水玻璃和硫酸鋁處理高液限土路基病害可行性試驗研究

黃偉

摘要：文章通過試驗研究了水玻璃和硫酸鋁處理高液限土路基病害的可行性，并取得了以下結(jié)果：采用水玻璃和硫酸鋁對高液限黏土進行處理后，液限降低，塑限增大，塑性指數(shù)降低;與未經(jīng)處理的土壤相比，改良后土壤的黏粒含量降低，而粉土和粗粒含量增加;改良土的絕對膨脹率和相對膨脹率均低于未處理土;在相同的干循環(huán)次數(shù)和濕循環(huán)次數(shù)下，改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為未處理土的1/2和1/3;經(jīng)過三次干濕循環(huán)后，未處理土壤的承載比（CBR）不符合規(guī)范要求，但經(jīng)過7d的養(yǎng)護和3次干濕循環(huán)后，改良土的CBR（含4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁）符合規(guī)范要求。

高液限土;水玻璃;硫酸鋁;路基病害防治

0 引言

在我國中西部地區(qū)高等級公路的建設(shè)中，經(jīng)常出現(xiàn)大量高液限土。高液限土具有天然含水量高、液限高、細顆粒含量大等特點。采用高液限土作為路基填料時，涉及三個方面的工程問題。（1）含水量控制。高液限土的天然含水量較高，很難將其含水量降到最佳值。在碾壓過程中，如果含水量過高，很難壓實土壤，從而導致土壤難以碾壓[1-2]。（2）強度問題。高液限土的強度（CBR）很低[3]，一般難以滿足規(guī)范的要求[4]。（3）水的穩(wěn)定性。高液限土的水穩(wěn)定性較差[5]。因此，在公路使用過程中，由于季節(jié)性氣候變化引起的干濕交替循環(huán)，可能會逐漸破壞土結(jié)構(gòu)，導致不均勻沉降、路基邊坡坍塌、路面開裂等并發(fā)癥[6]。針對上述問題，公路路基設(shè)計規(guī)范規(guī)定：“液限>50%、塑性指數(shù)>26的細粒土，不得直接用作路基填料。開挖段采用高液限土填筑路基時，高液限土應進行處理[4]。

由于受技術(shù)經(jīng)濟因素的制約，高液限土分布區(qū)的許多公路路基填料直接采用未經(jīng)處理的高液限土，導致沉降不均勻，路基邊坡坍塌。在高速公路運營過程中，路面開裂和其他并發(fā)癥嚴重影響了其使用。基于這一現(xiàn)象，本文通過實驗室試驗探索了一種添加劑，目的在于提供一種易溶于水、無毒副作用的添加劑，并可通過注漿法進行添加。

1 高液限土的基本物理性質(zhì)指標

本試驗所用高液限土樣取自廣西荔浦至玉林高速公路K156+200段，取樣深度為2.0m，土樣呈紅褐色，粒徑<0.075mm的顆粒含量為89.6%。基本物理性能指標見表1。根據(jù)《公路工程土工試驗方法》（JTGE40-2007）的規(guī)定，試驗土為高液限黏土。

2 添加劑的選擇

研究的第一步是確定一種能夠通過灌漿方法解決路基復雜問題的添加劑。在選擇添加劑時，應考慮三個方面：（1）使用離子活性劑，以減少通過置換作用在土顆粒表面攜帶的電荷，從而降低土壤的親水性;（2）使用膠結(jié)材料，從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強土壤顆粒間的結(jié)合力;（3）添加劑應具有較高的水穩(wěn)定性。

根據(jù)以上三點，初步選擇了硅酸鈉和硫酸鋁的組合作為添加劑。黏度比試驗結(jié)果表明，混合料的黏度在8h內(nèi)基本保持不變，在灌漿施工過程中不凝結(jié)，保證了漿液的良好流動性，滿足灌漿施工要求。

水玻璃的化學式為Na2O·nSiO2，其中n表示水玻璃的模量。當模數(shù)較小時，固體硅酸鈉易溶于水，選擇模數(shù)為2.6、濃度為3.26ml的工業(yè)水玻璃和硫酸鋁進行實驗。硫酸鋁是一種白色晶體，易溶于水。

硅酸鈉和硫酸鋁溶液反應迅速，反應方程式如下：

在硅酸鈉和硫酸鋁的反應過程中產(chǎn)生氫氧化鋁和凝膠顆粒，凝膠包裹在土壤顆粒表面并填入土壤顆粒之間的孔隙中。其作用是通過膠結(jié)和粘聚力使細小的土粒團聚，形成大粒徑的團聚體，從而降低高液限土的親水性，提高其水穩(wěn)定性。當硅酸鈉與硫酸鋁的固體質(zhì)量比為5：1左右時，不僅會促進水玻璃的凝結(jié)，而且會導致凝結(jié)不太快。實驗用水玻璃溶液的濃度為3.26ml，確定水玻璃與硫酸鋁的質(zhì)量比為10：1。

3 改進實驗

3.26ml水玻璃溶液和干土的質(zhì)量比分別為1%、2%、4%、6%和8%;硫酸鋁固體和干土的質(zhì)量比分別為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%;水玻璃溶液與硫酸鋁的配比分別為1%+0.1%、2%+0.2%、4%+0.4%、6%+0.6%、8%+0.8%。

高液限黏土的改良包括以下步驟：（1）稱量一定量的風干土;（2）根據(jù)水玻璃溶液和干土的質(zhì)量比稱重一定量的水玻璃溶液，然后均勻地將水玻璃溶液噴在土壤樣品上，均勻混合后再等2h;（3）根據(jù)硫酸鋁與干土的質(zhì)量比，稱取一定質(zhì)量的硫酸鋁，溶于水（水控標準規(guī)定，將水玻璃溶液和硫酸鋁溶液噴灑在土樣上后，土樣含水量為試驗所需含水量），并將硫酸鋁溶液均勻噴灑在摻有水玻璃的土樣上，讓土樣靜置2h，按照設(shè)計干密度，用靜壓法將土樣灌入試樣中;（4）將試樣固化至規(guī)定齡期后進行試驗。

3.1 液塑性極限實驗

液塑限實驗中所用樣品的含水量為30.0%，干密度為1.60g/cm3。實驗在樣品固化7d后進行。實驗結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，加入水玻璃溶液和硫酸鋁溶液后，高液限黏土的液限和塑限發(fā)生了顯著變化。隨著水玻璃和硫酸鋁溶液混合量的增加，改性高液限黏土的液限減小，塑性極限增大，塑性指數(shù)降低。當水玻璃的摻量為4%、硫酸鋁的摻量為0.4%時，改良后的土壤固化7d的液限為54.6%，塑性指數(shù)為21，符合《公路路基設(shè)計規(guī)范》（《設(shè)計規(guī)范》）2004的要求，細粒土填料的塑性指數(shù)必須<26。當水玻璃的摻量為4%時，硫酸鋁的摻量為0.4%時，在繼續(xù)增加添加劑的摻量后，改良土的塑性極限和塑性指數(shù)的變化范圍減小。因此，添加劑的混合量初步確定為4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁。

含4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁的改良高液限黏土的液限和塑限隨養(yǎng)護齡期的變化如圖2所示。從圖2中可以看出，改良劑在添加到高液限黏土后7d完成了液態(tài)和塑性極限的變化。經(jīng)過7d的固化后，改良土的液塑限沒有隨著固化時間的延長而有明顯的變化。

3.2 壓實試驗

將改良劑摻入高液限黏土中12h后進行壓實試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，改良土壤的最大干密度低于未處理的土壤，而其最佳含水量較大。

3.3 顆粒分析試驗

用4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁對改良土進行顆粒分析試驗，其含水率為30%，干密度為1.60g/cm3，樣品固化7d后進行顆粒分析實驗。其中未處理土中粒徑<0.002mm的黏土含量為20.8%，改良土中粒徑<0.002mm的黏土含量為15.6%;未處理土中粒徑介于0.002～0.075mm的粉土含量為79.2%，改良土為82.6%，未處理土中不存在粒徑>0.075mm的粗粒組分，改良土中粒徑>0.075mm的粗粒組分含量為1.8%。試驗結(jié)果表明，與未經(jīng)處理的土壤相比，改良土壤中顆粒組分含量的變化使黏粒含量降低，粉粒和粗粒含量增加。這是由于水玻璃與硫酸鋁反應生成的凝膠在土顆粒表面形成了一層黏性層，同時凝膠填充了土顆粒間的孔隙，促進了土顆粒向團聚體的轉(zhuǎn)化。

4 水穩(wěn)定性試驗

通過干濕循環(huán)試驗，研究了高液限黏土和改良土的水穩(wěn)定性。

干濕循環(huán)試驗中使用的樣品面積為30cm2，高度為2cm。將土樣的含水量混合至最佳含水量，土樣的干密度為1.54g/cm3（壓實度為96%），然后用靜壓法將土樣壓入截面積為30cm2、高度為2cm的切割環(huán)中，以該產(chǎn)品為供試品。

干濕循環(huán)試驗分為膨脹和收縮脫水兩個過程。膨脹過程如下：將試樣放在透水石上，加水至水面與透水石頂面高度一致，使試樣吸水至飽和，然后逐漸升高水位至試樣表面被淹沒，待試樣浸沒后膨脹變得穩(wěn)定，測量樣品的高度。脫水收縮過程如下：將飽和試樣干燥至飽和度的70%，然后測量試樣高度。

4.1 膨脹率

在干循環(huán)和濕循環(huán)過程中，根據(jù)以下公式計算絕對膨脹率和相對膨脹率：

未處理土和改良土的絕對膨脹率和相對膨脹率與循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的變化如圖4所示。從圖中可以看出，改良土的絕對膨脹率和相對膨脹率均低于未處理土。未處理土和改良土的絕對膨脹率均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，5個循環(huán)后相對膨脹率基本保持穩(wěn)定。未處理土和改良土的相對膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小，未處理土的相對膨脹率在第3個循環(huán)后開始逐漸減小，而其相對膨脹率在第7個循環(huán)后開始趨于穩(wěn)定;改良土的相對膨脹率在第4個循環(huán)后開始逐漸減小，第6個循環(huán)后相對膨脹率趨于穩(wěn)定。

4.2 快速剪切實驗

表2顯示了在不同次數(shù)的干循環(huán)和濕循環(huán)后，未經(jīng)處理和改良的土壤樣品在固化7d后，使用4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁進行快速剪切試驗的結(jié)果。

由表2可以看出，未處理土和改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著干循環(huán)和濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。相同循環(huán)次數(shù)下，改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角大于未處理土，改良土的粘聚力降低程度約為未處理土的1/2，改良土的內(nèi)摩擦角減小程度約為未處理土的1/3。結(jié)果表明，改良土的水穩(wěn)定性高于未處理土，即高液限黏土經(jīng)水玻璃和硫酸鋁改良后，水穩(wěn)定性顯著提高。

4.3 承載比（CBR）試驗

在3次干濕循環(huán)過程中，未處理土樣的相對膨脹率達到最大值，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角減小程度較高。因此，對CBR試驗進行如下比較：（1）比較未經(jīng)處理的未經(jīng)干燥的土壤的CBR;濕循環(huán)與3個循環(huán)的CBR。（2）比較3個干濕循環(huán)后不同養(yǎng)護齡期改良土樣與未處理土樣的CBR。

未經(jīng)處理和改良土壤的CBR試驗結(jié)果如表3所示，其中，未經(jīng)處理的土壤樣品未經(jīng)干濕循環(huán)的CBR為6.1%，符合規(guī)范要求（路基CBR必須>3%）。然而，經(jīng)過3次干濕循環(huán)后，未處理土樣的CBR降低到2.7%，不符合規(guī)范要求。改良土樣用4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁養(yǎng)護7d后不進行干濕循環(huán)的CBR為18.3%;養(yǎng)護7d后進行3次干濕循環(huán)的CBR為15.6%，滿足規(guī)范要求。3次干濕循環(huán)后未處理土樣的CBR降低了55.7%，7d養(yǎng)護和3次干濕循環(huán)后改良土樣的CBR降低了14.8%，改良土樣經(jīng)過28d的養(yǎng)護和3次干濕循環(huán)后，其水穩(wěn)定性降低了16.6%，表明改良高液限黏土在4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁的作用下，其水穩(wěn)定性明顯高于未處理土。

5 結(jié)語

本文研究了水玻璃和硫酸鋁處理高液限土路基的可行性，探討了液塑限、最大干密度、最佳含水量等問題以及水玻璃和硫酸鋁改良高液限土的水穩(wěn)定性。通過對實驗結(jié)果的觀察，得出以下結(jié)論：

（1）隨著水玻璃和硫酸鋁摻量的增加，改性高液限黏土的液限減小，塑性極限增大，塑性指數(shù)降低。當3.6ml濃度的水玻璃溶液的混合量為4%，硫酸鋁的摻量為0.4%時，經(jīng)改進的土壤固化7d后的液限為54.6%，其塑性指數(shù)為21，符合路基填料的塑性指數(shù)要求。

（2）改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均高于未處理土。未處理土和改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。改良土的粘聚力降低程度約為未處理土的1/2，而改良土的內(nèi)摩擦角減小程度約為未處理土的1/3。

（3）經(jīng)過3次干循環(huán)和濕循環(huán)后，未經(jīng)處理的土壤CBR不符合規(guī)范要求，但經(jīng)過7d的養(yǎng)護和3次干濕循環(huán)后，4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁溶液改良土的CBR符合規(guī)范要求。另外，經(jīng)過3次干濕循環(huán)后，未處理土的CBR降低程度大于改良過的土壤。

（4）硫酸鋁溶液和水玻璃溶液的黏度在8h內(nèi)基本保持不變，兩種溶液在灌漿施工中不凝結(jié)，能夠滿足灌漿施工的要求。另外，水玻璃和硫酸鋁改良高液限黏土的強度和水穩(wěn)定性顯著提高，說明水玻璃和硫酸鋁可以通過注漿的方式處理高液限土路基病害。

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