高聚物稳定土的抗水性能影响因素分析

李 锋，陈晶照

(1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.新型道路材料国家工程实验室，江苏 南京 211112)

0 引 言

近年来，为了响应国家可持续发展战略，大量采石场关闭，石料资源严重紧缺，价格飞速上涨，从而导致了筑路成本的增加[1-3]。固化类稳定土由土壤固化剂、水泥(石灰)和土拌合而成，具有良好的工程特性[4-6]，若能替代传统水泥、二灰稳定碎石用于公路基层中，将节省大量的石料资源，降低工程造价[7]。然而，公路基层在使用过程中可能会受到通过面层、路肩、中间带渗入的雨水或水文不良地段地下水的侵蚀，使其强度降低，局部承载力下降，从而导致各种病害的出现。因此，基层除了需要满足结构承载力的需求之外，也必须具有足够的水稳定性。

1 试验方案设计

1.1 原材料

试验所用被稳定材料类型为黏土，其具体物理性质指标如表1所示。采用的固化剂为高分子有机类，其主要材料组成如表2所示；所用水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，石灰采用钙质石灰。水泥和石灰的各项指标均满足技术要求。

表1 试验土的基本物理性质

表2 高聚物固化剂的组成

1.2 配合比设计

分别以水泥掺量(3%、4%、5%)、石灰掺量(2%、3%、4%)、固化剂掺量(100 ml/m3、200 ml/m3、300 ml/m3)为因素，进行三因素三水平的正交试验，共计9组试验。针对每组材料分别开展土工击实试验，确定每组的最佳含水率和最大干密度，并开展7 d无侧限抗压强度试验，确定配合比设计结果如表3所示。

表3 配合比设计结果

2 抗水性能评价方法

固化土材料受到水的侵蚀时，主要表现在强度的降低，因此，可采用强度损失率表征固化土材料的抗水性能，即采用试件饱水状态下和干燥状态下的无侧限抗压强度比值进行评估，如公式(1)所示，强度损失率越大表明抗水性能越差。而固化土强度的损失实际上是由于水的侵蚀导致土颗粒间粘聚力降低而造成，故吸水率的大小也可以间接反映出稳定土材料的抗水性能，吸水率计算如公式(2)所示，吸水率越大表明抗水性能越差。因此，分别采用强度损失率和吸水率两项指标分析固化土的抗水性能。

(1)

式中：m为吸水率，%；m1为浸水前质量，g；m2为浸水后质量，g。

(2)

3 抗水性能影响因素分析

3.1 固化剂掺量的影响

分别选择100 ml/m3、200 ml/m3、300 ml/m3的固化剂掺量开展强度损失率和吸水率试验，分析固化剂掺量对固化土抗水性能的影响，结果如图1所示，试验养生龄期为7 d，其中浸水条件的饱水时间为最后24 h。

图1 强度损失率与吸水率随固化剂掺量的变化趋势

试验结果表明：添加固化剂后，固化土的抗强度损失率和吸水率有了明显降低，且随着固化剂掺量的增加，固化土的强度损失率和吸水率逐渐减小，不掺加固化剂的水泥石灰土的强度损失率为32.2%，吸水率为3.09%；当固化剂掺量为100 ml/m3时，强度损失率降低至15.4%，降幅为52.2%，吸水率降低至2.13%，降幅为31.1%；当固化剂掺量为300 ml/m3时，强度损失率仅为3.8%，降幅达到了88.2%，吸水率为0.64%，降幅为79.3%。由此可见，固化剂的添加对于稳定土的抗水性能具有明显的提升作用。

3.2 浸水时间的影响

分别选择浸水24 h和浸水48 h后开展强度损失率和吸水率试验，分析浸水时间对固化土抗水性能的影响，结果如图2所示，试验养生龄期为7 d，固化剂掺量为300 m/m3。

图2 强度损失率与吸水率随浸水时间的变化趋势

试验结果表明：水泥石灰土的强度损失率和吸水率明显高于固化土，其中强度损失率为固化土的2倍左右，吸水率为固化土的5倍左右，再次证明添加固化剂有利于提高稳定土的抗水性能。随着浸水时间的增加，水泥石灰土和固化土的强度损失率和吸水率均增大，其中，水泥石灰土浸水48 h的强度损失率和吸水率分别为11.3%和4.22%，较24 h分别增长了27%和3.2%，固化土浸水48 h的强度损失率和吸水率分别为7.6%和0.93%，较24 h分别增长了100%和45.3%。由此可见，浸水时间的增加对稳定土的抗水性能有不利影响。

3.3 养生时间的影响

分别选择养生3 d、7 d、14 d和28 d龄期后开展强度损失率和吸水率试验，分析养生时间对固化土抗水性能的影响，结果如图3所示，试验浸水时间均为24 h，固化剂掺量为300 m/m3。

图3 强度损失率与吸水率随养生时间的变化趋势

试验结果表明：随着养生时间的增加，水泥石灰土和固化土的强度损失率和吸水率总体表现出逐渐减小的趋势，其中28 d的强度损失率分别为7.1%和2.2%，较3 d分别降低了30.6%和47%。28 d吸水率分别为3.78%和0.2%，较3 d分别降低了7.1%和78.9%，水泥石灰土变化不明显。由此可见，养生时间的增加有利于提高稳定土的抗水性能。

4 抗水机理分析

稳定土受浸水影响后强度降低的主要原因是由于土壤胶体电荷层附带的正/负电荷以及内部的可交换离子具有电荷平衡的需求，主要通过氢键来吸附水，其形成的扩散双电层将进一步的引起土壤层的间距扩大，导致土方膨胀而失去抗压强度。而固化土的强度受浸水的影响小于水泥石灰土，主要原因包括三个方面，一是由于固化土中添加了聚合物固化剂，其形成的分子网络结构将土壤胶体限定在各自的三维网络结构内，大幅提升了土壤颗粒之间的粘结力，空隙率相对水泥石灰土降低，从而造成吸水率减小，强度损失降低；二是采用的固化剂材料中加入多元醇化合物，其富含的氢键可以减弱土方内部的电荷平衡需求，从而降低了土壤的吸水需求；三是固化剂中含有的憎水性硅烷类物质，遇水后会缓慢释放出封闭土壤中的缝隙，降低毛细孔吸水作用，从而降低了水损坏。因此，稳定土在长时间泡水条件下，其土颗粒间的粘结力减小，强度损失增大；而早期的稳定土由于强度尚未完全形成，其更易受到浸水的影响，造成强度更易损失，但随着养生龄期的增加，强度已基本形成，从而受到浸水的影响减小。

5 结 论

本文针对高聚物稳定土开展了抗水性能试验研究，采用强度损失率和吸水率两个指标评价了固化土的抗水性能，分析了固化剂掺量、浸水时间和养生时间三种因素对固化土抗水性能的影响，阐述了高聚物固化稳定土的抗水机理，主要结论如下：

(1)添加固化剂有利于提高稳定土的抗水性能，且随着固化剂掺量的增加，固化土的强度损失率和吸水率逐渐减小。

(2)浸水时间的增加对稳定土的抗水性能有不利影响，随着浸水时间的增加，稳定土的强度损失率和吸水率增大，水泥石灰土的强度损失率和吸水率明显高于固化土。

(3)养生时间的增加有利于提高稳定土的抗水性能，随着养生时间的增加，水泥石灰土和固化土的强度损失率和吸水率总体表现出逐渐减小的趋势。