探讨路基施工阶段水玻璃及硫酸铝改良高液限土技术

尹 涛

（贵州路桥集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

天然高液限土液限高、含水率高，用于公路路基填料时，由于其水分含量高，难以控制含水率，同时水稳定性差，气候变化导致高液限土干湿反复交替，土体结构稳定性下降，最终造成路基不均匀沉降、边坡滑坡、路面裂缝等多种病害[1-2]。因此，为确保路基施工质量，施工技术规范明确要求液限超过50%、塑限超过26 的细粒土体，需进行必要处理后才能用于路基填筑。

1 高液限土改良方法

现阶段，常用高液限土改良方法主要包括以几种：

（1）包覆法可进一步细分为边缘包覆法和堆芯包覆法，其中边缘包覆的基本原理是路基中部填筑高液限土，两侧填充水稳定性良好的填筑物；堆芯包覆法的基本原理是用水稳定性良好的填筑料密封路基上下和两侧。但是该方法无法彻底解决路基不均匀沉降问题。

（2）通过在原有高液限土中加入粗颗粒土可调整土壤颗粒含量，起到加固土体、削弱细粒土负面影响的作用，改善高液限土水稳定性[3]。

（3）化学改性是指在原有高液限土中加入一定量的改性剂，以调整其粒径构成，提升土体结构强度，降低塑性指数。工程实践证明，在高液限土中加入一定比例的石灰、磷石膏等改性剂后，其液限和塑限均减小，加州承载比大幅提升，经过化学改性后的高液限土理化性能可满足高速公路路基填筑施工要求。例如加入粉煤灰的高液限土塑性指数明显降低，而加州承载比、无侧限抗压强度大幅提升。

（4）但添加粉煤灰或石灰会导致高液限土碱性增强，对地下水存在难以预知的影响，因此需要尽快找到更加环保绿色的化学改性剂。基于此，文章探讨一种基于水玻璃、硫酸铝新型高液限土改性剂，根据液塑限试验数据明确最优掺加比，通过直剪试验分析添加水玻璃与硫酸铝改性剂后的高液限土水稳性，验证水玻璃与硫酸铝改性剂的应用效果。

2 试验材料及方案

2.1 高液限土

试验高液限土样本来自试验路段的路堑土方开挖，样本土体呈棕褐色，颗粒中89.6%为粒度小于0.08 mm的小颗粒，土体天然含水率、液限、塑限等关键参数见表1。

表1 高液限土基本物理性质

2.2 添加剂

添加剂为水玻璃+硫酸铝构成的新型添加剂。水玻璃的化学式为Na2O·nSiO2，n 为水玻璃的模量。硫酸铝作为一种易溶于水的白色晶体，与硅酸钠混合反应可产生氢氧化铝与凝胶颗粒[4]。凝胶颗粒可附着在土壤的表面，提高黏着力，在填筑中可有效填充到空隙中并有效黏合，保证施工质量。Na2SiO3硅酸钠溶液与Al2(SO4)3硫酸铝溶液化学反应方程:

水玻璃、硫酸铝质量比为10 ∶1，其中水玻璃溶液浓度3.37 mol/L。

2.3 试验方案

为确定最合理的水玻璃、硫酸铝配比需进行多种配比条件下的液塑限试验分析，以客观评价不同配合比下的水玻璃与硫酸铝改性剂对高液限土的改良效果，最终确定改性剂掺加量；根据液限塑限试验分析得到的最佳配比开展击实试验和直剪试验，详细试验方案如表2所示。

表2 不同配比的水玻璃及硫酸铝试验方案

3 试验结果

3.1 液塑限试验

液限塑限试验所用样本高液限土含水率36.5%，干密度1.76 g/cm3。根据表2 所示上述试验方案进行样本准备，将样本土体置于温度15～25 ℃、相对湿度97.8%的环境中进行7 d 养护后开展液限塑限试验。具体试验数据见图1。

根据图1 可知，在高液限土中添加一定量的水玻璃与硫酸铝后，其液限、塑限均变化明显。总体上水玻璃、硫酸铝用量与高液限土的液限成反比，与塑限成正比，即改性剂掺加越多，塑性指数越小。当水玻璃、硫酸铝配比为0.4%、4%时，改良后的高液限土经7 d 养护后液限值为49.9%，塑性指数为17。基于相关施工技术规范要求细粒土路基填筑土体的液限不能超过50%、塑性指数不能超过26，由此可大致确定水玻璃、硫酸铝的最佳配比为4%、0.4%。随着养护龄期变化，按照上述配比掺加改性剂后的高液限土液限、塑限变化情况见图2，据图可知经改良及标准养护后的高液限土液限、塑限可满足施工技术规范要求的路基填筑材料要求，但改良高液限土经7 d 养护后其液塑变化变化不明显。

图1 养护7 d 后各组试验的液塑限

图2 T4组试验液塑限与养护时间的关系

3.2 击实试验

将水玻璃+硫酸铝改性剂按照上述配比掺入高液限±12 h 后开展击实试验，试验数据如图3 所示。改良后的高液限土干密度最大值低于未改良前，但改良后的高液限土最佳含水率较大，同时改良后的高液限土击实曲线倾斜度小于未改良前的击实曲线倾斜度，表明掺加改性剂后的高液限土水敏感性降低，水稳定性提升，可满足公路路基填筑施工需要[5]。

图3 击实试验结果

3.3 水稳性试验

对改良前后的高液限土进行干湿循环试验分析新型改性剂对其水稳定性的影响。试验样本土体直径62.9 cm，高1.9 cm，含水率取最佳值，干密度1.656 g/cm3（样本土体压实度97%），采用静压工法分3 层压实。首先将样本土体真空饱和处理2 h 后取出放入烘干箱中105 ℃烘干24 h，确保土体完全干燥，此时完成单次干湿循环，循环进行分1～9 次干湿循环，再开展直剪试验。

干湿循环处理次数不同时，未掺加改性剂的高液限土抗剪强度、竖向荷载的关系曲线见图4，据图可知，高液限土竖向荷载与其抗剪强度成正比；高液限土抗剪强度与干湿循环次数成反比。不同干湿循环次数不同时，按照最佳配比掺加水玻璃和硫酸铝改性剂后的高液限土抗剪强度、竖向荷载关系曲线见图5，据图可知，掺加改性剂后的高液限土抗剪强度与竖向荷载成正比，与干湿循环次数成反比，但荷载、干湿循环次数相同的情况下，掺加改性剂后的高液限土抗剪强度显著提升。

图4 T1 抗剪强度与竖向荷载的关系

图5 T4 抗剪强度与竖向荷载的关系

未掺加改性剂的高液限土和掺加改性剂后的高液限土抗剪强度参数与干湿循环次数之间的关系分别如图6、图7 所示。据图可知，未掺加改性剂的高液限土和已掺加改性剂高液限土抗剪强度参数均与干湿循环次数成反比，但未掺加改性剂的高液限土抗剪强度参数减小速度明显高于已掺加改性剂的高液限土，干湿循环次数相同的情况下，已掺加改性剂的抗剪强度参数均由于未掺加改性剂的高液限土。表明已掺加改性剂的高液限土水稳性优于未掺加改性剂的高液限土，即经水玻璃和硫酸铝改良后的高液限土水稳性大幅提升。

图6 干湿循环次数与黏聚力的关系

图7 干湿循环次数与内摩擦角的关系

4 结论

利用多种配比条件下的液限塑限试验，分析水玻璃及硫酸铝改性剂对高液限土抗剪强度、水稳性的影响，明确最佳配比；按照最佳配比进行高液限土改良，再进行击实试验和直剪试验，得到以下几点结论:

（1）水玻璃+硫酸铝改性剂掺加量与高液限土液限成反比，与塑限成正比，即能降低塑性指数。当水玻璃+硫酸铝改性剂配比为4%、0.4%时，经7 d 标准养护后高液限土的液限、塑性指数，均能达到施工技术规范规定的路基填筑材料要求。

（2）按照最佳配比掺配改性剂后的高液限土干密度最大值、水敏感性，均低于未掺加改性剂前，最佳含水率高于未掺加改性剂前，这将更符合公路路基填筑施工需要。

（3）未掺加改性剂的高液限土与已掺加改性剂的高液限土抗剪强度均与竖向荷载成正比，与干湿循环次数成反比；荷载及干湿循环次数相同时，已掺加改性剂的高液限土抗剪强度更高；干湿循环次数相同时，已掺加改性剂高液限土的抗剪强度参数优于未掺加改性剂的高液限土；随着干湿循环次数的增加，已掺加改性剂的高液限土的抗剪强度下降速率均小于未掺加改性剂的高液限土。