EFS土壤固化劑穩(wěn)定低液限粉土路用性能試驗(yàn)研究*

馬 敏，姚 勇，張玲玲，陳代果，劉 蕾

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

土壤固化劑是由多種無(wú)機(jī)和有機(jī)材料合成的新型節(jié)能環(huán)保材料，具有較好的土壤固化效果，被廣泛應(yīng)用于路基處理等工程建設(shè)中[1-2]。利用土壤固化劑代替石灰、水泥、粉煤灰等傳統(tǒng)材料，具有較高的環(huán)境效益。已有學(xué)者對(duì)土壤固化劑在道路基層中的應(yīng)用開展了大量研究，如周偉等[3]的研究表明，淤泥經(jīng)水泥基固化處理后可作為路基填料，可解決疏浚工程底泥資源化利用問題；徐洪華等[4]通過(guò)開展正交試驗(yàn)，得出滿足設(shè)計(jì)要求的泡沫輕質(zhì)土配合比，同時(shí)研究泡沫輕質(zhì)土作為路基填料減少路基工后沉降及不均勻沉降的有效方法；陳貝等[5]選取藏東南地區(qū)公路路基常見4類土體，對(duì)土體壓實(shí)特征、抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，并給出最優(yōu)級(jí)配，研究發(fā)現(xiàn)以不同摻量加入帕爾瑪離子固化劑后，4類土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線隨著固化劑摻量的增加而增大；杜應(yīng)吉等[6]利用WH型土壤固化劑固化黃土，并進(jìn)行抗?jié)B、抗凍、擊實(shí)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)固化黃土抗凍性、抗?jié)B性均得到提高；江舜根等[7]將SS-1型固化劑、水泥作為固化材料，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、線性收縮、CBR、回彈模量試驗(yàn)，研究SS-1型固化劑處理粉土路基路用性能；李昭鵬[8]將路邦EN-1土體固化劑、石灰和水泥摻入黃土中，并進(jìn)行室內(nèi)和室外試驗(yàn)，結(jié)果表明，路邦EN-1固化土作為道路基層，對(duì)提高道路穩(wěn)定性和強(qiáng)度具有明顯效果。

作為新型環(huán)保離子類的EFS土壤固化劑，與土壤混合后將發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，且能有效填充土顆粒之間的孔隙，使固化土致密，從而有利于土體壓實(shí)，壓實(shí)后的土體會(huì)降低再吸水能力，使抗壓、抗?jié)B性能大幅度提高[9]。EFS土壤固化劑經(jīng)水稀釋后無(wú)任何危害性，對(duì)生態(tài)無(wú)破壞，在道路基層、軟土地基硬化等工程領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，但目前對(duì)其固化效果的研究較少。因此，以成都市基土為例，設(shè)計(jì)3種固化土配合比，研究EFS土壤固化劑對(duì)路基的固化作用，并給出配合比設(shè)計(jì)建議。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)用土外表呈紅棕色，粒徑較小，為無(wú)大顆粒石的細(xì)粒土，土質(zhì)較濕。根據(jù)YS/T 5225—2016《土工試驗(yàn)規(guī)程》和JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，采用烘干法測(cè)得土樣天然含水率為17.53%。采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)得土樣液限為23.33%，塑限為13.78%，計(jì)算得到塑性指數(shù)Ip=9.55，液性指數(shù)Il= 0.39，由Ip<10、液限<50%，0.25

1.2 固化土配合比

按照CJJ/T 286—2018《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)要求，進(jìn)行固化土配合比設(shè)計(jì)，如表1所示。根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，控制土樣壓實(shí)度為96%，制作φ100mm×100mm試件，每組6個(gè)。

表1 固化土配合比 kg·m-3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為快速準(zhǔn)確地反映試件強(qiáng)度特性，進(jìn)行7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。選用HYE-300型微機(jī)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，記錄試件破壞時(shí)的最大壓力P。試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度按式(1)計(jì)算，為保證試驗(yàn)結(jié)果精度，引入95%保證率的強(qiáng)度代表值、變異系數(shù)，分別按式(2)和式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，3種配合比試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)均滿足規(guī)范限值要求；A3組試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大，離散性較小；A1組試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較小，離散性較大；隨著水泥用量的增大，試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大；《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中要求城市道路輕交通底基層一級(jí)固化土7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.5～2.5MPa，可知A1，A2組試件均滿足該要求，其中A2組試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高，95%保證率的強(qiáng)度代表值較規(guī)范限值1.5MPa高42%，較A1組試件高25.29%；《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中要求城市道路輕交通基層三級(jí)固化土7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥2.5MPa，可知A3組試件滿足該要求，95%保證率的強(qiáng)度代表值較規(guī)范限值2.5MPa高6.80%，分別較A1，A2組試件高57.06%，25.35%。

表2 試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

水泥在EFS土壤固化劑的促進(jìn)作用下與混合料膠結(jié)為整體，水泥摻量為5%的土體中水泥膠凝顆粒相對(duì)較少，未能完全包裹土顆粒，特別是土體棱角部位較少吸附水泥膠凝顆粒[10]。隨著水泥摻量的增加，水泥摻量為6.5%，8%的土顆粒包裹性有所增強(qiáng)，顆粒表面和棱角部位已吸附較多的水泥膠凝顆粒，且EFS土壤固化劑改變了土顆粒物理結(jié)構(gòu)，使顆粒之間或內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)，增強(qiáng)了土體穩(wěn)定性，從而提高了土體抗壓強(qiáng)度。

2.2 水穩(wěn)定性

為判斷固化土遇水時(shí)的穩(wěn)定性及抵抗侵蝕破壞的能力，進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)。水穩(wěn)定性系數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6d、泡水1d與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d穩(wěn)定土試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值之比進(jìn)行評(píng)定[11]。本試驗(yàn)試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6d后取出稱重，然后泡水1d，泡水結(jié)束后使用軟布吸取試件表面水分，并再次稱重。觀察知，經(jīng)1d泡水后，試件未出現(xiàn)大量損壞或脫落現(xiàn)象，泡水后質(zhì)量增大。水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，A1～A3組試件平均吸水量較小，表明試件質(zhì)量變化較??；A1～A3組試件均具有良好的水穩(wěn)定性，水穩(wěn)定性系數(shù)分別為80.47%，83.09%，86.29%，均較規(guī)范限值高。這主要是因?yàn)榧兺镣令w粒及土團(tuán)之間依靠水膠黏結(jié)，黏結(jié)強(qiáng)度低，一旦浸水飽和，土顆粒及土團(tuán)之間受水分子運(yùn)動(dòng)的影響，水膜效應(yīng)增加，粒間排斥力增大，導(dǎo)致粒間黏結(jié)力喪失，趨于分散狀態(tài)。加入EFS土壤固化劑后，其與土顆粒表面形成化學(xué)鏈，可除去土體礦物中的水分，疏水尾包圍了土顆粒，阻止水分進(jìn)入，將土顆粒由親水性變?yōu)樵魉裕构袒了€(wěn)定性得到提高。同時(shí)，水泥與土樣攪拌后，土顆粒被水泥包裹，接觸較充分，混合料膠結(jié)為整體，形成具有一定水穩(wěn)定性的整體板塊，且隨著水泥摻量的增加，水穩(wěn)定效果越好。

表3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 抗沖刷性

為檢驗(yàn)固化土抗沖刷性，開展沖刷試驗(yàn)。噴嘴直徑8cm，噴孔65個(gè)，孔徑0.01mm，水壓控制為0.05～0.10MPa，沖刷高度為80cm，以保證水壓、水流與室外降雨盡量接近。記錄滲透時(shí)間并觀察試件表面變化，計(jì)算滲透速率。沖刷試驗(yàn)中，水以一定壓力連續(xù)作用于試件，除試件表面受水分子影響外，隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，土體內(nèi)部因表層土顆粒水膜飽和，與鄰層干燥土顆粒形成水力坡度，水分繼續(xù)向內(nèi)滲透。觀察試件受水作用的同時(shí)，每隔10min記錄試件沖刷滲透厚度，用于計(jì)算試件滲透速率。沖刷試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，各組試件經(jīng)一段時(shí)間沖刷后表面均完整、無(wú)潰散，表明試件抗沖刷性良好；隨著水泥摻量的增加，試件滲透速率逐漸減小，表明試件抗沖刷性逐漸提高；隨著沖刷時(shí)間的增加，各組試件滲透速率逐漸增大，表明試件耐水性有所降低。

表4 沖刷試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

1)A2組試件(6.5%水泥+EFS土壤固化劑)滿足城市道路輕交通底基層一級(jí)固化土7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，95%保證率的強(qiáng)度代表值較規(guī)范限值1.5MPa高42%。

2)A3組試件(8%水泥+EFS土壤固化劑)滿足城市道路輕交通基層三級(jí)固化土7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，95%保證率的強(qiáng)度代表值較規(guī)范限值2.5MPa高6.80%。

3)A1～A3組試件均具有良好的水穩(wěn)定性，水穩(wěn)定性系數(shù)分別為80.47%，83.09%，86.29%。

4)A1～A3組試件經(jīng)一段時(shí)間沖刷后表面均完整、無(wú)潰散，抗沖刷性良好；隨著水泥摻量的增加，試件抗沖刷性逐漸提高；隨著沖刷時(shí)間的增加，試件滲透速率逐漸增大，表明試件耐水性有所降低。

5)EFS土壤固化劑可促進(jìn)水泥與土顆粒膠結(jié)成整體，通過(guò)改變土體物理結(jié)構(gòu)，提高固化土混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等，從而提高路用性能。