不同龄期下EFS固化土抗压强度试验研究*

2022-01-22丁永明张春东陈代果

施工技术(中英文) 2021年21期

丁永明，张春东，苗华，姚勇，陈代果

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610213；2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

0 引言

土壤固化剂作为新型节能环保工程材料，由多种无机、有机材料组成，用于固化各类土壤。经土壤固化剂处理后，土壤强度、密实度、回弹模量等均得到大幅度提高，从而延长了道路使用寿命，降低了工程维修成本，经济与环境效益俱佳，是当前理想的筑路材料[1-3]。国内外对新型土壤固化剂固化道路基层进行了长期强度试验研究，李雨霏等[4]以粒化高炉矿渣为固化剂，对湖积软土进行物理力学试验，掺入不同比例的粒化高炉矿渣后，对不同养护龄期(3，7，28d)无侧限抗压强度进行测试，分析固化土强度变化规律。研究发现，粒化高炉矿渣的加入使固化土抗压强度得到显著提高，且在一定范围内，随着固化剂掺量和养护时间的增加，抗压强度逐渐提高。刘世皎等[5]以陕西杨凌黄土为例，加入12%的水泥及不同掺量的BCS核心材料，并在BCS核心材料掺量为0.6%的黄土中加入不同质量比的水泥基BCS固化剂，通过抗压强度试验分析，确定最佳BCS核心材料、BCS固化剂掺量。研究发现，BCS固化土工程性能有所提高，采用饱和石灰水养护可显著增强固化土抗冻性能。周伟等[6]以水泥为固化材料，对淤泥固化土进行了大量室内试验，模拟固化效果，结果表明，水泥掺量达20%时，淤泥材料可满足公路路基施工要求，同时还提出了淤泥固化工艺。在此基础上，王鹏等[7]和张茅等[8]通过进一步探究证明，在满足一定的配合比条件下，固化后的淤泥不仅能达到施工要求，还满足植被生长环境要求。

实际工程中土体与岩体具有特殊性，加入新型固化材料EFS土壤固化剂后，道路路基固化土长期强度需进行试验研究。因此，以黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土为基料，设计固化土配合比方案，进行不同龄期强度试验，观察试件破坏特征，分析试验现象，并探讨强度变化规律。

1 试验概况

1.1 原材料

本试验采集不同性质的4类土体，分别为黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土。黑砂土表面呈黑色，小块聚集，内部含黄色石块。黄砂土呈黄青色，粒径较小，无大颗粒石，土质较干。风化砂土表面呈红棕色，内部含较大、较坚硬石。盖山土表面呈黄色，土质较湿、较软。参考SL 237—1999《土工试验规程》和JTG E40—2007《公路土工试验规程》，采用烘干法分别对4类土体进行天然含水率检测，结果表明，黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土天然含水率分别为4.60%，0.18%，7.08%，7.97%。采用液、塑限联合测定法对4类土体液、塑限进行检测，结果表明，黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土液限分别为26.46%，22.73%，21.27%，21.70%，塑限分别为14.28%，8.47%，16.75%，11.72%，计算得到液性指数分别为-0.79，-0.58，-2.14，-0.38，塑性指数分别为12.18，14.27，4.52，9.98。

1.2 固化土配合比设计

选用P·O 42.5水泥，分别以黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土为基料，与外掺料水泥、EFS土壤固化剂进行组合，经试配，4类固化土均采用5% P·O 42.5水泥+0.02% EFS土壤固化剂的配合比，EFS土壤固化剂在浓缩状态下无挥发性，呈碱性，不燃烧，液体呈酱黑色，稀释后无任何危害，对生态无破坏，加入拌合水混合均匀后使用。

1.3 试件制作与养护

根据“手握成团，落地成花”的传统经验，在黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土天然含水率的基础上，分别增加1.5%，2.0%，2.0%，1.5%制作试件。本试验设定6个龄期，分别为3，7，14，28，48，60d。按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的规定，将4类土体置于110℃烘箱内，烘干12h至恒重。除去大块颗粒，按照96%的压实度，混合料整体密度为2 200kg/m3，计算各试件混合料用量，在固化土结构形成与抗压强度发展过程中，孔隙填充对固化土抗压强度的提高起重要作用[9]。分3层装入直径100mm、高100mm模具中，使用DT-227型路面材料强度试验仪，采用静力压实法制备试件，将所有试件从模具内脱出后称重，放入标准养护室养护至预定龄期。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象与破坏特征

2.1.1黑砂土试件

对于养护龄期较短的黑砂土试件，达到破坏荷载时，产生较细小的斜裂缝，少量土体剥落。随着养护龄期的增加，试件破坏时顶部被压碎，裂缝宽度增大，斜裂缝数量增加，大量土体破坏剥落，土体内部砂石沿着裂缝位置脱落，如图1所示。

图1 不同龄期黑砂土试件破坏特征

2.1.2黄砂土试件

对于养护龄期较短的黄砂土试件，破坏时产生了竖向斜裂缝和横向裂缝，土体呈大块片状剥落。随着养护龄期的增加，试件破坏时竖向裂缝宽度增大，土体内部砂石被压碎，并沿着裂缝位置脱落，裂缝逐渐贯通，大量土体呈大块片状脱落，试件内部形成斜裂缝，如图2所示。

图2 不同龄期黄砂土试件破坏特征

2.1.3风化砂土试件

对于养护龄期较短的风化砂土试件，破坏时产生竖向微裂缝，少量土体剥落。随着养护龄期的增加，试件中部外鼓，外鼓处产生密集的小裂缝，最终破坏时试件中部外鼓加剧，形成大量斜裂缝，大量土体破坏剥落，土体内部砂石沿着裂缝位置脱落，大颗粒砂石处呈明显局部压溃现象，如图3所示。

图3 不同龄期风化砂土试件破坏特征

2.1.4盖山土试件

盖山土试件破坏特征与黑砂土、风化砂土试件类似，对于养护龄期较短的试件，破坏时产生竖向微裂缝，土体几乎未剥落。随着养护龄期的增加，试件破坏时产生斜裂缝，且斜裂缝加宽，土体沿裂缝呈块状剥落，土体内部砂石沿着裂缝位置脱落，如图4所示。

图4 不同龄期盖山土试件破坏特征

对各试件破坏形态进行分析，可知随着养护龄期的增加，水泥水化反应越来越充分，试件内部水分越来越少，破坏时剥落的土体越来越多。在竖向荷载作用下，试件裂缝特别是中部裂缝在力的作用下不断开展和延伸，逐渐形成脆弱断裂面；当荷载增大时，断裂面处裂缝宽度逐渐增大，大量土体剥落，试件丧失承载力，表现为脆性破坏。随着养护龄期的增加，试件含水率降低，脆弱断裂面数量逐渐增加。

2.2 无侧限抗压强度

达到预定养护龄期取出试件时，使用软布吸去试件表面水分后再次称重，试件未出现磨损或土体剥落现象。将取出的试件进行无侧限抗压强度试验，计算结果如表1所示。

表1 抗压强度试验结果 MPa

由表1可知，各试件无侧限抗压强度均随着养护龄期的增加而增大，其中黑砂土、风化砂土试件强度增长速度较快，黄砂土、盖山土试件强度增长速度较慢。在同一配合比下，黑砂土试件3d无侧限抗压强度达2.11MPa，是4类试件中最小的，其7，14，28，48，60d无侧限抗压强度分别为3d无侧限抗压强度的1.09，1.36，1.73，2.26，2.63倍；风化砂土试件3d无侧限抗压强度达3.80MPa，是4类试件中最大的，其7，14，28，48，60d无侧限抗压强度分别为3d无侧限抗压强度的1.10，1.27，1.56，1.94，2.04倍。不同龄期下，风化砂土试件无侧限抗压强度最大，黑砂土试件无侧限抗压强度基本为最小，黄砂土、盖山土试件无侧限抗压强度基本介于黑砂土与风化砂土试件之间。4类试件无侧限抗压强度均较素土+5%水泥试件高[10-11]。

CJJ/T 286—2018《土壤固化剂应用技术标准》对三级固化土7d无侧限抗压强度要求为：上基层≥2.5MPa，下基层≥1.5MPa。由7d无侧限抗压强度试验结果可知，黑砂土试件可满足道路下基层强度要求，较下基层强度规范值高54.67%；黄砂土、风化砂土、盖山土试件可满足道路上基层强度要求，分别较上基层强度规范值高45.20%，68.00%，10.80%。

水泥水化反应生成C-H-S凝胶，土颗粒被吸附包裹在内部，形成连接土颗粒的胶凝网络，水化产物Ca(OH)2与黏土胶体发生离子交换反应，改善土颗粒之间的连接结构，提高结构密实度。水泥组分与土体中的水及Al2O3，SiO2反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化碳酸钙等，使土颗粒之间相互咬合。EFS土壤固化剂中的乙酸乙酯能够促进硼酸或硼酸盐与硅酸盐的交联，使硼酸或硼酸盐更快地与硅酸盐反应，进而使土颗粒之间或内部发生交联，在碱性条件下，硼酸或硼酸盐起到的效果更好，可增强土体稳定性，从而提高试件峰值荷载和无侧限抗压强度。

掺入水泥后，养护初期起主导作用的是水泥水化产物之间的离子交换与团粒化作用，可减小土颗粒表面吸附水层厚度，使土壤胶团团粒化，水泥改性作用明显，强度增加速度较快。随着养护龄期的增加，水泥不断水化至一定范围，胶凝物质含量逐渐增至一定程度，强度增长速度较缓慢。

2.3 无侧限抗压强度与养护龄期关系拟合

本试验得到的4类试件无侧限抗压强度与养护龄期呈显著的线性关系，可用下式进行拟合：

Rc=aD+b

(1)

式中：Rc为无侧限抗压强度；a，b为常数；D为养护龄期。

拟合曲线参数如表2所示，由表2可知，4类试件无侧限抗压强度与养护龄期的相关系数均接近于1，说明二者的线性关系较密切。

表2 无侧限抗压强度与养护龄期关系拟合参数

水泥掺量为5%的土体中水泥胶凝颗粒相对较少，水泥水化产物主要用于胶结土颗粒，不能完全对土颗粒进行包裹，特别是土颗粒棱角处几乎未吸附水泥胶凝颗粒，未对土颗粒空隙进行填充，无法有效阻止土颗粒受压后发生的相对滑动。胶凝颗粒仅吸附于土颗粒表面，且在土颗粒棱角处吸附的较少，对抗压强度发育影响不明显，使水泥掺量<5%的固化土抗压强度发育随龄期的增加趋于平缓[12]。