固化劑改良粉砂土材料的力學性能試驗研究

張小亮

固化劑改良粉砂土材料的力學性能試驗研究

張小亮

（周口市公路勘察設(shè)計院，河南 周口 466000）

針對干線公路基層材料的路用性能要求，通過室內(nèi)試驗，研究了固化劑改良粉砂土作為路面基層材料的力學特性。試驗結(jié)果表明：粉砂土經(jīng)過固化劑和水泥綜合改良處治后，材料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量隨著齡期的增加而增長，能夠滿足作為干線公路基層材料的相關(guān)技術(shù)要求。由于固化劑處治粉砂土的無側(cè)限抗壓強度隨著延遲時間的增加而逐步降低，在現(xiàn)場碾壓施工過程中，如果將延遲時間控制在8h以內(nèi)，可以保證現(xiàn)場施工質(zhì)量。

粉砂土；固化劑；基層；無側(cè)限抗壓強度；劈裂強度；抗壓回彈模量

1 研究背景

河南省地處黃河、海河兩大流域，多數(shù)地區(qū)具有典型的粉砂土地質(zhì)。在周口地區(qū)，由于粉砂土分布廣泛，砂石料嚴重缺乏，在道路工程施工過程中作為基層和底基層的砂石材料基本全部需要外部調(diào)運，使道路工程造價顯著提升。特別是目前隨著國家環(huán)境保護及公路治理政策執(zhí)行力度的加大，砂石材料的價格顯著增長，給當?shù)毓沸藿◣砹溯^大壓力。根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況，尋求合適的路面基層材料成為當?shù)氐缆饭こ填I(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題。

由于粉砂土的顆粒比較均勻，黏性較差，其強度較低，且不易壓實，很難直接作為干線公路的基層和底基層材料進行施工［1］。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，土壤固化劑能減小土壤顆粒之間的排斥力，對土壤具有較好的改良作用，已在部分公路工程中得到成功應(yīng)用，且取得了較好的施工效果，并在節(jié)約資源和保護環(huán)境方面具有一定的優(yōu)勢［2-5］。本文根據(jù)周口地區(qū)公路修筑的實際需要，采用水泥和固化劑對粉砂土進行穩(wěn)定處理，探討其強度性能及其主要影響因素，并分析其作為干線公路底基層和基層材料的適用性和可行性，從而為合理開發(fā)利用當?shù)胤凵巴临Y源提供一定的技術(shù)依據(jù)。

2 力學性能試驗研究

2.1 試驗方案

為了研究水泥固化劑穩(wěn)定粉砂土的力學特性，設(shè)計了兩種配合比，即水泥∶固化劑∶粉砂土的比例分別為5∶6∶89和6∶6∶88。土壤固化劑選用“路豐牌”，摻配的水泥選用強度等級為32.5MPa的“同力牌”復(fù)合硅酸鹽水泥。按規(guī)范JTG E51-2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的要求，分別進行了不同齡期的無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗，以及養(yǎng)護齡期分別為28d和90d抗壓回彈模量試驗、7d無側(cè)限抗壓強度延遲試驗。

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果及分析

無側(cè)限抗壓強度是固化劑處治粉砂土作為道路底基層和基層材料的重要設(shè)計指標。對于設(shè)計的兩種配合比，通過大量的室內(nèi)試驗，給出了該類材料的無側(cè)限抗壓強度隨齡期的變化情況，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同配合比材料的無側(cè)限抗壓強度與齡期變化的關(guān)系

由圖1可知，兩種配合比的固化劑處治粉砂土在28d齡期的無側(cè)限抗壓強度都能達到5MPa以上。另外，該類材料的早期增長較快，其28d的強度可達180d強度的80%左右，具有明顯的早強特性。當齡期大于28d時，固化劑處治粉砂土的無側(cè)限抗壓強度仍有一定的增長，但增長趨勢放緩，強度值逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，都能夠達到6MPa以上，符合一般干線公路的底基層和基層材料的強度要求。

2.3 劈裂強度試驗結(jié)果及分析

道路基層材料的劈裂強度對其路用性能影響較大，是重要的設(shè)計指標之一。對于設(shè)計的兩種配合比，通過大量的室內(nèi)試驗，給出了該類材料的劈裂強度隨齡期的變化情況，試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，兩種配合比的水泥固化劑穩(wěn)定粉砂土在28d齡期的劈裂強度都能夠達到0.8MPa以上。另外，該類材料的劈裂強度初期增速較快，當齡期大于60d，其劈裂強度增速逐漸放緩。另外，兩種配合比的固化劑處治粉砂土7d劈裂強度僅為180d劈裂強度的25%左右，當齡期為60d時，其劈裂強度可達180d劈裂強度的80%以上。因此，在現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)充分考慮固化劑處治粉砂土的劈裂強度在施工后期的增長潛力。

圖2 基層不同配合比材料的劈裂強度與齡期變化的關(guān)系

2.4 抗壓回彈模量試驗結(jié)果及分析

道路基層材料需要具有良好的剛度性能才能避免在車輛荷載作用下路面產(chǎn)生過大變形而造成的破壞。根據(jù)上述試驗結(jié)果，優(yōu)選無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度較大的6∶6∶88配合比材料進行了28d與90d的抗壓回彈模量的試驗研究，試驗結(jié)果如表1所示。本研究的設(shè)計參數(shù)為1 500MPa。

表1 抗壓回彈模量

由表1可知，固化劑處治粉砂土的抗壓回彈模量隨齡期的增加具有一定的增長。當齡期為90d時，作為干線公路的基層材料，固化劑處治粉砂土的抗壓回彈模量滿足規(guī)范設(shè)計要求（1 300～1 700MPa），能作為道路基層材料進行施工。

2.5 7d無側(cè)限抗壓強度延遲試驗結(jié)果及分析

在現(xiàn)場施工過程中，由于受多種因素的影響，道路基層的碾壓施工往往不能按時進行，從而對基層材料的路用性能產(chǎn)生一定影響。為此，通過室內(nèi)試驗，研究了不同延遲時間對優(yōu)選配合比6∶6∶88的固化劑處治粉砂土7d無側(cè)限抗壓強度的影響，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 7d無側(cè)限抗壓強度延遲試驗結(jié)果

由表2可知，隨著延遲時間的增加，固化劑處治粉砂土的7d無側(cè)限抗壓強度逐漸降低。當延遲時間為8h時，其7d無側(cè)限抗壓強度為3.76MPa，較無延遲條件下降低了0.58MPa，仍能滿足基層材料設(shè)計指標的要求。為了保證施工質(zhì)量，現(xiàn)場施工的延遲時間應(yīng)控制在8h以內(nèi)。

3 結(jié)論

本文針對干線公路底基層和基層材料的力學性能要求，通過大量的室內(nèi)試驗，研究了兩種配合比的固化劑處治粉砂土的無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度隨齡期的變化規(guī)律，并對優(yōu)選的配合比進行了抗壓回彈模量和7天無側(cè)限抗壓強度延遲試驗。主要結(jié)論如下。

①固化劑處治粉砂土材料具有良好的早強性。兩種配合比材料的無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度隨著齡期的增加而增大，且28d齡期材料無側(cè)限抗壓強度強度可達180d齡期強度的80%左右，60d齡期材料劈裂強度可達180d齡期劈裂強度的80%以上，能滿足干線公路底基層和基層材料的設(shè)計要求。

②對于配合比為水泥∶固化劑∶砂土=6∶6∶88的固化劑處治粉砂土材料，當齡期為90d時，其抗壓回彈模量能夠滿足干線公路底基層和基層材料的設(shè)計要求。

③隨著延遲時間的增加，固化劑處治粉砂土的無側(cè)限抗壓強度有一定程度的降低。如果將延遲時間控制在8h以內(nèi)，其強度指標仍能滿足設(shè)計參數(shù)的要求。為了保證現(xiàn)場施工質(zhì)量，應(yīng)嚴格控制基層延遲碾壓時間。

［1］王國曉，楚永紅.粉砂土路基填筑質(zhì)量控制要點［J］.河南科技，2010（8）：91.

［2］趙振東.路用典型砂土的低溫陶瓷固化機理應(yīng)用研究［J］.公路，2011（10）：55-58.

［3］徐平，樂金朝，馬清文，等.土壤固化劑穩(wěn)定粉質(zhì)黏土性能的試驗研究［J］.建筑材料學報，2010（1）：57-61.

［4］謝先旭，楊雪娟.淺談土壤固化劑在公路路基施工中的應(yīng)用［J］.河南科技，2013（6）：146.

［5］張濤，潘登，樂金朝.土壤固化劑穩(wěn)定粉土路用性能試驗研究［J］.湖南交通科技，2014（4）：4-6.

Experimental Study on Mechanical Properties of Silty Soil Mixed with Curing Agent

Zhang Xiaoliang
（Zhoukou Highway Survey&Design Institute，Zhoukou Henan 466000）

According to the pavement performance requirements of base course in arterial highway,the mechanical properties of cement and curing agent stabilized silty soil are studied through laboratory experiments.The experiment results revealed that as a base course building materials of arterial highway,the unconfined compressive strength,splitting strength and compressive modulus of cement and curing agent stabilized silty soil increase with the age rising.The unconfined compressive strength of cement and curing agent stabilized silty soil decreases with the increase of delay time,so that the delay time of field compaction should be controlled within 8 hours to ensure site construction quality.

silty soil；curing agent；base course；unconfined compressive strength；splitting strength；compressive modulus

U416.212

A

103-5168（2017）09-0125-03

2017-08-01

河南省交通運輸廳科技項目（2014K44）。

張小亮（1984-），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。