SG—1型土壤固化劑穩定碎石土的路用性能研究

李慧萍 王福滿

摘 要：針對陜西神木地區石料短缺而碎石土較多的情況，采用SG- 1固化劑穩定碎石土并進行最佳配合比篩選試驗，得出SG- 1固化劑穩定碎石土的最佳摻量，然后進行穩定碎石土的無側限抗壓強度試驗、劈裂試驗、水穩定性試驗、抗凍性試驗、干縮試驗等路用性能方面的試驗研究。結果表明：SG- 1穩定碎石土作為路面基層材料具有早期強度和模量高，水穩定性、抗凍性和干縮性能好的特點，適宜在陜西神木及與其土質相似地區的道路工程中應用。

關鍵詞：SG- 1固化劑；碎石土；無側限抗壓強度；路用性能

中圖分類號：U414.01 文獻標志碼：B

Research on Pavement Performance of Gravelly Soil Stabilized with SG- 1 Curing Agent

LI Hui- ping1， WANG Fu- man2

（1. Hulunbuir Highway Administration， Hulunbuir 021008， Inner Mongolia， China； 2. Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China）

Abstract： Combined with the fact that there is shortage of stone in Shenmu City of Shaanxi Province and gravelly soil is widely seen， gravelly soil stabilized with SG- 1 curing agent was chosen to carry out the screening test for optimal mix proportion. Optimal mixing amount of SG- 1 was obtained， and unconfined compressive strength test， splitting test， water stability test， frost resistance test and shrinkage test were conducted on the stabilized gravelly soil to study the pavement performance. The results show that as material for the base course， SG- 1 has high early strength and modulus and features excellent water stability， frost resistance and shrinkage performance， which make it suitable for Shenmu and other regions with similar soil properties.

Key words： SG- 1 curing agent； gravelly soil； unconfined compressive strength； pavement performance

0 引 言

隨著經濟飛速發展，中國道路基礎設施建設也進入快速發展時期。道路建設需要大量優質石料，但石料的開采不僅對生態環境造成破壞，同時長距離運輸增加了投資成本，消耗的大量燃料也會加重空氣污染[1- 5]。陜西、山西、河南等黃土地區常年干旱少雨，山皮碎石土資源豐富，若把山皮碎石土應用到道路建設中，既實現了當地材料的利用，節省資源，又降低了成本。自20世紀70年代以來，歐美等發達國家對固化劑穩定土展開了廣泛研究[6]。在國內，許多道路專家也對土壤固化劑進行研究，如梁文泉等研制出的GA型固化劑可穩定粘土、淤泥、工業廢渣、風化砂等[7]，耿軼君研究的EN- 1固化劑改良紅砂巖的作用機理，提出改良路面結構的可行性[8]。

針對陜西神木周邊地區碎石土資源豐富的特點，采用新型SG- 1土壤固化劑對碎石土進行固化并作為道路基層材料。對SG- 1固化碎石土材料進行無側限抗壓強度、水穩定、抗凍性、干縮特性等室內試驗以測試其作為基層材料的路用性能。

1 原材料技術性質

1.1 固化劑

SG- 1固化劑主要由水泥、粉煤灰、生石灰和表面活性劑等高分子材料構成，常溫下為灰白色粉狀固體，所含有的表面活性劑具有塑化、防水以及防凍等作用，其主要技術指標如表1所示。

2 混合料擊實試驗

2.1 擊實試驗

在SG- 1穩定碎石土成型試件前，必須要進行擊實試驗來確定最大干密度和最佳含水量。按照規范[10]先擬定固化劑的摻量為3%、4%、5%、6%、7%、8%、10%，然后對不同SG- 1摻量的混合料進行擊實試驗，結果如表4所示。從表4可知，混合料的最大干密度和最佳含水量隨SG- 1固化劑摻量的增加而增大，由于SG- 1固化劑成分的顆粒較小，顆粒之間的空隙小，而表面積較大，所以當SG- 1固化劑摻量增加時，混合料容易壓實緊密且吸收更多的水，使最大干密度和最佳含水量逐漸增大。

2.2 確定固化劑最佳摻量

采用靜壓法以97%的壓實度成型Φ150 mm×150 mm圓柱體試件，取強度不小于2.8 MPa作為代表值進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果如表5所示。在考慮基層材料技術指標和經濟性的情況下，確定固化劑摻量為7%。

3 SG- 1穩定碎石土路用性能試驗

3.1 無側限抗壓強度試驗

采用Φ150 mm×150 mm圓柱體試件，按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）進行無側限抗壓強度試驗。為了使試驗條件符合實際情況，試件以97%的壓實度成型，在濕度不小于95%和溫度為（20±2）℃的標準條件下進行養生，達到規定養生齡期后分別測試SG- 1穩定碎石土7、28、60、90、180 d（最后1 d浸水）齡期的無側限抗壓強度，結果如表6所示。

分析上述數據可知，SG- 1穩定碎石土7 d無側限抗壓強度達到2.9 MPa，而規范對石灰粉煤灰類基層材料7 d抗壓強度的要求是不小于0.8 MPa，因此SG- 1穩定碎石土強度比規范中的規定值高出2. 1 MPa。隨著齡期的增長，穩定碎石土材料的無側限抗壓強度繼續增長：齡期28 d的抗壓強度為3. 6 MPa，比7 d的抗壓強度提高了24. 1%；60 d的抗壓強度為4.5 MPa，比7 d提高了55. 2%，比28 d提高了25%；90 d齡期的抗壓強度為5.0 MPa，比7 d提高了72. 4%，比28 d提高了38. 9%，比60 d提高了11. 1%；180 d的抗壓強度為5.4 MPa，比7 d提高了86. 2%，比28 d提高了50%，比60 d提高了20%，比90 d提高了8%。SG- 1固化劑穩定碎石土的無側限抗壓強度的增長趨勢如圖1所示。

圖1 無側限抗壓強度增長趨勢

3.2 劈裂試驗

半剛性基層材料的抗拉強度是路面設計的一個重要參數[11]，關系到路面結構的安全與穩定，由于直接測定抗拉強度較為困難，可采用間接抗拉強度試驗測定，試驗按97%的壓實度成型試件，分別測定了7、28、90、180 d的飽水試件的劈裂強度，結果如表7所示。

由表7可知，SG- 1穩定碎石土的早期劈裂強度較高，齡期7 d的強度達到0.24 MPa。隨著齡期增長，固化劑穩定碎石土的劈裂強度繼續增長：28 d的劈裂強度為0.33 MPa，比7 d增長了37. 5%；90 d的強度為0.45 MPa，比28 d增長了33. 3%，比7 d增長了83. 3%；180 d的強度為0.49 MPa，比90 d增長了11. 4%，比28 d增長了48. 5%，比7 d增長了104. 2%。SG- 1固化劑穩定碎石土的劈裂強度的增長趨勢如圖2所示。

圖2 劈裂強度增長趨勢

3.3 水穩定性試驗

水穩定性是指基層在水分作用下抵抗集料脫落和混合料松散的能力，對渠道防滲和路基、路面建設等有著重要的意義。采用水穩定系數來評價水穩定性，其數值越大水穩定性越好。試驗采用靜壓法以97%的壓實度成型Φ150 mm×150 mm試件，在標準溫度和濕度下養生28 d后，分別浸水0、2、4、6、8、10 d，進行無側限抗壓強度試驗，結果如表8所示。

由表8可知，隨著浸水時間的增加，固化劑穩定土的強度損失逐漸增大，水穩定系數逐漸降低。固化劑穩定土沒有浸水時強度為4.2 MPa；浸水2 d后的抗壓強度為3.6 MPa，水穩定性系數為85. 8%，強度損失14. 29%；浸水4 d后的強度為3. 3 MPa，水穩定性系數為78. 7%，強度損失21. 43%；浸水6 d后的強度為3.1 MPa，水穩定性系數為73.9%，強度損失26.19%；浸水8 d后的強度為3.0 MPa，水穩定性系數為71. 5%，強度損失28. 57%；浸水10 d后的強度為2. 9 MPa，水穩定性系數為30.96%，強度損失69. 1%。圖3為固化劑穩定土強度損失和水穩定系數變化趨勢。

圖3 水穩定系數和強度損失變化趨勢

3.4 凍融循環試驗

抗凍性指基層抵抗多次“凍融循環”而不疲勞破壞的性質，可采用凍融循環試驗的抗凍系數來評價。試驗按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）成型2組試件并養生：一組試件測試無側限抗壓強度；另一組試件先在-35 ℃下冷凍24 h，之后在溫度為20 ℃、相對濕度為95%的條件下放置24 h，如此循環5次，然后測試其無側限抗壓強度，試驗結果如表9所示。

分析數據可知，經過5次凍融循環后，固化劑穩定土的強度值降低。在凍融循環試驗過程中，試件

表9 抗凍性試驗結果

測試項目未凍融強度/MPa凍融次數凍后強度/MPa強度損失/%抗凍系數/%

試驗值3.653.38.391.7

表面狀態較完整，只是出現個別顆粒脫落現象。在凍融前，固化劑穩定土的強度為3.6 MPa，凍融循環后，強度為3.3 MPa，強度損失8.3%，抗凍系數為91.7%，抗凍效果十分顯著。

3.5 干縮性試驗

基層材料干燥收縮是由材料內部水分蒸發引起的宏觀體積變化，用干縮應變和干縮系數來評價固化劑穩定土干縮性。按規范以97%的壓實度成型150 mm×150 mm×550 mm小梁體試件，在標準養生條件下養生6 d，浸水1 d后，擦干試件表面水分，進行試驗，結果如表10所示。

表10 干縮試驗結果

材料失水率/%干縮量/mm干縮應變/10-6平均干縮系數/%

固化劑穩定土10.471.000 71 799.759 6171.896 8×10-6

分析數據可知，固化劑穩定土的抗干縮性能非常優越，材料的失水率為10.47%，干縮量為1. 000 7 mm，干縮應變為1 799.759 6×10-6。分析原因：SG- 1固化劑含有部分粉煤灰和高分子材料，一方面可以填充土體空隙，進一步約束土顆粒，使混合料孔隙率降低，毛細孔水和吸附水數量減少；另一方面高分子材料減弱了粘土礦物的親水性，導致“吸附水及分子間作用力”和“層間水作用”減弱，使固化劑穩定土的抗干縮性能提高.

4 結 語

（1） SG- 1固化劑穩定土早期強度高，后期強度增長快，這一特點在實際工程中對加快施工速度、縮短工期十分重要。

（2） SG- 1固化劑穩定碎石土材料的劈裂強度較高，這對于減少路面結構面層裂縫的產生，提高道路基層防水性等性能指標非常重要。

（3） 隨著SG- 1固化劑穩定碎石土浸水時間的增加，碎石土的水穩定性系數逐漸降低，強度損失增大，但變化的幅度越來越小，逐漸趨于穩定，這對提高基層材料水穩定性，確保路面發揮應有的作用有重要意義。

（4） SG- 1固化劑穩定碎石土的抗凍性效果十分顯著，且具有較好的溫度穩定性。

（5） 干縮特性關系到基層材料的耐久性和水穩定性，試驗結果表明SG- 1固化劑穩定碎石土的干縮應變及干縮系數很小，抗干縮性能較好。

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[責任編輯：譚忠華]