EFS固化不同土質道路基層水穩定性與經濟性研究*

丁永明，張春東，苗 華，姚 勇，陳代果

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

傳統道路工程建設中多采用石灰、水泥、工業礦渣、砂及其混合物改良土壤，但當道路基層結構出現損壞時，會導致基層出現凹槽、低洼等情況，影響道路工程質量。近年來，國內外越來越重視道路基層強度、滲透性、耐久性等性能，對土壤固化劑的研究日益增加[1-3]。周偉等[4]通過添加水泥基固化材料對淤泥進行固化處理，研究表明淤泥經過水泥基固化處理后可作為路基填料，解決疏浚工程底泥資源化利用問題。徐洪華等[5]采用泡沫輕質土作為路基填料，針對珠澳口岸人工島路基泡沫輕質土設計要求，利用正交試驗得出滿足設計要求的泡沫輕質土配合比。程勝偉等[6]采用生石灰對濕軟填土進行處理，并進行現場填筑碾壓試驗，得到不同天然含水率下的生石灰摻量范圍，對現場施工進行了有效指導。隨著環保力度的加大，對石料、河砂、山砂等自然資源的開采進行嚴格限制，土壤固化劑作為道路基層建設材料，是易得、環保、經濟實用的替代材料，具有現實意義[7-9]。

土壤固化劑可穩定土壤中的水，使土壤更易于壓實，可形成整體結構，提高土壤穩定性與強度，確保道路基層堅固、穩定，有效延長道路壽命，節省后期維修成本，減輕養護壓力，提高綜合效益[10-12]。EFS土壤固化劑作為新型固化施工材料，具有用量少、強度高、施工速度快、施工工藝簡單等特點，可節省傳統建筑材料用量，適用于道路工程、場地硬化工程、廢棄物處理工程等[13]。在實際應用過程中，基料選擇、固化材料摻料及摻量不同會產生不同的基層固化效果。因此，本文以黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土為基料，加入EFS土壤固化劑，設計固化配合比方案，通過水穩定性試驗研究，結合經濟性分析，尋求適合道路基層填料的土質，以期提出施工建議，為道路基層固化研究和工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 土樣采集

本試驗采集不同性質的4類土體，分別為黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土，如圖1所示。參考SL 237—1999《土工試驗規程》和JTG E40—2007《公路土工試驗規程》有關要求，采用烘干法分別對4類土體進行了天然含水率檢測，結果表明黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土天然含水率分別為4.60%，0.18%，7.08%，7.97%。采用液、塑限聯合測定法對4類土體液、塑限進行了檢測，結果如表1所示。

圖1 4類土體現場取樣

表1 4種土體液、塑限檢測結果

EFS土壤固化劑作用于土體后，可大幅度提高土體水穩定性，改變土體親水性能，同時增強土體抗壓、抗折強度及抗滲透能力，該固化劑屬于有機類固化劑，醬黑色液體，安全無污染[14-15]，經檢測，固化劑含固量為32.78%，密度為1.15g/mL，pH值為8.16，呈堿性，加入拌合水混合均勻后使用。

本試驗采用P·O 42.5水泥，根據“手握成團，落地成花”的傳統經驗，在黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土天然含水率的基礎上，分別增加1.5%，2.0%，2.0%，1.5%。

1.2 固化土配合比設計

根據CJJ/T 286—2018《土壤固化劑應用技術標準》和CJ/T 486—2015《土壤固化外加劑》有關要求，進行固化土配合比設計，固化土混合料配合比采用質量比，外摻水泥和EFS土壤固化劑，摻量依據固化土混合料質量計算。經試配，4類固化土均采用5% P·O 42.5水泥+0.02% EFS土壤固化劑的配合比。

1.3 試件制作與養護

4類固化土無側限抗壓強度試驗參照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》的規定進行，試件成型時設定壓實度為96%，按照混合料整體密度為2 200kg/m3計算各試件混合料用量，裝入直徑100mm、高100mm的模具中，使用DT-227型路面材料強度試驗儀，采用靜力壓實法制備試件，如圖2所示。使用LQ-T150D型電動脫膜器，將所有試件從模具內脫出后稱重。將試件裝入塑料袋中，貼好標簽，將袋內空氣排除干凈，扎緊袋口，將包好的試件置于標準養護室鐵架上，在試件表面涂抹1層防水膜，避免被水直接沖刷。

2 水穩定性分析

水穩定性系數是標準養護6d+泡水1d的固化土試件與標準養護7d的固化土試件無側限抗壓強度平均值之比。泡水1d后將試件取出，使用軟布吸去試件表面水分后再次稱重，觀察土體變化情況。觀察、稱重可知4類固化土均能達到較好的水穩定性，浸泡時無崩解，泡水前后質量變化較小，吸水量較少。

水穩定性試驗結果如表2所示，由表2可知，4類固化土質量變化較小，黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件平均吸水量分別為22.10，107.60，21.70，40.60g，風化砂土試件平均吸水量最少，黑砂土、黃砂土、蓋山土試件平均吸水量分別為風化砂土試件的1.02，4.96，1.87倍；黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件標準養護6d+泡水1d無側限抗壓強度平均值分別為2.13，3.39，3.90，2.61MPa，標準養護7d無側限抗壓強度平均值分別為2.32，3.63，4.20，2.77MPa，風化砂土試件飽水無側限抗壓強度最大，較黑砂土、黃砂土、蓋山土試件分別高83.10%，15.04%，49.43%；黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件均具有良好的水穩定性，水穩定性系數分別為91.81%，93.46%，92.85%，94.38%，均滿足《土壤固化劑應用技術標準》要求，分別高出規范限值14.76%，16.83%，16.06%，17.98%；黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件無側限抗壓強度損失率分別為8.19%，6.61%，7.14%，5.78%，強度損失較小。

表2 水穩定性試驗結果

圖2 無側限抗壓強度試件

通過EFS溶液與土顆粒表面離子的交換作用，改善了土顆粒表面電荷性質，打開了土顆粒與水分子之間的“電化鍵”，從而釋放出束縛在吸附層和擴散層的結合水，減小了土顆粒表面的吸附水膜厚度，并降低了電勢，使土顆粒進一步靠近封閉土團之間的孔隙。離子交換后，包裹在黏粒表面的疏水基團使土體對水的敏感性減弱，水分子難與土顆粒結合，降低了吸水性，可將土壤由親水性變為疏水性。水泥與土體攪拌后，骨料之間的空隙被填充，被水泥包裹的土顆粒充分接觸，混合料膠結為整體，形成一定結構強度，使土易于壓實，形成強度較高、結構穩定的整體板塊。

3 經濟性分析

3.1 材料用量計算

參考已有文獻，認為不同固化土施工工藝差別較小，所需機械設備基本相同。因此，進行經濟性分析時，僅需考慮單位體積材料費用[16]。計算得到配合比方案下的材料用量，如表3所示。實際施工時，考慮拌合后的固化土在運輸、攤鋪碾壓過程中的水分散失，現場含水率應適當增加。

表3 材料用量 kg·m-3

3.2 材料費用對比

黑砂土與蓋山土屬于丟棄土，風化砂土單價為180元/m3，黃砂土單價為170元/m3，EFS土壤固化劑單價為181.5元/kg，水泥單價為480元/t，以1m3道路基層材料用量為例，對材料費用進行分析，結果如表4所示。由表4可知，采用黃砂土、風化砂土的道路基層材料費用分別為302.44，312.44元，較傳統做法費用分別高31.50%，35.84%；在材料費用中，基土費用占比較高，黃砂土、風化砂土費用分別占總費用的56.21%，57.61%；采用黑砂土、蓋山土的道路基層材料費用均為132.20元，均較傳統做法費用低42.52%。

表4 材料費用對比 元

應綜合考慮水穩定性、力學性能、經濟性，選擇合適的道路基層固化土。《土壤固化劑應用技術標準》中要求道路上基層強度≥2.5MPa，由本研究結果可知，黃砂土、風化砂土、蓋山土試件滿足該要求，結合經濟性對比結果，優選蓋山土作為道路上基層用土。《土壤固化劑應用技術標準》中要求道路下基層強度≥1.5MPa，由本研究結果可知，黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件均滿足該要求，結合經濟性對比結果，優選黑砂土作為道路下基層用土。

4 結語

1)對4類不同土質的EFS固化土進行水穩定性試驗，結果表明黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件平均吸水量分別為22.10，107.60，21.70，40.60g，標準養護6d+泡水1d無側限抗壓強度平均值分別為2.13，3.39，3.90，2.61MPa，標準養護7d無側限抗壓強度平均值分別為2.32，3.63，4.20，2.77MPa，水穩定性系數分別為91.81%，93.46%，92.85%，94.38%，無側限抗壓強度損失率分別為8.19%，6.61%，7.14%，5.78%，各試件水穩定性較好，強度損失較小，可保證道路承載能力。

2)EFS土壤固化劑可降低水對道路侵蝕、損害及老化的影響。

3)綜合考慮水穩定性試驗結果與經濟性對比結果，同種配合比(5% P·O 42.5水泥+0.02% EFS土壤固化劑)下，優選蓋山土作為道路上基層用土，優選黑砂土作為道路下基層用土。