復合改良劑對公路路基分散性土改良效果研究

劉國梁

(長沙市西工建設有限公司，湖南 長沙 410200)

分散性土是一種在低含鹽量水中由于離子相互間排斥力超過吸引力，導致土體顆粒分散的黏性土。其抗水蝕能力很低，是近年來巖土工程界比較關注的特殊土類之一，在中國黑龍江、廣西、新疆、江蘇、山東、河南、青海等10多個省(自治區)均有分布。分散性土含有較多的Na+，Na+促使土顆粒周圍雙電層水膜厚度增加，土顆粒間吸引力減小，一旦與水接觸，呈團聚體狀態存在的土顆粒體會全部或大部分彼此分離成松散狀細粒，所以采用分散性土作為填料的公路路基，很容易受到水流的沖刷、侵蝕，從而造成路基水毀。

分散性土的處治研究始于20世紀50年代的澳大利亞和美國，一般采用石灰、粉煤灰、水泥等進行土性改良，這些無機結合料摻入土體后，通過水解水化反應、陽離子交換反應、碳酸化反應和火山灰反應，可以有效地改善分散性土的工程特性。例如，Kumar發現加入熟石灰Ca(OH)2可以顯著提高分散性土的強度，并降低其塑性，減少黏粒含量，增加土中粗顆粒的占比；Maharaj對南非分散性土的石灰處治效果進行了研究，發現摻入石灰可以降低分散性土道路路堤發生管涌、沖溝等病害的機率。中國研究人員對于石灰改良分散性土也做了一定研究工作：王文健等對南引水庫強分散性土摻入4%的石灰進行改良，并采用反濾層保護分散性土；劉杰對均質土壩中的分散性土摻入2%～3%石灰進行改良；高明霞等對南坪水庫筑壩土料摻入1%～2%熟石灰，以改善分散性；李華鑾等對大屯水庫的分散性土料進行改性試驗研究，發現石灰劑量達到1.5%時，改性效果最佳。目前來看，中國針對分散性土的研究大多是從水利水電、環保、農業的角度出發，所分析的指標也往往來自這些領域，實際上，在公路建設領域也會面臨分散性土的問題，但目前從公路工程指標角度出發開展的路基分散性土改良研究工作報道較少，參考依據不足。

土體誘發發散性的原因可分為物理性原因和化學性原因，前者在于土體中缺乏膠結物，后者在于土體中含有較多的Na+。該文從上述機理及公路工程路基土指標出發，提出采用石灰+三氯乙酸+聚丙烯酰胺配比形成復合改良劑，對某公路路基分散性土進行改良，獲取復合改良劑降低分散度的規律，分析復合改良劑中石灰摻量對界限含水率、壓實度、無側限抗壓強度、CBR等指標的影響，最終通過試驗段填筑及觀測，驗證復合改良劑改良的有效性和可行性，為路基分散性土改良應用提供必要支撐依據。

1 試驗材料

1.1 試驗用土

試驗采用的分散性土來自某公路路基現場，該分散性土在干燥狀態下具有足夠的強度，但是浸水后強度迅速衰減，附近地區的路面頻繁出現因路基不均勻變形造成的裂縫。試驗用土的基本物理性質見表1。

表1 分散性土的基本物理性質

通過兩次比重計試驗測定土樣中的黏粒(<0.005 mm)含量，第1次按標準常規試驗方法進行，加分散劑、煮沸、攪拌；第2次不加分散劑，讓黏土顆粒自行水化分散。不加分散劑試驗黏粒(<0.005 mm)含量占常規試驗加分散劑試驗黏粒含量的百分數，即為分散度，分散度越大，表明土體趨于分散的程度越高。其中分散度小于30%，則為非分散性土，分散度為30%～50%，則為過渡性土，若大于50%，則為分散性土。圖1為試驗用土的測試結果，由圖1可知：試驗用土的分散度約為69.2%，屬于分散性土。

圖1 雙比重計試驗結果

1.2 復合改良劑

改良劑采用生石灰(CaO)、三氯乙酸(99.9%純度)和聚丙烯酰胺，其中生石灰呈白色塊狀，將其進行粉碎、消解，形成熟石灰[CaO(OH)2]，三氯乙酸為無色結晶，有刺激性氣味，聚丙烯酰胺呈白色粉狀。

在分散性土改性劑的原材料中，石灰和三氯乙酸主要針對化學性分散性土有效，聚丙烯酰胺主要針對物理性分散性土有效，因此，復合改性劑可進行配方的調整，使之達到較好的改良效果。參考文獻[12]，三氯乙酸和聚丙烯酰胺摻量(與原土質量比)采用0.8%和0.2%，而石灰摻量為3%、5%、7%、9%共4種方案。

2 改良對降低分散度的效果分析

改良時將復合改良劑與天然含水率下的分散性土拌和均勻，在恒溫恒濕條件下進行養護。分散度(7 d養護)隨復合改良劑中石灰摻量的變化如圖2所示。

圖2 分散度隨復合改良劑中石灰摻量的變化

由圖2可以看出：隨著石灰摻量的增加，分散度從69.2%降低為42.6%，但減小速率逐漸放緩。當復合改良劑中石灰摻量超過5%時，分散度<50%，改良土已經不屬于分散性土的范疇。

圖3為分散度隨養護時間的變化。

圖3 分散度與養護時間的關系

由圖3可以看出：養護時間越長，改良土的分散度越低，而且復合改良劑中石灰摻量越大，延長養護時間的效果越明顯。

3 改良對分散性土工程性質的影響

對改良土進一步開展界限含水率試驗、壓實度試驗、CBR試驗、UCS試驗等，均參照JTG E40-2007《公路土工試驗規程》、JTG E51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中有關內容進行。

3.1 界限含水率

圖4為改良分散性土界限含水率與復合改良劑中石灰摻量的關系(7 d養護)。

圖4 界限含水率隨石灰摻量的變化(7 d養護)

由圖4可以看出：當復合改良劑中不含石灰時，改良土液限為75.8%，僅比素土液限(78.98%)有小幅下降，當石灰摻量由3%增加至9%時，液限和塑性指數有所下降，但是塑限卻略微增加，尤其當石灰摻量從5%增加至7%時，塑性指數大幅下降8.22%。

圖5為改良分散性土界限含水率與養護時間的關系(7%石灰摻量)。由圖5可以看出：養護第5～7 d，液限、塑限、塑性指數下降速率最大。

綜合圖4、5可知：在復合改良劑中增加石灰摻量有助于降低分散性土的液限，并略微增加其塑限，進而降低塑性指數，且養護時間超過7 d后降低效果更加明顯。

圖5 界限含水率隨養護時間的變化(7%石灰摻量)

3.2 壓實度

圖6為擊實曲線隨復合改良劑中石灰摻量的變化(7 d養護)，采用的是輕型擊實試驗。由圖6可以看出：在7 d的養護期下，當石灰摻量從0%增加至9%時，擊實曲線逐漸向右下方偏移，最佳含水率從22.80%增加到30.23%，而最大干密度從1.63 g/cm3降低至1.50 g/cm3。對該工程而言，所處地區分散性土的天然含水率往往高于最佳含水率，經過改良后，最佳含水率提高，意味著可以減短路基壓實前的翻曬時間。

圖6 擊實曲線隨石灰摻量的變化

3.3 無側限抗壓強度(UCS)

圖7為改良土UCS與復合改良劑中石灰摻量的關系，其中含水率為圖6中各摻量下的最佳含水率，壓實度為93%。

圖7 不同石灰摻量及養護時間下分散性土的無側限抗壓強度

由圖7可以看出：① 石灰摻量和養護時間都會對UCS產生明顯的影響，當石灰摻量從0%增加至9%時，5、7、14 d養護條件下UCS分別增長了62%、95%、135%，尤其當石灰摻量>7%后，UCS提升更加明顯；② 石灰摻量越大，延長養護時間帶來的益處越顯著，當石灰摻量為9%時，相對5 d養護，7、14 d養護UCS可以提升20.4%和45.1%。

3.4 CBR與膨脹率

表2為飽和改良土CBR值和膨脹率的變化，壓實度為93%。

表2 CBR和膨脹率的變化

由表2可以看出：復合改良劑既提高了CBR又降低了膨脹率，隨著石灰摻量從0%增加至9%，7 d養護條件下CBR從2.80%增加到了4.98%，14 d養護條件下，CBR從2.80%增加到了5.73%。當復合改良劑中石灰摻量超過7%時，改良土的CBR可以達到上路堤的填筑要求(>4%)。

4 復合改良劑機理分析

根據復合改良劑的成分，對分散性土進行改良的機理主要有以下3個方面。

(1) 離子交換機理

由于分散性土中大量Na+促使土顆粒周圍雙電層水膜厚度增加，土顆粒間吸引力減小，這是導致土出現分散性的主要原因；溶液中離子的交換能力主要取決于離子的化合價數和離子水化半徑，溶液陽離子交換能力的順序如下：Fe3+>Al3+>H+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。復合改良劑可以提供大量的Ca2+來置換土顆粒吸附的Na+，土顆粒之間的雙電層厚度減小，土粒間的吸引力增大，分散性減弱。

(2) 酸堿度改性機理

分散性土顆粒表面的羥基具有一定的分解趨勢：SiOH→SiO-+H+，該反應受到pH值的強烈影響。若反應環境的堿性增大，將促進上述化學反應進行，凈負電荷數SiO-增加，雙電層變厚，土顆粒分散；反之，若酸性增大，將抑制上述反應的進行，凈負電荷數減少，雙電層厚度變薄，分散性減弱。復合改良劑中酸性Cl3CCOOH可以抑制羥基的分解，其水解產生的H+可進一步與石灰中含有的CaCO3反應，進一步增加Ca2+含量，促進離子交換。化學反應方程式如下：

Cl3CCOOH→Cl3CCOO-+H+

2H++CaCO3→Ca2++H2O+CO2↑

(3) 絮凝機制

聚丙烯酰胺(PAM)是由丙烯酰胺(AM)單體經自由基引發聚合而成的水溶性線性高分子聚合物，PAM 溶于水形成膠狀體，通過黏結促進土壤團粒形成，使得土顆粒間的黏結力大大增加，改善了土體原本遇水分散的特性。

5 試驗段改良土填筑效果

現場修筑了200 m長的試驗段以驗證復合改良劑的效果，其中100 m(試驗段A)采用5%CaO+0.8%三氯乙酸+0.2%聚丙烯酰胺方案，另100 m(試驗段B)采用7%CaO+0.8%三氯乙酸+0.2%聚丙烯酰胺方案，改良路基層主要針對路堤層。填筑流程如圖8所示。

圖8 現場試驗段施工工藝流程

路基填筑完成后，沿線路縱向設置了①、②兩個剖面，剖面①上的測點1、2、3分別位于非試驗段、試驗段A、試驗段B，剖面②上的測點4、5、6布置方式與此相同。沉降板埋設于路堤層頂面，圖9為沉降觀測曲線。

由圖9可知：非試驗路段測點1和4的最大沉降達到了34.89和37.86 mm，其中觀測第85～95 d期間，現場有降雨，由于地下水位上升和雨水入滲作用，路基土含水率快速提升，結構趨于松散、軟化，在此期間沉降量急劇增加；而對于復合改良劑改良試驗段，沉降明顯減小，例如對于試驗段B，復合改良劑中石灰摻量達到7%，最大沉降為10 mm左右，而且在第85～95 d的降雨期沉降沒有發生“陡增”。根據3個多月的觀測結果可知，通過復合改良劑改良，分散性土路基的變形沉降在一定程度上得到了控制，水穩定性也明顯改善，路基質量有所提高。

圖9 沉降觀測曲線

6 結論

通過對分散性土中摻加復合改良劑進行研究，可得如下結論：

(1) 復合改良劑可通過離子交換、酸堿度改性、絮凝等作用改善分散性土的工程性質。對于分散性土，復合改良劑中石灰摻量越大，養護時間越長，改良土的分散度越低。

(2) 在復合改良劑中增加石灰摻量有助于降低分散性土的液限和塑性指數，而且養護時間達到7 d以上后降低效果更加明顯。

(3) 經過復合改良劑改良后，分散性土的最佳含水率提高，最大干密度降低，該工程分散性土的天然含水率往往高于最佳含水率，意味著通過復合改良劑改良可以減短路基壓實前的翻曬時間。

(4) 通過復合改良劑改良可以有效提高分散性土的UCS和CBR，同時降低膨脹性。綜合考慮分散性土改良后各指標的變化以及試驗段沉降觀測結果，對于該工程，建議復合改良劑的配比為7%CaO+0.8%三氯乙酸+0.2%聚丙烯酰胺，且養護時間應保持在7 d以上。