抗疏力固化土路用性能對(duì)比試驗(yàn)研究

史曉強(qiáng)

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，沈陽(yáng) 110136)

土壤作為工程中來(lái)源最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的原材料，其因強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差等缺陷，在公路工程應(yīng)用中受到限制[1-4]。傳統(tǒng)的土壤改性主要通過(guò)添加水泥、石灰、粉煤灰、二灰土等無(wú)機(jī)穩(wěn)定類(lèi)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，但隨著交通量日益增大、國(guó)家對(duì)環(huán)保的日益重視，水泥、石灰等無(wú)機(jī)穩(wěn)定類(lèi)材料的缺陷日益凸顯：①生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)采大量黏土礦物，產(chǎn)生大量有毒氣體和粉塵顆粒，影響生態(tài)安全；②水泥在提升土壤強(qiáng)度的同時(shí)，阻斷土體內(nèi)部孔隙連通，不利于維持土體內(nèi)部的干燥狀態(tài)；③石灰穩(wěn)定土強(qiáng)度低、水穩(wěn)定性差，受雨水沖刷易出現(xiàn)翻漿、唧泥、不均勻沉降等病害，嚴(yán)重影響公路工程的安全性[5-7]。因此，尋求一種性能優(yōu)異、環(huán)境友好的新型土壤固化劑成為解決工程土壤問(wèn)題的關(guān)鍵。

抗疏力固化劑為新型土壤固化材料，起源于瑞士，其主要由水劑C444和粉劑SD兩部分組成，可加速黏性土壤再石化進(jìn)程。抗疏力固化技術(shù)在國(guó)外土工領(lǐng)域已使用四十多年，其成品經(jīng)多家檢測(cè)單位認(rèn)定為環(huán)保產(chǎn)品，用于公路工程中具有施工方便、工效高、進(jìn)度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)80年代抗疏力固化劑引入我國(guó)，因其優(yōu)良性能廣受關(guān)注。劉俊[8]利用抗疏力固化技術(shù)對(duì)重慶紅黏土進(jìn)行處理，有效提高了土壤的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性和耐久性能。張虎元等[9-10]將抗疏力固化劑摻入黃土中，并與水泥、石灰等傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗疏力固化黃土斥水性最優(yōu)、通透性最好。郭曉宏等[11]研究結(jié)果表明，抗疏力固化劑顯著降低中、高膨脹土的自由膨脹率和線膨脹率。楊永東等[12]以抗疏力固化土為豎向增強(qiáng)體構(gòu)件復(fù)合地基，結(jié)合Ansys有限元分析軟件對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明抗疏力固化土構(gòu)建的復(fù)合地基滿(mǎn)足規(guī)范要求。抗疏力固化技術(shù)雖然已有較為豐富的研究，但研究?jī)?nèi)容主要集中在抗疏力固化劑對(duì)單一土壤性能的改善，抗疏力固化劑對(duì)不同類(lèi)型土壤適用性和路用性能的研究較少，限制了抗疏力固化劑的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

基于此，本文選取黃土、紅黏土、膨脹土3種工程性質(zhì)不良土壤，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、吸水特性試驗(yàn)，對(duì)比分析抗疏力固化劑固化不同類(lèi)型土壤路用性能的差異性，為抗疏力固化劑在全國(guó)推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

1.1.1 抗疏力固化劑

抗疏力固化劑選用北京抗疏力科技有限公司生產(chǎn)的水劑C444和粉劑SD。水劑C444是一種電離子溶液，呈淡黃色，pH值為6，具有揮發(fā)性，在高溫下易燃燒。粉劑SD是一種高分子有機(jī)粉末，呈灰白色。

1.1.2 土樣

在貴陽(yáng)地區(qū)選取黃土、紅黏土、膨脹土，掃除表面浮土，取1.5～2.0 m深、無(wú)裂縫的土樣。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)，對(duì)3種土樣進(jìn)行干燥、粉碎，通過(guò)2 mm篩，并測(cè)試土樣的物理力學(xué)性能，黃土、紅黏土、膨脹土物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 黃土、紅黏土、膨脹土物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 制樣及測(cè)試方法

設(shè)置水劑C444摻量為 0.7‰、0.9‰、1.1‰，粉劑SD摻量為1.4%、1.8%、2.2%(占混合料總質(zhì)量的百分比)，抗疏力固化土試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 抗疏力固化土試驗(yàn)方案

將抗疏力固化劑分別與黃土、紅黏土、膨脹土拌和均勻，依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定抗疏力固化土的最佳含水率和最大干密度。依據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，選用靜壓成型法，壓實(shí)度為97%，成型φ50 mm×h50 mm的圓柱體試件和50 mm×50 mm×200 mm的長(zhǎng)方體試件，每組成型6個(gè)平行試樣。試件成型后用塑料袋包裹，置于自然環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)生。養(yǎng)生3 d后，取長(zhǎng)方體試件飽水24 h，參考《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)測(cè)量試件隨齡期增長(zhǎng)所產(chǎn)生的干縮變形，并根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算試件干縮應(yīng)變?chǔ)舏和干縮系數(shù)αi。

(1)

(2)

式中，i為齡期，d；εi為第i天試件的干縮應(yīng)變；l為試件的初始長(zhǎng)度，mm；αi為第i天試件的干縮系數(shù)，%；wi為第i天試件的失水率，%。

養(yǎng)生7 d后，取圓柱體試件測(cè)量無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度；養(yǎng)生28 d后，取圓柱體試件分別測(cè)量抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的質(zhì)量m0，然后浸入水中24 h(水面高度高于試件頂面2.5 cm)，再測(cè)量其質(zhì)量m1，根據(jù)式(3)計(jì)算試件的吸水率Q。

(3)

式中，Q為試件的吸水率，%；m0為試件浸水前質(zhì)量，g；m1為試件浸水24 h后質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同抗疏力固化劑摻量下，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著抗疏力固化劑摻量的增加而增大。當(dāng)C444摻量增至0.9‰、SD摻量增加至1.8%時(shí)，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了30.4%、11.8%和14.4%。這可能歸因于抗疏力固化劑摻量增加，C444中大量帶電離子與土壤顆粒周?chē)姾芍泻停档徒Y(jié)合水膜的厚度，增強(qiáng)土壤顆粒間的分子作用力，使土體更致密，進(jìn)而提高無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，而SD與土壤拌和均勻后，及時(shí)對(duì)土壤顆粒進(jìn)行包裹，增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定性，提高了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

抗疏力固化不同類(lèi)型土壤的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度差異性較大。抗疏力固化黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最優(yōu)，其次為紅黏土，膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最差，但均滿(mǎn)足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)施工要求。除此之外，抗疏力固化劑摻量的變化對(duì)黃土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響更為顯著，其次為膨脹土，紅黏土對(duì)抗疏力固化劑摻量變化的敏感性較小。當(dāng)C444摻量以0.2‰的幅度增加時(shí)，抗疏力固化黃土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了30.4%、29.0%，抗疏力固化膨脹土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了14.4%、16.8%，抗疏力固化紅黏土的 7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了11.8%、13.8%。

2.2 間接抗拉強(qiáng)度

不同抗疏力固化劑摻量下抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的間接抗拉強(qiáng)度如圖2所示。

由圖2可知，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的間接抗拉強(qiáng)度與7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的規(guī)律類(lèi)似，均隨著抗疏力固化劑摻量的增加而增大。當(dāng)C444摻量為0.7‰、SD摻量為1.4%時(shí)，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的間接抗拉強(qiáng)度分別為0.47 MPa、0.41 MPa和0.31 MPa；當(dāng)C444摻量增至1.1‰、SD摻量增至2.2%時(shí)，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的間接抗拉強(qiáng)度分別提高了117.0%、85.4%和103.2%。

圖2 間接抗拉強(qiáng)度

抗疏力固化黃土的間接抗拉強(qiáng)度最優(yōu)，其次為紅黏土，抗疏力固化劑對(duì)膨脹土的固化效果最差，這與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的結(jié)論一致。當(dāng)C444摻量為0.9‰、SD摻量為1.8%時(shí)，相較抗疏力固化膨脹土，抗疏力固化紅黏土的間接抗拉強(qiáng)度提高了23.4%，抗疏力固化黃土的間接抗拉強(qiáng)度提高了61.7%。這是由于黃土、紅黏土、膨脹土的顆粒組成和礦物成分差異較大。黃土、紅黏土中存在大量的黏土礦物，如水云母、高嶺石等，而膨脹土含有大量親水礦物，如蒙脫石。大量親水礦物的存在，導(dǎo)致抗疏力固化劑對(duì)土壤顆粒周?chē)ぷ饔眯Ч麥p弱，土壤顆粒間的引力減弱，導(dǎo)致抗疏力固化膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度較低。同時(shí)，黃土、紅黏土的顆粒組成以粒徑<0.005 mm的黏粒為主，膨脹土的顆粒粒徑主要為0.005～0.05 mm。抗疏力固化劑主要通過(guò)降低黏土顆粒周?chē)Y(jié)合水膜厚度以提高土體強(qiáng)度，因而抗疏力固化黃土、紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度優(yōu)于抗疏力固化膨脹土。

2.3 收縮性能

依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)，將飽水的長(zhǎng)方體試件置于干縮室內(nèi)(溫度為20 ℃±1 ℃，相對(duì)濕度為60%±5%)，選用千分表測(cè)量試件長(zhǎng)度隨齡期增加的變化量，并分別計(jì)算抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)，抗疏力固化劑摻量對(duì)抗疏力固化土干縮應(yīng)變的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著抗疏力固化劑摻量的增加，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮應(yīng)變均逐漸降低。干縮試驗(yàn)進(jìn)行至28 d時(shí)，相較于C-H-1、C-N-1、C-P-1的試件，C-H-2、C-N-2、C-P-2試件的干縮應(yīng)變分別降低了16.7%、23.1%和24.1%。半剛性材料的干縮變形原理可概括為毛細(xì)管張力作用、吸附水和分子間作用、礦物凝膠層間水作用和碳化收縮4個(gè)方面的綜合作用，而毛細(xì)管張力作用是半剛性材料干縮變形的主要原因，主導(dǎo)早期干縮變形[13-15]。隨著抗疏力固化劑摻量的增加，土壤顆粒周?chē)Y(jié)合水膜厚度降低，土體結(jié)構(gòu)更為致密，內(nèi)部毛細(xì)孔隙數(shù)量減少，使得毛細(xì)管張力作用減弱，抗疏力固化土干縮變形減小。

對(duì)比分析圖3(a)、(b)、(c)可知，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮應(yīng)變曲線均可分為3個(gè)變化階段：階段Ⅰ，干縮試驗(yàn)前期(1～3 d)，試件干縮應(yīng)變曲線近似直線增長(zhǎng)，這是由于試件表面的大量自由水在溫度、濕度等環(huán)境因素的作用下大量蒸發(fā)，失水迅速，試件干縮變形量增大；階段Ⅱ，干縮試驗(yàn)中期(4～13 d)，試件干縮應(yīng)變曲線增長(zhǎng)速率減慢，逐漸趨于平緩，這是由于試件表面自由水在試驗(yàn)前期已蒸發(fā)殆盡，此階段主要為試件內(nèi)部的自由水蒸發(fā)，但由于混合料的包裹，失水速率緩慢，試件干縮變形增長(zhǎng)緩慢；階段Ⅲ，干縮試驗(yàn)后期(14～28 d)，試件干縮應(yīng)變曲線趨于平緩，此階段混合料內(nèi)部水分已蒸發(fā)殆盡，試件失水率趨于定值，干縮變形逐漸穩(wěn)定。

(a) 抗疏力固化黃土

(a) 干縮應(yīng)變

抗疏力固化土的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)對(duì)比分析如圖4所示。

由圖4可知，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的收縮性能表現(xiàn)存在差異性。抗疏力固化黃土干縮應(yīng)變最小，其次為紅黏土，抗疏力固化膨脹土的干縮應(yīng)變最大。相比C-N-2試件，C-H-2和C-P-2試件的28 d干縮系數(shù)分別降低了21.7%和30.0%。這是因?yàn)楦煽s試驗(yàn)過(guò)程中，抗疏力固化膨脹土雖然干縮變形量較大，但失水迅速，干縮系數(shù)較小。因此，選用干縮應(yīng)變或干縮系數(shù)作為半剛性材料干縮抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)仍需進(jìn)一步研究。

2.4 吸水特性

抗疏力固化土的吸水率對(duì)比分析如圖5所示。

圖5 抗疏力固化土的吸水率對(duì)比分析

由圖5可知，隨著抗疏力固化劑摻量的增加，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的吸水率均顯著降低。當(dāng)C444摻量為0.7‰、SD摻量為1.4%時(shí)，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的吸水率分別為1.1%、1.4%和2.6%；當(dāng)C444摻量增至0.9‰、SD摻量增至1.8%時(shí)，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的吸水率分別為0.8%、1.2%和2.3%。這是由于隨著抗疏力固化劑摻量的增加，土壤顆粒表面結(jié)合水的水膜厚度降低，土體內(nèi)部毛細(xì)孔隙數(shù)量減少，毛細(xì)水作用力減弱，同時(shí)SD及時(shí)包裹在土壤顆粒表面，避免水分進(jìn)一步侵入。

抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的吸水率存在差異性。當(dāng)C444摻量為1.1‰、SD摻量為2.2%時(shí)，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的吸水率分別為0.6%、0.9%和2.1%。

3 結(jié)論

(1) 抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度整體變化呈現(xiàn)相似性，均隨著抗疏力固化劑摻量的增加而增大。抗疏力固化黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度最高，紅黏土次之，膨脹土最低，但均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(2) 抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮應(yīng)變曲線均可分為3個(gè)變化階段：干縮試驗(yàn)前期(1～3 d)，干縮應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速；干縮試驗(yàn)中期(4～13 d)，干縮應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率減慢，逐漸趨于平緩；干縮試驗(yàn)后期(14～28 d)，干縮應(yīng)變趨于穩(wěn)定。

(3) 抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮抗裂性能差異較大。相比C-N-2試件，C-H-2試件的28 d干縮系數(shù)降低了21.7%，C-P-2試件的28 d干縮系數(shù)降低了30.0%。

(4) 抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的吸水率均隨抗疏力固化劑摻量的增加而降低。抗疏力固化黃土的吸水特性最優(yōu)，紅黏土次之，膨脹土最低。