復合固結土技術在遼源南部新城項目中的應用

齊慶祥

（中國市政工程華北設計研究總院, 天津市 300074）

0 引言

隨著我國道路建設的快速發展，不少地區出現了砂石料緊缺的現象，造成砂石料、石灰、水泥等價格大幅提高，致使道路造價居高不下，嚴重制約了我國道路建設的發展速度。因此，推廣應用新型環保筑路材料，合理利用自然資源，使道路建設和生態環境保護相和諧已經擺在了重中之重的位置。

遼源市南部新城項目位于我國吉林省中南部，處于遼白一體化發展區的南端，其戰略地位十分重要。南部新城地勢低，道路設計標高比原地面平均高出2 m，土方回填量大。此外遼源市具有美麗的生態環境和豐富的物產資源，快速發展城市和道路建設的同時，必須注重保護其原有的自然和生態環境。若依然采用傳統筑路材料，勢必造成大量的開山采石，不僅浪費資源和能源，破壞植被，而且在其運輸和存放過程中造成周圍環境污染，板結土地，料場用地難以復墾，造成土地資源浪費。因此，如何在該項目中引進、利用新型材料，滿足路用性能的同時，降低工程造價，保護生態環境，節約資源，建設“綠色道路”，成為一個首要的關鍵技術問題。

復合固結土技術就是在滿足基本路用性能的前提下，很大程度上減少路面基層中傳統土壤加固材料的用量，同時，還可以利用豐富的土資源取代傳統基層材料中的砂、礫、碎石等，從而減輕了由于石灰石的開采，生石灰的生產、運輸，石灰土基層施工以及傳統基層材料中砂、礫、碎石的大量開采等過程對自然環境造成的破壞，也為解決目前無砂石地區或欠缺砂石地區存在的道路建設周期長、造價高等問題提供了一種技術方法，具有極大的生態環保效益和經濟效益。本文對復合固結土技術在路面基層材料中的應用進行了工程試驗研究，測試了固化劑穩定土的抗壓強度、水穩定性、抗凍融性等性能，將這項技術應用于遼源市南部新城項目中。

1 原材料基本試驗

（1）固化劑

經過篩選比較，試驗中確定采用中路1號土壤固化劑。該土壤固化劑為深褐色液態易溶于水的高分子有機物質，pH值小于1.0，密度為1.3～1.35 g/cm3。

（2）試驗用土

試驗用土取自遼源項目現場土，按照《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）[1]的規定，通過界限含水率、顆粒分析試驗、重型丙類擊實試驗和篩分試驗，得到試驗用土的液塑限、塑性指數、最大干密度、最佳含水量、顆粒組成等試驗指標，試驗結果詳見表1和表2。

表l 土料的基本性質

表2 土料篩分試驗結果

（3）水泥

本試驗水泥采用32.5級普通硅酸鹽水泥，其性能指標見表3。

（4）石灰

本試驗采用消石灰，按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）[2]的規定，測定所用石灰的有效CaO、MgO含量，進而確定所用石灰的等級。經測定所用石灰為I級鈣質消石灰。

表3 水泥性能指標

（5）試驗用水

試驗用水采用生活飲用水。

2 固化作用機理

中路1號土質固化劑對土質的固化效果是一種綜合行為，既有物理吸附和纏繞，又有化學反應，它對混合土質產生的固化有顯著效果。

2.1 中路1號土質固化劑對粘土的固化作用

中路1號土質固化劑加入到單純的粘土中時，中路1號土質固化劑與粘土礦物發生了兩方面的作用。一方面，中路1號土質固化劑與粘土礦物發生了化學反應，形成了高強度的化學鍵，也有酸性物質對粘土礦物的侵蝕；另一方面，中路1號土質固化劑中有機高聚物分子對粘土礦物產生吸附和物理纏繞。粘土礦物表面被侵蝕，粗糙的表面易于吸附其它異性成分，這也有助于有機高聚物分子對它的吸附和纏繞。但是單純的中路1號土質固化劑與粘土作用不足以形成具有水穩性的網絡結構。

2.2 中路1號土質固化劑對石灰、粘土混合土的固化作用

中路1號土質固化劑加入到石灰、粘土的混合土中時，以上兩種作用就同時發生了，并且相互促進。

（1）中路1號土質固化劑對粘土礦物產生侵蝕，造成礦物晶體表面缺陷，促進了石灰中與有晶格缺陷的礦物發生化學反應。反應生成的物質依附在原晶體表面上生長，吸收原晶體的成份，形成共用邊界，共用邊界逐漸增多并形成網絡骨架結構。

（2）在堿性石灰以及中路1號自身引發劑的作用下，中路1號土質固化劑中的有機單體聚合成高聚物分子鏈，吸附在粘土礦物的表面或纏繞在礦物的周圍。被侵蝕的粗糙的粘土礦物表面也易于吸附和纏繞。

（3）在中路1號土質固化劑與石灰的共同作用下，混合土能夠形成較致密的、水穩的、較高強度的和較穩定的網絡骨架結構。這種結構也具有較好的抗凍融性。

2.3 中路1號土質固化劑對水泥、粘土混合土的固化作用

中路1號土質固化劑加入到水泥、粘土的混合土中時，與摻石灰的混合土相類似，中路1號土質固化劑、水泥、粘土發生相互作用，并且相互促進。

（1）中路1號土質固化劑對粘土礦物同樣產生侵蝕，造成礦物晶體表面缺陷，能夠促進水泥中的一些礦物與有晶格缺陷的粘土礦物發生化學反應。同時，水泥礦物自身的水化反應也生成了新的礦物。這些新礦物依附在原晶體表面上生長，吸收原晶體的成份，形成共用邊界，共用邊界逐漸增多并形成網絡骨架結構。

（2）在引發劑的作用下，中路1號土質固化劑中的有機單體聚合成高聚物分子鏈，吸附在或纏繞在礦物的周圍。同時，水泥水化生成的膠體物質也吸附粘土礦物的表面和填充在網絡骨架結構當中。

（3）在中路1號土質固化劑與水泥的共同作用下，化學反應生成的新礦物具有較好的穩定性，混合土能夠形成較致密的、水穩的、較高強度的和較穩定的網絡骨架結構，也具有較好抗凍融性。

（4）摻水泥的混合土與摻石灰的混合土相比，具有較多的強結合水，這是因為水泥的水化產物中含有較多的凝膠，存在較多的強結合水。這種強結合水與土粒牢固地結合在一起，具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強度，對試體的強度是有利的。

（5）摻水泥的混合土生成了鈣礬石，在膠粒間以輻射狀成長，致使宏觀體積不斷膨脹，在土體內部產生較大自應力，從而可以起到補償收縮、防止開裂的作用。

3 工程試驗與分析

3.1 配合比設計

固化劑對道路的承載性能有著重要的影響。在工程中，固化劑的摻入量要根據具體工程指標、工程現場用土性質和筑路成本確定。在本研究中，根據工程要求及現場土的性質，同時考慮技術經濟等因素，為驗證復合固結土在路面基層材料中的作用，采用了以下配比進行試驗。

配比1∶水泥∶土=3.5∶96.5。

配比2∶水泥∶土=3.5∶96.5+0.02%ZL-1。配比3∶石灰∶土=5∶95

配比4∶石灰∶土=5∶95+0.02%ZL-1。

3.2 確定最佳含水量和最大干密度

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）的相關規定，對配比混合料重復進行擊實試驗，進而得出濕密度、含水量、干密度的平均值。最后根據試驗得出的數據，進而得到其最大干密度和最佳含水量。根據擊實曲線，我們可以求出各配比混合料的最大干密度和最佳含水量（見表4）。

表4 不同配比下的最佳含水量和最大干密度

對比分析4種配比混合料的最大干密度和最佳含水量，我們可以看出：適量加入固化劑后，可有效提高土體密度，同時降低土壤含水量。對于該項目，在較大的擊實（重型擊實）條件下，水泥類固結土最佳含水量小于石灰類固結土，但最大干密度大于后者（見圖1）。

圖1 土壤含水量-干密度關系曲線

3.3 無側限抗壓強度試驗

道路基層材料的抗壓強度是衡量道路性能的一個重要指標，《公路路面基層施工技術規范》（JTJ 034-2000）[3]中規定用穩定土的無側限抗壓強度來衡量該指標。根據以上配比擊實試驗所得的最佳含水率和最大干密度，采用《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中標準規定的方法制備試件。在標準養護條件下，測得其無側限抗壓強度如表5所列。

由無側限抗壓強度試驗的結果可以看出：隨著試件養護齡期的不斷增大，后期無側限抗壓強度相應增大；試件的壓實度顯著影響其無側限抗壓強度；水泥混合料的無側限抗壓強度要高于石灰混合料；添加中路1號土壤固化劑的水泥復合固結土材料的7 d無側限抗壓強度在2.5 MPa以上，這在北方冰凍地區可以大大延長有效工期，為道路建設帶來很大的經濟效益和社會效益。

表5 無側限抗壓強度

3.4 水穩性試驗

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）的相關要求，在最大干密度和最佳含水量的基礎之上，按95%的壓實度標準分別用靜力壓實法成型無側限抗壓強度試件。在標準養護條件下進行浸水試驗，實驗結果見表6。

表6 復合固結土水穩定性試驗結果

由以上數據可以看出，隨著試件齡期的增長，水穩定性系數逐漸增大，水穩性越好。摻加固化劑后可以大大提高水穩定性，且水泥復合固結土材料的水穩定性要優于石灰復合固結土材料的水穩定性。

3.5 抗凍融性試驗

通過凍融循環試驗，對復合固結土進行抗凍性能方面的研究，了解復合固結土抵抗凍融破壞的能力。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）的規定，在其各自對應的最大干密度和最佳含水量的基礎之上按95%的壓實度制備標準試件。在標準條件下進行5次循環凍融試驗。試驗結果見表7。

表7 復合固結土的抗凍性試驗結果

比較而言，水泥混合料的抗凍融性比石灰混合料的抗凍融性要強，且在加入中路1號土壤固化劑后，水泥復合固結土的抗凍融效果更加明顯。雖然復合固結土在經歷5次凍融循環后其內部結構也受到了一定程度上的破壞，強度也有較大幅度的降低，但是凍融循環對其內部結構造成的破壞程度大大低于相同凍融條件下的水泥和石灰穩定土。說明復合固結土在石灰、土壤固化劑的聯合加固作用下形成的粒間連結比石灰穩定土更為堅固，故土體的抗凍性得以提高。

4 結論

本文通過對遼源市南部新城項目市政道路工程進行大量的土壤固化劑固化土試驗研究，得出以下結論：

（1）加入土壤固化劑后的復合固結土比一般穩定土在最大干密度、最佳含水量方面有明顯改善。

（2）加入土壤固化劑混合料的強度比相同石灰或水泥劑量的一般穩定土的強度有很大程度的提高，在滿足道路路基強度要求的同時可避免遠運換土。另外，壓實度對復合固結土的強度具有非常明顯的影響，在條件許可的情況下，應盡可能地增強復合固結土基層的密實程度，以提高固化劑的作用效果。

（3）隨著齡期的增長，復合固結土技術可以大幅度提高路面基層材料的水穩定性。

（4）在抗凍性方面，復合固結土材料在一定程度上優于普通穩定土材料。在季凍區采用復合固結土用作道路基層時，應盡可能地采取一定的技術措施，使復合固結土基層以及土基保持較為干燥的狀態，從而削弱凍融循環對土體結構的破壞。

（5）利用復合固結土技術修筑路面基層可以很大程度上減少工程中對水泥、石灰的用量，在道路建設的生態環保和社會經濟方面具有極高的應用和推廣價值。

（6）確定了遼源市南部新城建設項目市政道路工程路面基層處理方案：18 cm石灰粉煤灰碎（7∶13∶80）+18 cm 石灰粉煤灰碎石（7∶13∶80）+15 cm水泥類復合固結土（水泥∶土+固化劑=3.5∶96.5+0.02%）。

[1]JTG E40-2007，公路土工試驗規程[S].

[2]JTG E51-2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].

[3]JTJ 034-2000,公路路面基層施工技術規范[S].