復(fù)合固結(jié)土技術(shù)在遼源南部新城項(xiàng)目中的應(yīng)用

齊慶祥

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院, 天津市 300074）

0 引言

隨著我國(guó)道路建設(shè)的快速發(fā)展，不少地區(qū)出現(xiàn)了砂石料緊缺的現(xiàn)象，造成砂石料、石灰、水泥等價(jià)格大幅提高，致使道路造價(jià)居高不下，嚴(yán)重制約了我國(guó)道路建設(shè)的發(fā)展速度。因此，推廣應(yīng)用新型環(huán)保筑路材料，合理利用自然資源，使道路建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)相和諧已經(jīng)擺在了重中之重的位置。

遼源市南部新城項(xiàng)目位于我國(guó)吉林省中南部，處于遼白一體化發(fā)展區(qū)的南端，其戰(zhàn)略地位十分重要。南部新城地勢(shì)低，道路設(shè)計(jì)標(biāo)高比原地面平均高出2 m，土方回填量大。此外遼源市具有美麗的生態(tài)環(huán)境和豐富的物產(chǎn)資源，快速發(fā)展城市和道路建設(shè)的同時(shí)，必須注重保護(hù)其原有的自然和生態(tài)環(huán)境。若依然采用傳統(tǒng)筑路材料，勢(shì)必造成大量的開山采石，不僅浪費(fèi)資源和能源，破壞植被，而且在其運(yùn)輸和存放過程中造成周圍環(huán)境污染，板結(jié)土地，料場(chǎng)用地難以復(fù)墾，造成土地資源浪費(fèi)。因此，如何在該項(xiàng)目中引進(jìn)、利用新型材料，滿足路用性能的同時(shí)，降低工程造價(jià)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，節(jié)約資源，建設(shè)“綠色道路”，成為一個(gè)首要的關(guān)鍵技術(shù)問題。

復(fù)合固結(jié)土技術(shù)就是在滿足基本路用性能的前提下，很大程度上減少路面基層中傳統(tǒng)土壤加固材料的用量，同時(shí)，還可以利用豐富的土資源取代傳統(tǒng)基層材料中的砂、礫、碎石等，從而減輕了由于石灰石的開采，生石灰的生產(chǎn)、運(yùn)輸，石灰土基層施工以及傳統(tǒng)基層材料中砂、礫、碎石的大量開采等過程對(duì)自然環(huán)境造成的破壞，也為解決目前無(wú)砂石地區(qū)或欠缺砂石地區(qū)存在的道路建設(shè)周期長(zhǎng)、造價(jià)高等問題提供了一種技術(shù)方法，具有極大的生態(tài)環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)復(fù)合固結(jié)土技術(shù)在路面基層材料中的應(yīng)用進(jìn)行了工程試驗(yàn)研究，測(cè)試了固化劑穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、抗凍融性等性能，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于遼源市南部新城項(xiàng)目中。

1 原材料基本試驗(yàn)

（1）固化劑

經(jīng)過篩選比較，試驗(yàn)中確定采用中路1號(hào)土壤固化劑。該土壤固化劑為深褐色液態(tài)易溶于水的高分子有機(jī)物質(zhì)，pH值小于1.0，密度為1.3～1.35 g/cm3。

（2）試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自遼源項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)土，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）[1]的規(guī)定，通過界限含水率、顆粒分析試驗(yàn)、重型丙類擊實(shí)試驗(yàn)和篩分試驗(yàn)，得到試驗(yàn)用土的液塑限、塑性指數(shù)、最大干密度、最佳含水量、顆粒組成等試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果詳見表1和表2。

表l 土料的基本性質(zhì)

表2 土料篩分試驗(yàn)結(jié)果

（3）水泥

本試驗(yàn)水泥采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表3。

（4）石灰

本試驗(yàn)采用消石灰，按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[2]的規(guī)定，測(cè)定所用石灰的有效CaO、MgO含量，進(jìn)而確定所用石灰的等級(jí)。經(jīng)測(cè)定所用石灰為I級(jí)鈣質(zhì)消石灰。

表3 水泥性能指標(biāo)

（5）試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用生活飲用水。

2 固化作用機(jī)理

中路1號(hào)土質(zhì)固化劑對(duì)土質(zhì)的固化效果是一種綜合行為，既有物理吸附和纏繞，又有化學(xué)反應(yīng)，它對(duì)混合土質(zhì)產(chǎn)生的固化有顯著效果。

2.1 中路1號(hào)土質(zhì)固化劑對(duì)粘土的固化作用

中路1號(hào)土質(zhì)固化劑加入到單純的粘土中時(shí)，中路1號(hào)土質(zhì)固化劑與粘土礦物發(fā)生了兩方面的作用。一方面，中路1號(hào)土質(zhì)固化劑與粘土礦物發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了高強(qiáng)度的化學(xué)鍵，也有酸性物質(zhì)對(duì)粘土礦物的侵蝕；另一方面，中路1號(hào)土質(zhì)固化劑中有機(jī)高聚物分子對(duì)粘土礦物產(chǎn)生吸附和物理纏繞。粘土礦物表面被侵蝕，粗糙的表面易于吸附其它異性成分，這也有助于有機(jī)高聚物分子對(duì)它的吸附和纏繞。但是單純的中路1號(hào)土質(zhì)固化劑與粘土作用不足以形成具有水穩(wěn)性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 中路1號(hào)土質(zhì)固化劑對(duì)石灰、粘土混合土的固化作用

中路1號(hào)土質(zhì)固化劑加入到石灰、粘土的混合土中時(shí)，以上兩種作用就同時(shí)發(fā)生了，并且相互促進(jìn)。

（1）中路1號(hào)土質(zhì)固化劑對(duì)粘土礦物產(chǎn)生侵蝕，造成礦物晶體表面缺陷，促進(jìn)了石灰中與有晶格缺陷的礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)生成的物質(zhì)依附在原晶體表面上生長(zhǎng)，吸收原晶體的成份，形成共用邊界，共用邊界逐漸增多并形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。

（2）在堿性石灰以及中路1號(hào)自身引發(fā)劑的作用下，中路1號(hào)土質(zhì)固化劑中的有機(jī)單體聚合成高聚物分子鏈，吸附在粘土礦物的表面或纏繞在礦物的周圍。被侵蝕的粗糙的粘土礦物表面也易于吸附和纏繞。

（3）在中路1號(hào)土質(zhì)固化劑與石灰的共同作用下，混合土能夠形成較致密的、水穩(wěn)的、較高強(qiáng)度的和較穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)也具有較好的抗凍融性。

2.3 中路1號(hào)土質(zhì)固化劑對(duì)水泥、粘土混合土的固化作用

中路1號(hào)土質(zhì)固化劑加入到水泥、粘土的混合土中時(shí)，與摻石灰的混合土相類似，中路1號(hào)土質(zhì)固化劑、水泥、粘土發(fā)生相互作用，并且相互促進(jìn)。

（1）中路1號(hào)土質(zhì)固化劑對(duì)粘土礦物同樣產(chǎn)生侵蝕，造成礦物晶體表面缺陷，能夠促進(jìn)水泥中的一些礦物與有晶格缺陷的粘土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，水泥礦物自身的水化反應(yīng)也生成了新的礦物。這些新礦物依附在原晶體表面上生長(zhǎng)，吸收原晶體的成份，形成共用邊界，共用邊界逐漸增多并形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。

（2）在引發(fā)劑的作用下，中路1號(hào)土質(zhì)固化劑中的有機(jī)單體聚合成高聚物分子鏈，吸附在或纏繞在礦物的周圍。同時(shí)，水泥水化生成的膠體物質(zhì)也吸附粘土礦物的表面和填充在網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

（3）在中路1號(hào)土質(zhì)固化劑與水泥的共同作用下，化學(xué)反應(yīng)生成的新礦物具有較好的穩(wěn)定性，混合土能夠形成較致密的、水穩(wěn)的、較高強(qiáng)度的和較穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，也具有較好抗凍融性。

（4）摻水泥的混合土與摻石灰的混合土相比，具有較多的強(qiáng)結(jié)合水，這是因?yàn)樗嗟乃a(chǎn)物中含有較多的凝膠，存在較多的強(qiáng)結(jié)合水。這種強(qiáng)結(jié)合水與土粒牢固地結(jié)合在一起，具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度，對(duì)試體的強(qiáng)度是有利的。

（5）摻水泥的混合土生成了鈣礬石，在膠粒間以輻射狀成長(zhǎng)，致使宏觀體積不斷膨脹，在土體內(nèi)部產(chǎn)生較大自應(yīng)力，從而可以起到補(bǔ)償收縮、防止開裂的作用。

3 工程試驗(yàn)與分析

3.1 配合比設(shè)計(jì)

固化劑對(duì)道路的承載性能有著重要的影響。在工程中，固化劑的摻入量要根據(jù)具體工程指標(biāo)、工程現(xiàn)場(chǎng)用土性質(zhì)和筑路成本確定。在本研究中，根據(jù)工程要求及現(xiàn)場(chǎng)土的性質(zhì)，同時(shí)考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)等因素，為驗(yàn)證復(fù)合固結(jié)土在路面基層材料中的作用，采用了以下配比進(jìn)行試驗(yàn)。

配比1∶水泥∶土=3.5∶96.5。

配比2∶水泥∶土=3.5∶96.5+0.02%ZL-1。配比3∶石灰∶土=5∶95

配比4∶石灰∶土=5∶95+0.02%ZL-1。

3.2 確定最佳含水量和最大干密度

按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）的相關(guān)規(guī)定，對(duì)配比混合料重復(fù)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，進(jìn)而得出濕密度、含水量、干密度的平均值。最后根據(jù)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到其最大干密度和最佳含水量。根據(jù)擊實(shí)曲線，我們可以求出各配比混合料的最大干密度和最佳含水量（見表4）。

表4 不同配比下的最佳含水量和最大干密度

對(duì)比分析4種配比混合料的最大干密度和最佳含水量，我們可以看出：適量加入固化劑后，可有效提高土體密度，同時(shí)降低土壤含水量。對(duì)于該項(xiàng)目，在較大的擊實(shí)（重型擊實(shí)）條件下，水泥類固結(jié)土最佳含水量小于石灰類固結(jié)土，但最大干密度大于后者（見圖1）。

圖1 土壤含水量-干密度關(guān)系曲線

3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

道路基層材料的抗壓強(qiáng)度是衡量道路性能的一個(gè)重要指標(biāo)，《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034-2000）[3]中規(guī)定用穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度來(lái)衡量該指標(biāo)。根據(jù)以上配比擊實(shí)試驗(yàn)所得的最佳含水率和最大干密度，采用《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）中標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法制備試件。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，測(cè)得其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表5所列。

由無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果可以看出：隨著試件養(yǎng)護(hù)齡期的不斷增大，后期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增大；試件的壓實(shí)度顯著影響其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；水泥混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于石灰混合料；添加中路1號(hào)土壤固化劑的水泥復(fù)合固結(jié)土材料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在2.5 MPa以上，這在北方冰凍地區(qū)可以大大延長(zhǎng)有效工期，為道路建設(shè)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.4 水穩(wěn)性試驗(yàn)

按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）的相關(guān)要求，在最大干密度和最佳含水量的基礎(chǔ)之上，按95%的壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)分別用靜力壓實(shí)法成型無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行浸水試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 復(fù)合固結(jié)土水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由以上數(shù)據(jù)可以看出，隨著試件齡期的增長(zhǎng)，水穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大，水穩(wěn)性越好。摻加固化劑后可以大大提高水穩(wěn)定性，且水泥復(fù)合固結(jié)土材料的水穩(wěn)定性要優(yōu)于石灰復(fù)合固結(jié)土材料的水穩(wěn)定性。

3.5 抗凍融性試驗(yàn)

通過凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合固結(jié)土進(jìn)行抗凍性能方面的研究，了解復(fù)合固結(jié)土抵抗凍融破壞的能力。按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）的規(guī)定，在其各自對(duì)應(yīng)的最大干密度和最佳含水量的基礎(chǔ)之上按95%的壓實(shí)度制備標(biāo)準(zhǔn)試件。在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行5次循環(huán)凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 復(fù)合固結(jié)土的抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

比較而言，水泥混合料的抗凍融性比石灰混合料的抗凍融性要強(qiáng)，且在加入中路1號(hào)土壤固化劑后，水泥復(fù)合固結(jié)土的抗凍融效果更加明顯。雖然復(fù)合固結(jié)土在經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也受到了一定程度上的破壞，強(qiáng)度也有較大幅度的降低，但是凍融循環(huán)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的破壞程度大大低于相同凍融條件下的水泥和石灰穩(wěn)定土。說(shuō)明復(fù)合固結(jié)土在石灰、土壤固化劑的聯(lián)合加固作用下形成的粒間連結(jié)比石灰穩(wěn)定土更為堅(jiān)固，故土體的抗凍性得以提高。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)遼源市南部新城項(xiàng)目市政道路工程進(jìn)行大量的土壤固化劑固化土試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）加入土壤固化劑后的復(fù)合固結(jié)土比一般穩(wěn)定土在最大干密度、最佳含水量方面有明顯改善。

（2）加入土壤固化劑混合料的強(qiáng)度比相同石灰或水泥劑量的一般穩(wěn)定土的強(qiáng)度有很大程度的提高，在滿足道路路基強(qiáng)度要求的同時(shí)可避免遠(yuǎn)運(yùn)換土。另外，壓實(shí)度對(duì)復(fù)合固結(jié)土的強(qiáng)度具有非常明顯的影響，在條件許可的情況下，應(yīng)盡可能地增強(qiáng)復(fù)合固結(jié)土基層的密實(shí)程度，以提高固化劑的作用效果。

（3）隨著齡期的增長(zhǎng)，復(fù)合固結(jié)土技術(shù)可以大幅度提高路面基層材料的水穩(wěn)定性。

（4）在抗凍性方面，復(fù)合固結(jié)土材料在一定程度上優(yōu)于普通穩(wěn)定土材料。在季凍區(qū)采用復(fù)合固結(jié)土用作道路基層時(shí)，應(yīng)盡可能地采取一定的技術(shù)措施，使復(fù)合固結(jié)土基層以及土基保持較為干燥的狀態(tài)，從而削弱凍融循環(huán)對(duì)土體結(jié)構(gòu)的破壞。

（5）利用復(fù)合固結(jié)土技術(shù)修筑路面基層可以很大程度上減少工程中對(duì)水泥、石灰的用量，在道路建設(shè)的生態(tài)環(huán)保和社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面具有極高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

（6）確定了遼源市南部新城建設(shè)項(xiàng)目市政道路工程路面基層處理方案：18 cm石灰粉煤灰碎（7∶13∶80）+18 cm 石灰粉煤灰碎石（7∶13∶80）+15 cm水泥類復(fù)合固結(jié)土（水泥∶土+固化劑=3.5∶96.5+0.02%）。

[1]JTG E40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2]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[S].

[3]JTJ 034-2000,公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].