较低的32.5级水泥，避免因为水泥颗粒细小发生形变影响试验结果，此外还需注意不可选用变质受潮的水泥。本文选用锦州水泥厂生产的420号水泥[8-9]。

石灰在稳定材料中可以起到一定的辅助填充作用。由于石灰量少，因此对石灰质量等级要求较高，以确保石灰中氧化钙和氧化镁的含量能有效地对稳定材料进行填充处理，本文选用三级以上的生石灰作为稳定材料的添加剂。试验采用过筛的办法对石灰进行除渣处理，剔除杂质。此外还要求石灰的存放时间不能超过一个月，注意密封保存，防止受潮和变质对检验结果造成影响。

1.2 试验材料最佳配合比的确定

先确定最佳材料配合比，研究胶结剂、石灰、水泥等物料的加入量、压实程度、含水率与无侧限抗压强度的关系。根据胶结剂生产厂家的建议，胶结剂可与石灰类物质混合或与水泥类材料混合，对胶结剂与水泥的配合比有多种，选取其中19种进行试验。在水泥类中选取2%、3%、4%、5%、6%、7%六种配合比，石灰类选用3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%八种配合比，胶结剂选用0.18%、0.20%、0.22%、0.25%、0.28%、0.30%、0.32%、0.35%、0.38%九种配合比，分别组合配合比见表1。

根据各混合稳定料的最优含水率和最大干密度，用表5中列出的每一组配合比计算出样品的质量合格成分含量并制备好样件后，测试一周无侧限抗压强度，并用这一指标作为各配合比填充效果的检验标准。在试验土样中加入土壤胶结剂后，除水泥为2%的这组配合比外，所有复合胶结材料的抗压强度都有显著的提高。总体上，石灰组复合胶结材料样件的强度较水泥组高。石灰组样件中，只有配合比为3%石灰加0.20%胶结剂的样件强度为0.8 MPa，未达到理想强度1 MPa以上，其他组样件表现稳定。水泥组样件中，只有配合比为5%水泥和6%水泥的两组强度较高，其余样件的强度都低于石灰组，相较于添加水泥的填充土样件，添加石灰的填充土样件稳定性更好。所有样件在经过（6+1） d的养生和晾干后，石灰组填充土样件中，只有配合比为3%石灰加0.25%胶结剂的样件由于强度不够，出现轻微破损，其余均保持完整。水泥组样件中，只有配合比为5%和6%水泥添加量的四组样件保持完整，其余均出现不同大小的破损，尤其配合比为2%和3%的水泥添加量的填充土样件破损程度最大。

综合考虑成本等问题，由于水泥价格要远远高于石灰，所以采用石灰组样件作为试验对象。样件选用方面，石灰含量为3%的样件强度不够，不选用;含量为7%的样件虽然石灰含量增加，但是强度增加不明显;5%石灰含量的样件中，三组配合比的强度满足要求，容器稳定性更好，偏差系数低。所以选用石灰含量为5%、胶结剂含量为0.25%的配合比作为最佳配合比。并以此配合比来制备试验材料。

2 试验设计

由于目前并没有针对复合胶结材料抗压强度的试验流程规范，所以本文依照目前主流的无机结合稳定料填充土无侧限抗压强度实验参考规范来完成整个试验设计。具体方法流程如下：

2.1 材料制备

对上述土样进行高温干燥处理，然后用锤子等工具捣碎，使其变松，最后过筛，除去杂质，得到比较纯净的原土，用于实验。将混合稳定剂加入除石灰和土壤的主要成分中，用最优含水量和最大干密度计算样件的重量，再分别计算样品中的各成分含量。

每个样件所需混合稳定材料的重量计算公式为：

M1=pdv（1+ω）（1）

式中：v——样件模具体积;

pd——复合胶结材料的密度;

ω——含水率。

每组制备6个样件，并称取3个样件所需的土、石灰或水泥用量，将原土平铺在铁板上，加水搅拌均匀，当含水量达到最佳含水量时，用塑料薄膜包裹密封24 h。

2.2 样件成型

样品的制备和成型有静压和锤击两种方法，本试验采用静压的方法，尺寸为100 mm×100 mm，压实度为100%。将胶结剂、水泥、石灰按不同比例加入原土，均匀混合。把搅拌好的材料放入模子中，用压板轻轻压实，然后把材料放入框架内，再放在千斤顶上，压紧压板直到压入压实试模，保持压力1 min，然后在脱模器上顶出样件，对样件称重并测量样件高度，精确到0.1 mm。

2.3 试件养生

将样件称重测量后，用塑料膜包裹密封，借助养护箱进行养护处理，为保持恒温恒湿养护环境，应用实验室养生箱，设置恒温20 ℃±2 ℃、恒湿 95%±1%环境，对试件进行为期7 d的养生，第7天要将试件浸泡处理。在养生过程中无法避免样件的质量损失，应保证质量损失控制在以下范围内：小样件质量损失<2 g，中样件质量损失≤5 g，大样件质量损失≤8 g，如果质量损失超出控制范围，视为无效样件。

2.4 抗压强度测量

将7 d养生后的样件用吸水布或吸水纸吸去表面的水，对样件称重，测量样件高度，精度为0.1 mm。进行抗压试验时，将样件平整放置于平台上，控制设备压力值，使试验样件的形变速率保持在1 mm/min，并匀速增加。读取并记录样件破坏时的最大压力P，测量样件的横截面积A和直径D，可通过公式计算得到无侧限抗压强度，计算公式如下：

Rc=P/A（2）

A=1/4·πD2（3）

3 无侧限抗压强度试验分析

3.1 胶结剂掺量与抗压强度的关系

选择胶结剂添加量为0.25%、0.3%、0.35%的三种配合比，另外选取0.2%、0.38%两种添加量作为参照组，分别进行7 d无侧限抗压强度试验，考察了胶结剂添加量对抗压强度的影响，试验结果如图1所示。

从图1可知，土壤胶结剂对复合胶结材料的抗压强度有很大的提高，但当土体含量达到临界值0.3%时，增加胶结剂含量并不会增加其抗压强度，而是明显减弱。在上述试验中对参考组配合比中石灰掺量为3%和7%的两组复合胶结材料进行对比，得到了胶结剂掺量与无侧限抗压强度的关系。如图2所示。

从图2中可知，对于石灰添加量为3%和7%的复合胶结材料，胶结剂添加量与强度的关系为先增加后减弱关系。石灰添加量为3%的复合胶结材料无侧限抗压强度与胶结剂添加量的关系，与石灰添加量为7%的复合胶结材料基本相同，强度最大值对应的胶结剂添加量约为0.22%，这与石灰添加量为4%、8%的复合胶结材料也基本相同。由此可以看出，胶结剂掺量对复合胶结材料强度的影响在具体应用中难以确定，应严格按照试验数据进行确定，以保证材料的最大值。

3.2 石灰掺量与抗压强度的关系

在每一组不同胶结剂添加量配合比下，不同的石灰添加量導致强度的变化规律如图3所示。

从图3可知，石灰在7 d无侧限抗压强度试验和20 d无侧限抗压强度试验中，其添加量与强度之间的关系与石灰稳定材料的最佳配合比情况相似，均存在最优配合比，且随着时间的推移，当石灰加入量达到6%时，强度明显提高，石灰用量与强度的关系将持续增加。同时，对对照组胶结剂掺量为0.28%的填充土也进行了石灰掺量对抗压强度的影响试验，试验结果如图4所示。

如图4所示，胶结剂掺量为0.25%的填充土与胶结剂掺量为0.28%、0.32%的复合胶结材料的无侧限抗压强度变化规律相似，均会随着石灰掺量的增加而迅速增加。所以在实际施工中，应严格控制石灰用量，不得超过1%。

3.3 含水量对抗压强度的影响

在石灰质材料中，水是一种重要的组分，在粉碎、搅拌、压实等过程中都起着重要作用。制备5种不同含水量的样品，通过测试7 d无侧限抗压强度，研究含水量与强度的关系，试验结果如图5所示。

从图5可知，强度随着含水量的增加而出现短暂的增加，但当含水量为9%时，达到最大强度，继续增加含水量强度反而迅速减弱。最佳含水量为12.8%时，抗压强度约为1.623 MPa，并不是最大强度值。所以对于该类复合胶结材料来说，在最佳含水量的94%～98%范围内，其抗压强度才达到最大。在实际施工过程中，复合胶结材料的含水量要严格控制，以保证复合胶结材料的高强度。

3.4 压实度对抗压强度的影响

添加胶结剂的复合胶结材料也需要经过压实处理，才能达到一定的硬度，而压实是一种直接影响复合胶结材料强度的土体加固方法，以石灰5%、胶结剂0.25%为例，分析其与胶结剂之间的关系。选用5个中压实度样品，对压实度与填充土抗压强度的关系进行分析，其压实度分别为92%、94%、96%、97%、100%。如图6所示。

由图6可知，无侧限抗压强度随着压实度的增加呈现线性增大的趋势。压实度在93%时，抗压强度为1.18 MPa，压实度在100%时，抗压强度为2.623 MPa，可以计算得出压实度每变化1%，无侧限抗压强度约变化3.5%左右。该结果为实验室结果，在实际施工过程中很难达到100%压实度，所以在施工过程中要按相应的规范要求来制备物件，以保证其具有一定的压实强度。

4 结语

选择合适的材料对结果有很大的影响，本文在选择实验材料时，充分考虑了材料的代表性，通过与南宁石灰水泥复合胶结材料的规范指标对比，确定了可供使用的土样，并通过土样配合比分析，确定了废弃泥浆复合胶结材料的最佳配合比，将其作为制备实验复合胶结材料的标准。本文研究了石灰、水泥和胶结剂对无侧限抗压强度的影响，得出了以下试验结论：

（1）复合胶结材料的无侧限抗压强度随着胶结剂添加量的增加而增大，但是当达到临界值时，胶结剂添加越多反而造成复合胶结材料的强度下降，所以在实际施工时要严格按照实验结果控制胶结剂的添加量。

（2）复合胶结材料的无侧限抗压强度随着石灰添加量的增大而增大，当添加量達到临界值时，复合胶结材料的强度反而会减弱，所以实际施工时要严格控制石灰添加量。笔者只对无机结合稳定料的无侧限抗压强度实验进行简单的研究，文中仍然存在很多不足之处，比如土壤胶结剂与废弃泥浆复合胶结材料的针对性和兼容性等问题都是影响强度的原因，希望能够为广大学者日后研究提供思考。

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