高液限黏土固化理論及路用性能試驗(yàn)研究

杜衍慶，王新岐

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西　西安 710064；3.天津市基礎(chǔ)設(shè)施耐久性企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市 300051）

0　引言

高液限土是指液限高于 50% 的細(xì)粒土[1]，根據(jù)塑性指數(shù)的不同又分為高液限黏土（CH）和高液限粉土（M H）。高液限黏土具有液限高、天然含水率高、持水能力強(qiáng)、強(qiáng)度低、水穩(wěn)定性差等不良性質(zhì)，若直接用于填筑路基，會(huì)引起不均勻沉降、開(kāi)裂、滑坡等病害[2]。目前，工程上常采用石灰、水泥、粉煤灰等無(wú)機(jī)結(jié)合料改良高液限黏土用作路基填料，并對(duì)改良后的高液限黏土的力學(xué)性質(zhì)開(kāi)展了較多的試驗(yàn)研究[3-6]。然而，鮮有采用高效土壤固化劑固化處理高液限黏土并對(duì)其路用性能開(kāi)展研究的成果。

針對(duì)天津東麗區(qū)的高液限黏土，在深入研究水硬性材料——GURS固化劑作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)固化高液限黏土的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1　高液限黏土固化作用機(jī)理分析

GURS系列固化劑對(duì)高液限黏土有類似水泥的凝結(jié)硬化作用，使泥漿中的水、土顆粒、固化劑充分凝結(jié)硬化形成穩(wěn)定、密實(shí)的結(jié)構(gòu)，其固化作用機(jī)理可總結(jié)為三個(gè)階段，詳述如下：

（1）攪拌共溶階段

GURS系列固化劑各組分粒徑僅0.02～5.00 um，經(jīng)攪拌溶合后，固化劑以液態(tài)的形式溶入高液限黏土，各組分尋找各自的對(duì)象發(fā)生反應(yīng)。為保證固化劑組分與土顆粒充分溶合，要求高液限黏土達(dá)到最佳攪拌含水量。

（2）反應(yīng)階段

GURS固化劑以液態(tài)形式溶入高液限黏土后，固化劑組分中所存在的凝結(jié)劑、水硬性材料、活性激發(fā)劑與泥漿中土顆粒、水分、金屬離子、有機(jī)質(zhì)等組分發(fā)生五大反應(yīng)。

a.水化、火山灰反應(yīng)。GURS系列固化劑某些組分與土顆粒之間自由水發(fā)生水化、火山灰反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、矽酸鹽類水化物等膠凝性水化產(chǎn)物，使得自由水向礦物結(jié)合水轉(zhuǎn)化。經(jīng)水化反應(yīng)生成的結(jié)晶體使高液限黏土體積增加，利用固化材料水化產(chǎn)物的膠結(jié)、填充作用使得顆粒之間更加緊密。在電子顯微鏡下可以看到土壤顆粒被水化凝膠包圍，在土壤粒子間形成牢固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體（見(jiàn)圖1a），從而提高密實(shí)度。

b.置換水反應(yīng)。在進(jìn)行水化、火山灰反應(yīng)的同時(shí)，GURS固化劑某些組分將結(jié)合過(guò)多的水分，生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）針狀結(jié)晶體（見(jiàn)圖1b），針狀結(jié)晶體穿插在土顆粒空隙中形成骨架，有效的填充土團(tuán)粒間的空隙，使固化土致密。

圖1　固化高液限黏土的截面SEM照片

c.離子交換作用。GURS固化劑中的鈣鹽、鎂鹽溶解后，Ga2+、M g2+與土壤顆粒所吸附的Na+發(fā)生交換反應(yīng)，并中和土顆粒表面電荷，降低黏土膠團(tuán)表面ζ電位，膠團(tuán)吸附的雙電層減薄，電解質(zhì)濃度增強(qiáng)、顆粒凝聚，消除高液限黏土中的液相和氣相，引起土顆粒的絮凝。

圖2為摻加GURS-501固化劑前、后黏性土粒度分布曲線。由圖2可知，未摻加固化劑，土顆粒粒度集中在2～5 μm，隨著固化劑的摻入，粒度逐漸增加至5～20 μm。

圖2　黏性土粒度分布曲線

d.土顆粒吸附作用。結(jié)合水膜的打破，使土顆粒對(duì)GURS中的各組分進(jìn)行物理、化學(xué)吸附，土顆粒將GURS中的某些組分吸附在表面，降低表面自由能，同時(shí)土體顆粒與固化劑之間形成化學(xué)鍵，在顆粒表面形成憎水膜，有效地保護(hù)土體的穩(wěn)定性，該過(guò)程不可逆，通過(guò)固化處理的土由“親水性”變成“憎水性”。吸附固化劑的土顆粒進(jìn)一步與水化物凝膠發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)與針狀結(jié)晶相互交叉，形成鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而緊密結(jié)合，從而提高了固化土的強(qiáng)度、耐水性和抗凍性。

e.固化劑與土顆粒間的活性反應(yīng)。土顆粒含有大量的活性Si O2、Al2O3、CaO等物質(zhì)，當(dāng)加入固化劑充分?jǐn)嚢韬?，在激發(fā)劑的作用下，固化劑和部分土壤顆粒參加化學(xué)反應(yīng)，固化劑中某些成分與土顆粒中的活性成分反應(yīng)生成膠凝性物質(zhì)，發(fā)揮黏土潛在活性，增強(qiáng)已形成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的密度，提高固化土強(qiáng)度和耐久性。

（3）凝結(jié)硬化排斥階段

隨著GURS系列固化劑與泥漿之間反應(yīng)的深入，自由水減少、水化物凝膠析出、活化土顆粒凝聚、結(jié)晶纖維延伸，各種反應(yīng)產(chǎn)物相互交錯(cuò)凝結(jié)硬化，形成致密、穩(wěn)定的團(tuán)粒構(gòu)造，使高液限黏土成優(yōu)質(zhì)的路用土壤。

2　固化高液限黏土路用性能試驗(yàn)研究

2.1　原狀土物理性質(zhì)

基于以上固化作用機(jī)理，在天津市東麗區(qū)取高液限原狀黏土摻加GURS-501固化劑進(jìn)行固化試驗(yàn)，并實(shí)測(cè)固化高液限黏土路用性能。原狀高液限黏土的物理指標(biāo)見(jiàn)表1，天然含水量為53%～59%，塑性指數(shù)在28～32之間，干縮性大、對(duì)水敏感，不滿足工程土條件。

表1　天津東麗區(qū)高液限黏土物理指標(biāo)

2.2　固化高液限黏土力學(xué)性能試驗(yàn)

2.2.1無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度性能研究

為研究GURS系列固化劑固化高液限黏土的強(qiáng)度規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)土樣分別摻加2%、3%、4%、5%、6%、8%、10%的GURS-501固化劑，制備50×50 mm的試件，并測(cè)定7 d、14 d、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)考慮高液限黏土屬于泥狀物，很難與干粉GURS-501固化劑充分拌和。因此，在現(xiàn)場(chǎng)取樣土自然含水量條件下，適當(dāng)加水（較液限含水量大5%～10%）之后摻入GURS-501固化劑并充分拌和，養(yǎng)護(hù)后測(cè)定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知：

（1）雖然東麗土含水量大于液限5%～10%，但GURS-501固化劑對(duì)東麗土仍然具有很好的固化效果，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)3.2 MPa，14 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)3.4 MPa，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)4.4 MPa，滿足公路底基層的強(qiáng)度要求。

圖3　不同固化劑摻量固化高液限黏土抗壓強(qiáng)度曲

（2）當(dāng)固化劑摻量小于6%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑摻量增加呈線性增大，而當(dāng)固化劑摻量大于6%，隨著固化劑摻量的增加，固化土強(qiáng)度增加并不明顯，甚至有所下降，說(shuō)明GURS固化高液限黏土有其最佳摻量，對(duì)于大于液限5%～10%的東麗土最佳固化劑摻量為6%，具體工程應(yīng)根據(jù)高液限黏土的含水量進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定最佳摻量。

（3）固化高液限黏土7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為28 d的70%～75%，說(shuō)明固化土早期強(qiáng)度很高。從不同齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)情況來(lái)看，14 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較7 d增加了5%～10%，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較14 d增加了20%～30%，分析原因在于固化土早期強(qiáng)度的形成主要來(lái)自固化劑五大反應(yīng)的作用，而后期強(qiáng)度則除五大反應(yīng)之外，來(lái)自高液限黏土中與固化劑無(wú)法反應(yīng)的自由水的排出或蒸發(fā)。

2.2.2含水量與強(qiáng)度關(guān)系

土壓實(shí)的傳統(tǒng)理念是土在最佳含水量時(shí)進(jìn)行壓實(shí)，土顆粒周邊的自由水充分排除、土顆?？拷擅芏冗_(dá)到最大。但這種理念并不適用于高液限黏土。為了固化高液限黏土，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，提出最佳攪拌含水量（OSM C）的概念。最佳攪拌含水量是指能使高液限黏土與固化劑充分?jǐn)嚢?，并使其凝結(jié)硬化后強(qiáng)度最大的含水量。

根據(jù)前述東麗土強(qiáng)度試驗(yàn)研究可看出，當(dāng)高液限黏土含水量大于液限5%～10%、固化劑摻量在2%～4%時(shí)，固化土強(qiáng)度滿足工程要求，為此，進(jìn)一步對(duì)東麗固化高液限黏土與含水量關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，以尋求東麗土最佳攪拌含水量。以東麗土為固化對(duì)象，土樣液限為53.2%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水量關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

圖4　不同固化劑摻量條件下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-含水量關(guān)系曲線

由圖4可知：

（1）在含水量大于液限的條件下，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先隨含水量的增加而增加，達(dá)到最大后，強(qiáng)度逐漸減小。其中，固化劑摻量為2%時(shí)，含水量較液限含水量增加7%（含水量為60.25%），強(qiáng)度最大；固化劑摻量為5%時(shí)，含水量較液限含水量增加9%（含水量為62.2%），強(qiáng)度最大。

（2）固化劑摻量2%（5%）的固化高液限黏土最佳攪拌含水量為較液限增加7%（9%）時(shí)的含水量，可見(jiàn)隨著固化劑摻量的增加最佳攪拌含水量有所增大。工程使用應(yīng)根據(jù)固化高液限黏土需達(dá)到的強(qiáng)度要求及其物理性質(zhì)進(jìn)行最佳攪拌試驗(yàn)予以確定。

2.2.3CBR試驗(yàn)

為進(jìn)一步明確GURS固化高液限黏土替代傳統(tǒng)道路路基的可能，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）制作152×120 mm試件，養(yǎng)護(hù)6 d，浸水24 h后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，承載比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可看出，高液限黏土摻加2%、4%GURS-501固化劑后CBR均滿足道路路基對(duì)CBR的要求。

表2　承載比試驗(yàn)結(jié)果

2.3　固化高液限黏土水穩(wěn)性試驗(yàn)

水泥、石灰等無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土在長(zhǎng)期浸水條件下強(qiáng)度大幅衰減（見(jiàn)圖5a），嚴(yán)重影響工程的使用壽命。因此，水泥土、石灰土以及水泥石灰土僅可作為低等級(jí)道路的底基層，為了探討GURS固化高液限黏土作為道路基層或底基層的可能性，應(yīng)對(duì)其水穩(wěn)性進(jìn)一步研究。

圖5　摻加固化劑土與摻加水泥石灰浸水后效果對(duì)比

試驗(yàn)參考巖石力學(xué)中關(guān)于巖石水穩(wěn)系數(shù)的測(cè)定方法，對(duì)固化高液限黏土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d、28d后在水中充分浸泡不同時(shí)間進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，計(jì)算其水穩(wěn)系數(shù)和強(qiáng)度損失，預(yù)測(cè)其變化規(guī)律。試件統(tǒng)一較液限含水量增加7%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及穩(wěn)定系數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　固化高液限黏土水穩(wěn)性能測(cè)試結(jié)果

由表3可知：

（1）固化高液限黏土養(yǎng)護(hù)7 d后，隨著浸泡時(shí)間的增加強(qiáng)度并未衰減，略有增大，并隨著固化劑摻量的增加，增幅變大，這與GURS固化劑在水環(huán)境下仍然能進(jìn)行反應(yīng)有關(guān)，7 d養(yǎng)護(hù)齡期后一定時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度形成仍然在繼續(xù)，說(shuō)明固化高液限黏土有較好的水穩(wěn)性能。

（2）固化高液限黏土養(yǎng)護(hù)28 d后，隨著浸泡時(shí)間的增加強(qiáng)度有所衰減，但幅度很小，而且隨著固化劑摻量的增加，強(qiáng)度減少量逐漸降低，說(shuō)明固化劑摻量的增加可提高水穩(wěn)定性。

（3）固化高液限黏土在不同浸泡條件下水穩(wěn)系數(shù)在0.9～1.0之間，且隨著固化劑摻量的增加，水穩(wěn)系數(shù)逐步增大，摻量達(dá)5%時(shí)水穩(wěn)系數(shù)接近1，說(shuō)明固化高液限黏土有較好的水穩(wěn)性。

2.4　固化高液限黏土干縮性能試驗(yàn)

將東麗土在最佳攪拌含水量下制備50 mm×50 mm×200 mm試件，進(jìn)行固化高液限黏土干縮性能測(cè)試。為了模擬固化高液限黏土的施工條件，測(cè)試溫度要求20±1℃，濕度要求60±5%，利用SH-100收縮儀測(cè)試高低溫交變濕熱試驗(yàn)條件下固化高液限黏土的干縮情況。不同固化劑摻量下固化高液限黏土干縮試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6　固化高液限黏土干縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知：

（1）固化高液限黏土的干縮應(yīng)變?cè)?～13 d時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)迅速，之后趨于平緩，當(dāng)失水率達(dá)到最大值時(shí)，干縮應(yīng)變趨于4 000×10-6左右并穩(wěn)定。

（2）固化高液限黏土的平均干縮系數(shù)為200×10-6～400×10-6，在養(yǎng)生初期變化較大，在養(yǎng)生14 d后趨于穩(wěn)定，平均干縮系數(shù)受固化劑摻量的影響較大，與水泥、石灰土干縮系數(shù)變化顯著不同，隨著固化劑摻量的增加，干縮系數(shù)逐漸減小，這是因?yàn)镚URS固化劑有很強(qiáng)的結(jié)合能力，在一定含水量條件下（最佳攪拌含水量），固化劑與高液限黏土凝結(jié)硬化能力和抗變形能力更強(qiáng)。

2.5　固化高液限黏土凍融循環(huán)性能試驗(yàn)

固化高液限黏土在反復(fù)凍融循環(huán)后的強(qiáng)度變化對(duì)于其使用壽命至關(guān)重要，將不同固化劑摻量固化高液限黏土試件在室內(nèi)養(yǎng)生28 d后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，不同固化劑摻量的固化高液限黏土凍融循環(huán)后強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　固化高液限黏土凍融循環(huán)測(cè)試結(jié)果

分析表4數(shù)據(jù)可以得出：

（1）固化高液限黏土經(jīng)5次凍融循環(huán)后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為正常養(yǎng)生試件的67%～81%，且隨著固化劑摻量的增加，強(qiáng)度損失率逐漸減小，摻入GURS-501固化劑提高了高液限黏土的抗凍融性能。

（2）當(dāng)GURS固化劑摻量大于5%時(shí)，固化高液限黏土在凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失率小于25%，因此，從考慮凍融循環(huán)角度，建議固化劑摻量不低于5%。

3　結(jié)論

本文針對(duì)工程中經(jīng)常遇到的含水量大于塑限、接近液限的高液限黏土固化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，在分析GURS系列固化劑對(duì)高液限黏土固化作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究采用GURS-501固化劑處理的高液限黏土的路用性能，探求固化高液限黏土最佳途徑。本文研究得出的結(jié)論如下：

（1）GURS系列固化劑對(duì)高液限黏土的固化作用機(jī)理可總結(jié)為攪拌共溶、反應(yīng)、凝結(jié)硬化排斥三個(gè)階段。

（2）采用GURS-501固化劑處理后的固化高液限黏土，滿足公路底基層強(qiáng)度以及道路路基CBR的要求。

（3）固化高液限黏土含水量較液限大5%～10%存在最佳攪拌含水量（OSM C），最佳攪拌含水量隨著固化劑摻量的增加有所增大。

（4）固化高液限黏土在不同浸泡條件下水穩(wěn)系數(shù)在0.9～1.0之間，且隨著固化劑摻量的增加，水穩(wěn)系數(shù)逐步增大，摻量達(dá)5%時(shí)水穩(wěn)系數(shù)接近1，說(shuō)明固化高液限黏土有較好的水穩(wěn)性。

（5）固化高液限黏土的干縮應(yīng)變?cè)?～13 d內(nèi)增長(zhǎng)迅速，之后趨于平緩，當(dāng)失水率達(dá)到最大值時(shí)，干縮應(yīng)變趨于4 000×10-6左右并穩(wěn)定。

（6）當(dāng)GURS固化劑摻量大于5%時(shí)，固化高液限黏土在凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失率小于25%，因此，從考慮凍融循環(huán)角度，建議固化劑摻量不低于5%。