高聚物穩(wěn)定土的抗水性能影響因素分析

李 鋒，陳晶照

(1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112)

0 引 言

近年來，為了響應國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大量采石場關(guān)閉，石料資源嚴重緊缺，價格飛速上漲，從而導致了筑路成本的增加[1-3]。固化類穩(wěn)定土由土壤固化劑、水泥(石灰)和土拌合而成，具有良好的工程特性[4-6]，若能替代傳統(tǒng)水泥、二灰穩(wěn)定碎石用于公路基層中，將節(jié)省大量的石料資源，降低工程造價[7]。然而，公路基層在使用過程中可能會受到通過面層、路肩、中間帶滲入的雨水或水文不良地段地下水的侵蝕，使其強度降低，局部承載力下降，從而導致各種病害的出現(xiàn)。因此，基層除了需要滿足結(jié)構(gòu)承載力的需求之外，也必須具有足夠的水穩(wěn)定性。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 原材料

試驗所用被穩(wěn)定材料類型為黏土，其具體物理性質(zhì)指標如表1所示。采用的固化劑為高分子有機類，其主要材料組成如表2所示；所用水泥采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，石灰采用鈣質(zhì)石灰。水泥和石灰的各項指標均滿足技術(shù)要求。

表1 試驗土的基本物理性質(zhì)

表2 高聚物固化劑的組成

1.2 配合比設(shè)計

分別以水泥摻量(3%、4%、5%)、石灰摻量(2%、3%、4%)、固化劑摻量(100 ml/m3、200 ml/m3、300 ml/m3)為因素，進行三因素三水平的正交試驗，共計9組試驗。針對每組材料分別開展土工擊實試驗，確定每組的最佳含水率和最大干密度，并開展7 d無側(cè)限抗壓強度試驗，確定配合比設(shè)計結(jié)果如表3所示。

表3 配合比設(shè)計結(jié)果

2 抗水性能評價方法

固化土材料受到水的侵蝕時，主要表現(xiàn)在強度的降低，因此，可采用強度損失率表征固化土材料的抗水性能，即采用試件飽水狀態(tài)下和干燥狀態(tài)下的無側(cè)限抗壓強度比值進行評估，如公式(1)所示，強度損失率越大表明抗水性能越差。而固化土強度的損失實際上是由于水的侵蝕導致土顆粒間粘聚力降低而造成，故吸水率的大小也可以間接反映出穩(wěn)定土材料的抗水性能，吸水率計算如公式(2)所示，吸水率越大表明抗水性能越差。因此，分別采用強度損失率和吸水率兩項指標分析固化土的抗水性能。

(1)

式中：m為吸水率，%；m1為浸水前質(zhì)量，g；m2為浸水后質(zhì)量，g。

(2)

3 抗水性能影響因素分析

3.1 固化劑摻量的影響

分別選擇100 ml/m3、200 ml/m3、300 ml/m3的固化劑摻量開展強度損失率和吸水率試驗，分析固化劑摻量對固化土抗水性能的影響，結(jié)果如圖1所示，試驗養(yǎng)生齡期為7 d，其中浸水條件的飽水時間為最后24 h。

圖1 強度損失率與吸水率隨固化劑摻量的變化趨勢

試驗結(jié)果表明：添加固化劑后，固化土的抗強度損失率和吸水率有了明顯降低，且隨著固化劑摻量的增加，固化土的強度損失率和吸水率逐漸減小，不摻加固化劑的水泥石灰土的強度損失率為32.2%，吸水率為3.09%；當固化劑摻量為100 ml/m3時，強度損失率降低至15.4%，降幅為52.2%，吸水率降低至2.13%，降幅為31.1%；當固化劑摻量為300 ml/m3時，強度損失率僅為3.8%，降幅達到了88.2%，吸水率為0.64%，降幅為79.3%。由此可見，固化劑的添加對于穩(wěn)定土的抗水性能具有明顯的提升作用。

3.2 浸水時間的影響

分別選擇浸水24 h和浸水48 h后開展強度損失率和吸水率試驗，分析浸水時間對固化土抗水性能的影響，結(jié)果如圖2所示，試驗養(yǎng)生齡期為7 d，固化劑摻量為300 m/m3。

圖2 強度損失率與吸水率隨浸水時間的變化趨勢

試驗結(jié)果表明：水泥石灰土的強度損失率和吸水率明顯高于固化土，其中強度損失率為固化土的2倍左右，吸水率為固化土的5倍左右，再次證明添加固化劑有利于提高穩(wěn)定土的抗水性能。隨著浸水時間的增加，水泥石灰土和固化土的強度損失率和吸水率均增大，其中，水泥石灰土浸水48 h的強度損失率和吸水率分別為11.3%和4.22%，較24 h分別增長了27%和3.2%，固化土浸水48 h的強度損失率和吸水率分別為7.6%和0.93%，較24 h分別增長了100%和45.3%。由此可見，浸水時間的增加對穩(wěn)定土的抗水性能有不利影響。

3.3 養(yǎng)生時間的影響

分別選擇養(yǎng)生3 d、7 d、14 d和28 d齡期后開展強度損失率和吸水率試驗，分析養(yǎng)生時間對固化土抗水性能的影響，結(jié)果如圖3所示，試驗浸水時間均為24 h，固化劑摻量為300 m/m3。

圖3 強度損失率與吸水率隨養(yǎng)生時間的變化趨勢

試驗結(jié)果表明：隨著養(yǎng)生時間的增加，水泥石灰土和固化土的強度損失率和吸水率總體表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，其中28 d的強度損失率分別為7.1%和2.2%，較3 d分別降低了30.6%和47%。28 d吸水率分別為3.78%和0.2%，較3 d分別降低了7.1%和78.9%，水泥石灰土變化不明顯。由此可見，養(yǎng)生時間的增加有利于提高穩(wěn)定土的抗水性能。

4 抗水機理分析

穩(wěn)定土受浸水影響后強度降低的主要原因是由于土壤膠體電荷層附帶的正/負電荷以及內(nèi)部的可交換離子具有電荷平衡的需求，主要通過氫鍵來吸附水，其形成的擴散雙電層將進一步的引起土壤層的間距擴大，導致土方膨脹而失去抗壓強度。而固化土的強度受浸水的影響小于水泥石灰土，主要原因包括三個方面，一是由于固化土中添加了聚合物固化劑，其形成的分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將土壤膠體限定在各自的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，大幅提升了土壤顆粒之間的粘結(jié)力，空隙率相對水泥石灰土降低，從而造成吸水率減小，強度損失降低；二是采用的固化劑材料中加入多元醇化合物，其富含的氫鍵可以減弱土方內(nèi)部的電荷平衡需求，從而降低了土壤的吸水需求；三是固化劑中含有的憎水性硅烷類物質(zhì)，遇水后會緩慢釋放出封閉土壤中的縫隙，降低毛細孔吸水作用，從而降低了水損壞。因此，穩(wěn)定土在長時間泡水條件下，其土顆粒間的粘結(jié)力減小，強度損失增大；而早期的穩(wěn)定土由于強度尚未完全形成，其更易受到浸水的影響，造成強度更易損失，但隨著養(yǎng)生齡期的增加，強度已基本形成，從而受到浸水的影響減小。

5 結(jié) 論

本文針對高聚物穩(wěn)定土開展了抗水性能試驗研究，采用強度損失率和吸水率兩個指標評價了固化土的抗水性能，分析了固化劑摻量、浸水時間和養(yǎng)生時間三種因素對固化土抗水性能的影響，闡述了高聚物固化穩(wěn)定土的抗水機理，主要結(jié)論如下：

(1)添加固化劑有利于提高穩(wěn)定土的抗水性能，且隨著固化劑摻量的增加，固化土的強度損失率和吸水率逐漸減小。

(2)浸水時間的增加對穩(wěn)定土的抗水性能有不利影響，隨著浸水時間的增加，穩(wěn)定土的強度損失率和吸水率增大，水泥石灰土的強度損失率和吸水率明顯高于固化土。

(3)養(yǎng)生時間的增加有利于提高穩(wěn)定土的抗水性能，隨著養(yǎng)生時間的增加，水泥石灰土和固化土的強度損失率和吸水率總體表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。