探討水玻璃和硫酸鋁治理高液限土路基的可行性

周源

（益陽遠程公路建設有限公司，湖南益陽 413000）

高液限土壤由于其天然含水量高、液限高、細顆粒含量高等熱點，當高液限土用作路基的填筑材料時，其對含水量控制、強度、水穩(wěn)定性等指標都有較大影響。公路使用過程中，往往會出現干濕交替現象，從而造成地基沉降不均勻、路基邊坡坍塌、路面開裂等問題。為改善路面裂縫、坍塌、沉降等病害，在公路施工中要求高液限土路基塑性指數低于細粒土的26%，高液限低于50%，否則不可作為填筑材料，同時在施工中必須對高液限土處理后方可進行填筑作業(yè)。

1 高液限土的基本物理性質指標

本文以某高速公路為實驗，在K28＋600 段、深度2.0m 中取樣所用的高液限土，粒徑＜0.075mm 的顆粒含量為89.6%。基本物理特性指標如表1 所示。

表1 高液限土的基本物理性質指標表

2 添加劑的選擇

2.1 在選用添加劑時，要注意以下三點：

（1）采用離子活性劑；

（2）采用膠結材料；

（3）添加劑的水穩(wěn)定性要高。

結合上述三種特性，初步確定了以硅酸鈉、硫酸鋁為主要添加劑。

2.2 水玻璃的化學式為Na2O·nSiO2，n 為水玻璃的模量。硫酸鋁作為一種凝膠顆粒，可附著在土壤的表面，提高粘著力，在填筑中可有效填充到空隙中并有效粘合，保證施工質量。

2.3 按5：1 的比例將硅酸鈉與硫酸鋁固體充分混合，使水玻璃與硫酸鋁的比例達10：1。

3 改進實驗

3.26ml 水玻璃溶液，干土的質量比分別為1%、2%、4%、6%和8%；硫酸鋁固體，干土的質量比分別為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%；水玻璃溶液與硫酸鋁的配比分別為1%＋0.1%、2%＋0.2%、4%＋0.4%、6%＋0.6%、8%＋0.8%。

高液限粘土的改造主要有：

（1）對一定數量的風干土進行稱量；

（2）將一定量的水玻璃溶液按水玻璃溶液與干土比例進行稱量，然后噴灑到土壤樣本上，均勻地攪拌，然后等待2 小時；

（3）按照硫酸鋁與干土的固體質量比例將硫酸鋁均勻噴灑到含有水玻璃溶液的土樣中；

（4）靜置2 小時后將土壤靜壓灌入到土樣中；

（5）在預設齡期后測量樣品。

3.1 液塑性極限實驗

液塑性極限實驗過程：

（1） 試驗土樣水分含量為30.0%，干密度為1.60g/cm3；

（2）凝固7 天后進行液塑性極限試驗，試驗結果如圖1 所示；

（3）由圖1 可得，土樣在加入水玻璃與硫酸鋁溶液后有明顯的改變，且結果變化與添加水玻璃與硫酸鋁溶液容量有一定關系：當添加水玻璃與硫酸鋁溶液容量較高時，土樣的液限與塑性指數降低，但塑性極限提高；反之，則土樣液限與塑性指數提高，塑性極限下降；

圖1 極限含水率與添加劑混合量之間的關系折線圖

（4）當添加水玻璃溶度為4%、硫酸鋁溶液為0.4%時，凝固7 天后的土樣液限與塑性指數分別為54.6%、21，可達到路基工程中的施工標準；

（5）試驗表明，當添加水玻璃溶度為4%、硫酸鋁溶液為0.4%時，若添加劑的摻量不斷增大，土樣的液限與塑性指數也隨之降低。因此初步確定添加劑中水玻璃溶液為4%、硫酸鋁溶液為0.4%的效果更佳。

用4%的水玻璃和0.4%的硫酸鹽改性高液限粘土，其液限和塑限隨著齡期的改變而改變。由圖2 可知，改良劑在添加到高液限黏土后7 天，完成了液態(tài)和塑性極限的改變。固化7 天之后，結果表明，在不同的固化條件下，優(yōu)質土壤的液塑限并未發(fā)生顯著的改變。

圖2 改良土壤的極限含水量與固化時間的關系折線圖

3.2 壓實試驗

在高液限粘性土中加入改性劑12 小時后，進行了壓縮實驗。由圖3 可知，在不同的條件下，改良后的土壤的最大干密度比未經處理的土壤要低，但在適宜的含水量上有很大的提高。

圖3 壓實試驗結果曲線圖

3.3 顆粒分析試驗

用4%的水玻璃水溶液和0.4%的硫酸鋁進行了顆粒測定，該土壤含水量為30%，干密度1.60g/cm3。

結果顯示，改良后的土壤顆粒成分的變化會導致土壤中的黏粒含量下降，而粉粒、粗粒的數量也會隨之增大。

4 水穩(wěn)定性試驗

水穩(wěn)定性試驗主要對高液限粘土與干土分別進行干濕循環(huán)試驗。使用截面面積為30cm2、高度為2cm 的切割環(huán)，并將靜壓后的土樣壓入切割環(huán)，作為水穩(wěn)定性試驗的樣品。

采用干濕循環(huán)試驗主要分為膨脹與收縮脫水兩個階段。膨脹階段：

（1）膨脹階段是將土樣靜置于透水石上，并加入適量水，使水位于透水石位保持一致高度；

（2）待土樣充分吸收水分達到飽和狀態(tài)后，繼續(xù)加入適量水，使水位沒過透水石中的土樣；

（3）待土樣再次吸收水分至膨脹時，觀察土樣的高度。脫水收縮過程是將吸收水分至膨脹狀態(tài)下的土樣烘干至70%，并測量烘干后的土樣高度。

4.1 膨脹率

在干循環(huán)和濕循環(huán)過程中，根據以下公式計算絕對膨脹率和相對膨脹率：

式中：

δa和δr- 絕對膨脹率和相對膨脹率；

hi- 第i 次膨脹穩(wěn)定后的樣品高度；

h0- 樣品的初始高度；

hf（i－1）- 第（i－1）次空氣干燥后的樣品高度，hf（0）＝h0。

未處理土和改良土的絕對膨脹率和相對膨脹率與循環(huán)次數之間關系的變化如圖4 所示。

圖4 膨脹率與循環(huán)次數之間的關系曲線圖

4.2 快速剪切實驗

表2 表示經過多次干濕循環(huán)，經過7 天的干燥和改進后的土樣，采用4%的水玻璃和0.4%的硫酸鋁進行了快速剪切實驗。

表2 快速剪切試驗結果對比表

從表2 可知，經過改良土比未經經過處理的土壤具有更好的穩(wěn)定性，即水玻璃和鋁酸鈉對高液限粘土進行改性后，其水溶性得到了明顯的改善。

4.3 承載比（CBR）試驗

結果表明，在3 個干濕循環(huán)期間，未經處理的樣品的相對膨脹速率最大，而內聚力和內摩擦角下降幅度更大。未經處理和改良過的土壤CBR 測試結果如表3 所示。

表3 CBR 試驗結果表

5 結論

對高液限粘土路基進行了液塑限、最大干密度、最佳含水量等方面的問題進行試驗分析。根據試驗數據，得出如下結論：

5.1 改性高液限粘土的液限降低，且其塑性限隨水玻璃、硫化鋁含量的提高而提高。

5.2 改性后土壤的粘聚力和內摩擦角都比未經處理的土壤要大。

5.3 3 次干循環(huán)、濕循環(huán)后，未進行處理的土壤CBR 達不到規(guī)定標準，但7 天后，經過3 次干濕循環(huán)并用4%的水玻璃和0.4%的硫酸鹽改良的土壤，其CBR 值可達到規(guī)定標準。

5.4 在8 小時內硫化鋁液與水玻璃的粘稠度基本相同，兩種溶液在灌漿過程中不會凝結，可以達到灌漿施工的要求。