土壤固化剂加固红黏土路基的试验研究
2021-12-11陈永辉苗世军靳一军
陈永辉，苗世军，靳一军，刘 正
（中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安710000）
1 研究背景
在我国，公路建设过程中经常使用的基层是无机结合料稳定基层，它的稳定性和强度对于公路的建设都非常稳定，在我国被最为广泛地使用。但是在我国的部分地区，砂石料是非常缺乏的，虽然也可以使用无机结合料稳定基层，但是砂石料的运输成本是非常昂贵的，长距离的运输不仅会提高公路建设的成本，还会因为建设过程中砂石料的开采而造成环境破坏，因此很多地方都在使用黏土基层进行公路建设，但是随之而来的是边坡失稳和路基不均匀沉降的问题，因此解决黏土路基的问题刻不容缓。在国内外的研究中，使用土壤固化剂能够很好地固定土壤，改变黏土的膨胀性能和塑性指数，这对于提升黏土路基的稳定性有很大的帮助。本文中为改良黏土的性能，使用离子土壤固化剂对黏土进行了改造，使之能够成为黏土路基的合格材料。
2 室内试验
2.1 试验材料
此次试验的材料为土壤固化剂和红黏土。土壤固化剂选用的是ISS离子固化剂，在使用的过程中直接根据使用的量用水进行稀释。黏土选用的是本地的原装土，取土样的深度不超过4 cm，测定的性能指标如表1所示。
表1 测定的红黏土的物理学参数
2.2 配合比设计
红黏土的结合水膜对于红黏土的特性有着很大的影响，通过ISS对红黏土进行改性就是通过降低红黏土结合水膜的厚度实现的。塑性指数在一定程度上反映着土壤的亲水性能，塑性指数的值越高，红黏土的结合水膜越厚，所以在进行定性定量测定的过程中只需要对黏土的塑性指数进行测定即可。在进行液塑性试验时，将ISS固化剂和水混合后，掺入红黏土样本中，密封48 h，然后测定相关数据。
不同配合比下的固化红黏土液塑性试验结果具体如表2所示。
表2 不同配合比下的固化红黏土液塑性试验结果
通过对以上数据的分析，可以得到以下的结论：①在ISS∶水=1∶200（体积）时，红黏土的塑性指数达到了最低；②与没有加入ISS的红黏土相比，加入ISS固化剂的红黏土的塑性指数均出现了不同程度的降低，其最大的降低幅度为4.74%；③就目前的试验结果来看，塑性指数并没有与ISS掺入的浓度呈现出正相关或者负相关的关系，当ISS的浓度不断增大时，红黏土的塑性指数反而增大。
2.3 试验方案
试验方案参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》和JTG E40—2007《公路土工试验规程》，在设计配合比下，将其制作为试件，并对其进行无侧限抗压强度试验，测试试验过程中红黏土试件各项系数的变化。同时对红黏土试件的的收缩性能与剪切强度进行试验，这些数据的获取在一定程度上能够综合评定ISS固化剂在固化红黏土方面的性能。
2.4 室内试验结果分析
以下试验结果，没有特殊说明的，都是在最佳配合比环境下实施的，也就是ISS∶水=1∶200（体积）。
2.4.1击实试验
击实试验数据是在最佳配比环境下，制备出含水率不同的试件，然后密封24 h获得的，试件的含水率无法进行精准的掌控，只能根据实际的测定进行分析。在对数据进行分析整理后可以得到相关结论，具体如表3和表4所示。
表3 素红黏土的含水率和干密度
表4 固化红黏土的含水率和干密度
从上面的数据可以得出结论：固化红黏土的最大干密度相比于素红黏土，出现了比较大的增长；其原因是在红黏土中掺入ISS固化剂以后，降低了红黏土颗粒之间的结合水膜厚度。
2.4.2 无侧限抗压强度试验
无侧限抗压强度试验是在击实试验的基础上进行的，在获得最大干密度后，在这个基础上制备一组不加固化剂的试件，另一组则加固化剂，进行对照试验。在获得试件后，分别将试件放入到湿度95%，温度20℃的养生箱进行7 d、14 d和28 d的养护。获得试验数据如表5所示。
表5 固化红黏土在各龄期下的无侧限抗压强度
通过以上的数据可以得到的结论是：与素红黏土相比，加入ISS的固化红黏土的无侧限抗压强度有了明显的提升；随着试件龄期的不断增加，固化红黏土的无侧限抗压强度也在不断地增强。出现以上现象的原因是随着时间的推长，ISS固化剂与土壤颗粒发生的化学反应也越来越深入，刚开始只是和土壤颗粒的表面进行了反应，经过长时间的反应后，ISS能够不断地浸入到土壤颗粒内部，从而发生离子化学反应，不断提升强度。
2.4.3 ISS固化剂对收缩性能的影响
在最佳配合比下，按照最大干密度和最佳含水率来制作试件，试验数据如表6所示。
表6 固化红黏土的收缩性能
通过以上数据可以得出结论：加入ISS的固化红黏土比素红黏土的的缩限增大，体缩和竖向收缩率都有所降低。发生这种现象的原因是ISS固化剂使得黏土颗粒的结合水膜厚度降低，其表面结合的水就变少了，就出现了以上的现象。
2.4.4 ISS固化剂对剪切强度的影响
采用快剪法进行剪切强度试验，在最佳配合比下，按照最大干密度和最佳含水率来制作试件，获得的数据如表7所示。
表7 红黏土的直接剪切试验结果
通过以上的数据可以得知固化红黏土的粘聚力有所提升，内摩擦角有所降低，但是变化不大。这主要是ISS的加入改变了黏土颗粒表面的水结合力，增强了其粘聚力。ISS固化剂使黏土颗粒的表面结合水膜变薄，使得颗粒可以在排列面上进行滑动，所以内摩擦角的变化不大。
3 结论
在经过以上的试验之后，可以得到以下的结论：ISS固化剂的掺入能够有效地降低红黏土的塑性指数，但是两种并没有呈现负相关的关系；在此次的试验中ISS固化剂的最佳掺入比为ISS∶水=1∶200（体积）；加入ISS固化剂的红黏土增强了最大干密度，降低了最佳含水率，提高了无侧限抗压强度；加入ISS固化剂的红黏土增大了缩限，体缩和竖向收缩率降低。总之，加入ISS的固化红黏土可以作为公路的地基，并具有很好的性能。
