SV-LSS 固化劑穩定土性能試驗研究

李朝陽，賈 磊，趙全勝，徐洪濤

(1．河北科技大學建筑工程學院，河北 石家莊 050018; 2．豐寧滿族自治縣旅投旅游發展有限公司，河北 承德 068350)

1 概述

景區道路在使用功能和交通特性上與普通公路有所不同，其路面應以舒適性和低養護周期為設計原則，目前景區道路的設計還沒有相應的設計規范，其路面設計一般遵循CJJ 169—2012 城鎮道路路面設計規范[1]。目前最常見的景區道路路面可分為瀝青路面、水泥混凝土路面和砌塊路面三大類，其中瀝青路面、水泥混凝土路面多用于各級景區內部道路、停車服務區、觀景服務區，而砌塊路面則用于支路、分隔式路側功能帶、服務區、停車區、觀景臺等。

生態景區內大規模的水泥或瀝青道路的修建，忽略了對原生環境的保護，由于水泥和瀝青等建筑材料對環境的破壞作用，導致生態系統的平衡受到威脅，生態資源破碎化、景觀質量降低、生物棲息地破壞、水環境污染等不良影響。風景道作為人類介入自然一個遷徙通道，是保護生態的重要紐帶，其建設應避免破壞環境，盡可能融入自然。

固化土路面技術就是在這種背景下應運而出，它是利用土壤固化劑在景區規劃道路土體進行硬化，在土體表面形成強度，從而能夠實現景區小交通荷載車輛的行駛。土壤固化劑是一種新型節能環保工程材料，在與土壤顆粒混合后，外部壓力作用使土壤顆粒間距開始縮小，在此期間發生的一系列的物理和化學反應填充了顆粒間空隙并且產生新物質凝聚土壤顆粒[2]。它與傳統的固化材料相比，具有更好的路用性能，具體表現在: 固化作用持續有效、優良的抗裂性能、良好的水穩性能、優越的抗凍性能、較好的強度與剛度等[3]。土壤固化劑被美國《工程新聞》稱為20 世紀的偉大發明創造之一，日本稱之為21 世紀的新材料[4]。固化土路面最重要的特征就是采用天然沙土鋪裝，保持沙土原貌，具有高度的景觀性，固化土路面與風景區整體環境達到高度一致，其設計形式和風格符合本風景區的基調，成為整個景區的綠帶樞紐，把風景區整體性的串聯在一起，在觀光和游玩時，給游客帶來更自然、綠色、舒適的體驗。

隨著對土壤固化劑研究的不斷深入，目前，土壤固化劑在農村道路、干線公路、軟基處理、舊路改造和水利工程中均得到了廣泛應用[5]，取得了明顯的經濟、社會和環保效益。本文依托承德市豐寧永太興疏林草原景區(一期) 環線道路項目，通過室內試驗，得出不同配合比下的無側限抗壓強度、水穩系數等的變化規律，驗證固化土路面對于該景區道路的適用性，并得出最優配合比，為使用單位提供依據。所得結論可為土壤固化劑的應用提供參考。

2 固化土路面的路用性能

該景區屬大陸性季風氣候，冬季干旱漫長，夏季短促，雨量充沛，年均降雨量507．6 mm，降雨主要集中在6 月～9 月，約占全年降雨量的80%?？紤]到該景區所處環境與氣候的基本特點，采用土壤固化劑固化土作為筑路材料，最終形成的固化土路面應當具備以下基本路用性能:1) 固化作用持續有效;2) 優良的抗壓性能;3) 良好的水穩性;4) 優越的抗凍性能。

3 室內試驗

3．1 試驗材料

本試驗用到的試驗原材料如下:

1) 景區砂土。土樣性能測試結果如下: 基土為細砂土，最佳含水量(質量分數) 10． 25%，最大干密度1．88 g/cm3。

2) 水泥。水泥選用42．5 硅酸鹽水泥。

3) SV-LSS 土壤固化劑。密度1．06 g/mL，深褐色液體，pH 值7．32。

4) 水。實驗室自來水作為加固土的拌和用水。

3．2 試驗方案

根據CJJ/T 286—2018 土壤固化劑應用技術標準，當采用A 類土壤固化劑時，固化土試配采用三個配合比，其中以一個配合比的無機結合料摻量為基準值，另外兩個配合比的無機結合料摻量比基準值分別增加和減小2%。由基土最佳含水量10．25%，根據CJJ/T 286—2018土壤固化劑應用技術標準[6]，結合實際工程經驗，選取基準配合比的水泥摻量為4%，另外兩個配合比的水泥摻量為2%，6%，土壤固化劑摻量為0．015%，0．025%。要想精確地確定理想配合比，僅對上述三組水泥摻量的配合比進行試驗并不能達到目的，因此在查閱規范與文獻的基礎上，另添加5%，8%，10%，15%的水泥摻量，以求確定最優配合比。固化劑按1∶50 稀釋。初步選定的具體各組配合比如表1 所示。

表1 各組配合比

對表1 中的14 組配合比進行擊實試驗、無側限抗壓強度試驗、水穩系數試驗、凍融試驗等，對試驗結果進行分析，綜合考慮之后選出最優配合比。

4 試驗結果與分析

4．1 擊實試驗結果分析

擊實試驗是模擬現場施工條件確定穩定土混合料的最大干密度和最優含水量的一種試驗方法，其目的是了解土的擊實特性，改善土的工程性質，提高土的抗剪強度，降低土的壓縮性及滲透性，以使其滿足工程的要求。

試驗方法參照JTG E51—2009 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[7]，通過擊實試驗，得到各組配合比混合料的最優含水量和最大干密度，結果如表2 所示。

表2 各組配合比最優含水量與最大干密度

4．2 無側限抗壓強度與水穩系數試驗結果分析

本試驗按照擊實試驗所得到的最大干密度和最優含水量，采用靜力壓實法制備圓柱體試件。根據JTG E51—2009 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程，制成徑高比1∶1、直徑×高=φ50 mm×50 mm 的圓柱形試件，并進行7 d 的標準養護。

試件成型前一天按照配合比計算所得數據準確稱量土、水，按照配合比要求先加入稀釋固化劑多余的水拌和均勻后裝袋密封，靜置燜料。第二天試件成型前加入水泥和稀釋好的固化劑最終拌和，由擊實試驗得到每個配合比的最優含水量和最大干密度乘試模的體積得出靜壓成型一個試件所需要的混合料的質量，壓實度取96%，準確稱量固化土混合料并分3 次裝入試模，靜壓1 min 后脫模。

脫模后的試件采用標準養生法進行養生。根據規范，測定每個試件的高度并稱取試件質量，然后裝入塑料袋中，排除干凈袋中的空氣系緊袋口放進養護室。每個配合比試件標準養生7 d，最后一天浸水[8]。

從養護室取出到達齡期的試件后，去掉塑料袋后用干布擦凈附著在試件表面的水分。按照規范操作要求進行抗壓試驗。試驗時確保試件處于荷載的中心位置，避免偏心受壓，見圖1，圖2。

圖1 試件浸水

圖2 浸水試件破壞形式

通常以采用標準養生齡期7 d 最后一天浸水的穩定土試件無側限抗壓強度與不經過水中浸泡的同齡期試件的無側限抗壓強度比來評價穩定土的水穩性，所得比值則為水穩系數。水穩系數計算公式如下:

最后計算得到的水穩系數精確至1%。水穩系數試驗方法參考CJ/T 486—2015 土壤固化外加劑[9]。干壓試件破壞形式見圖3。

圖3 干壓試件破壞形式

試驗結果如表3，圖4，圖5 所示。

表3 無側限抗壓強度試驗結果

圖4 各配合比因素與7 d 無側限抗壓強度關系

圖5 各配合比因素與水穩系數關系

從表3，圖4 可以看出，當固化劑摻量一定時，穩定土的強度隨著水泥摻量的增加而提高;摻入SV-LSS 土壤固化劑的水泥穩定土強度隨著固化劑摻量增加而提高，且整體上升幅度較大，當固化劑摻量達到0．025%、水泥摻量為10%時，穩定土強度可達到2．65 MPa，滿足設計強度2．5 MPa 的要求。這表明SV-LSS 土壤固化劑和增加水泥摻量對于提升水泥穩定土無側限抗壓強度起到了一定作用。

從表3，圖5 可以看出，當固化劑摻量一定時，水泥穩定土干壓強度隨著水泥摻量和固化劑摻量的增加而提高，水穩系數也在提高; 水穩系數受水泥摻量影響相對于固化劑摻量更明顯; 當固化劑摻量為0．025%、水泥摻量為10% 時，水泥穩定土干壓強度可以達到2． 76 MPa，水穩系數可以達到96%。由此可見，SV-LSS 土壤固化劑對于提高水泥穩定土的水穩性有著一定作用。

4．3 凍融試驗結果分析

抗凍融穩定性是固化土耐久性的重要表征之一，作為路面的固化土，在其長期使用過程中要承受水在凍結與融化過程中對其內部結構的損害。常用固化土材料在經過凍融循環后的飽水無側限抗壓強度和凍前飽水無側限抗壓強度之比來評價固化穩定土的抗凍性。

本試驗采用96% 壓實度進行試件成型，根據JTG E51—2009 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程中T0858—2009 測試其凍融穩定性。試驗齡期為7 d。試件尺寸為φ50 mm×50 mm 的圓柱體試件，在標準養護室養生6 d 后泡水1 d。每個配合比各成型凍融試件、不凍融試件，不凍融試件直接測定無側限抗壓強度，將凍融試件置于低溫試驗箱內，溫度控制在-18 ℃，凍結16 h，凍結后放入20 ℃水槽內融化8 h，共進行5 次循環。循環結束后測定其無側限抗壓強度。

抗凍性指標BDR(經n次凍融循環后試件的抗壓強度損失) =n次凍融循環后試件的抗壓強度RDC/對比試件的抗壓強度RC，具體計算公式如下:

將最后一天浸水的凍融試件取出，進行若干次凍融循環，最后測定其無側限抗壓強度，見圖6，圖7。

圖6 凍結試件

圖7 凍結試件破壞形式

試驗結果見表4，圖8。

圖8 各配合比因素與BDR 關系

表4 凍融試驗結果

從表4，圖8 可以看出，水泥穩定土試件在凍融循環后的抗壓強度RDC下降較明顯，但SV-LSS 土壤固化劑對于降低強度損失有較明顯的作用; 增加水泥摻量較增加固化劑摻量對于提高BDR有更明顯的效果;當固化劑摻量達到0．025%、水泥摻量達到10%時，RDC可以保持到2．52 MPa，無側限抗壓強度殘留值(BDR) 可達到95%，相比于固化劑摻量為0．015%時變化幅度較大。結合試驗過程與試驗數據可以得出結論: 穩定土試件在經凍融循環后出現土顆粒剝落現象，質量損失比較明顯，土顆粒在凍融過程中的剝落破壞了圓柱體試件的結構，使得試件凍融循環后的強度下降較明顯; 此外本試驗采用飽水凍融，水分結冰使試件體積增大，從內部降低了試件凍融后的無側限抗壓強度; SV-LSS 土壤固化劑可有效降低水泥穩定土經凍融循環后的強度損失。

5 結論

為探究SV-LSS 土壤固化劑對于該固化土路面的適用性，做了一系列試驗研究，試驗結果、數據表明，SV-LSS土壤固化劑對該景區細砂土具有一定的固化、穩定作用，得出主要結論如下:

1)SV-LSS 土壤固化劑是一種性能較優良的土壤穩定材料，與水泥穩定材料配合使用，可以增強土壤的固化效果。

2) 無側限抗壓強度方面，SV-LSS 土壤固化劑對于細砂土固化土的強度有所提升，且隨著固化劑摻入量的增加而提高，當固化劑摻量為0．025%，水泥摻量為10%時，強度可達到2．65 MPa，滿足設計強度2．5 MPa 的要求。

3) 水穩性方面，SV-LSS 土壤固化劑可提高細砂土固化土的水穩系數，增強水穩性，當固化劑摻量為0．025%，水泥摻量為10%時，固化土試件干壓強度可以達到2．76 MPa，水穩系數可以提高到96%。

4) 抗凍融性能方面，SV-LSS 土壤固化劑改善了細砂土固化土的抗凍融性，但效果相對于水泥穩定材料較弱。當固化劑摻量為0．025%，水泥摻量為10%時，固化土試件凍融循環后的強度可以達到2．52 MPa，抗凍性指標BDR可以達到95%。

5) 確定固化土最優配合比為A2B6 組: 固化劑摻量為0．025%、水泥摻量為10%。

6) 土壤固化劑能使普通土體固化成為致密、均勻、有較高強度且耐久的板塊。土壤固化劑處理過的土壤不但具有很好的抗壓強度，并且具有突出的“水穩定性”及優秀的抗凍性，滿足所需求的路用性能。另外，土壤固化劑無毒害且綠色環保，屬于環境友好型和資源節約型的高科技新材料，可有效解決筑路材料污染問題。