抗疏力固化土干縮性能試驗(yàn)研究

劉 俊 ，陳思旻 ，凌天清，陳 平 ，方靈毅

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300457；2.天津市公路處，天津市 300170；3重慶交通大學(xué)，重慶市 400074；4.重慶市設(shè)計(jì)院，重慶市 400074）

0 引言

固化(穩(wěn)定)土的一個(gè)明顯缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低、抗變形能力差。收縮因可能引起開(kāi)裂而成為土壤固化中一個(gè)普遍關(guān)心的問(wèn)題。固化土體產(chǎn)生的收縮，在養(yǎng)生期內(nèi)主要是固化過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)引起的自身收縮，在后期主要來(lái)自干燥收縮(簡(jiǎn)稱(chēng)干縮)和溫度收縮(簡(jiǎn)稱(chēng)溫縮)。

干縮之所以作為收縮問(wèn)題中的一個(gè)重要內(nèi)容來(lái)研究，是由于它具有如下特點(diǎn)：

（1）干縮幾乎不可避免。固化土結(jié)構(gòu)物一旦養(yǎng)生結(jié)束暴露在大氣中，都面臨著水分散失而發(fā)生收縮的可能。

（2）干縮在總收縮中所占比例較大。干縮通常要比溫縮嚴(yán)重得多，例如半剛性材料的干縮系數(shù)是其溫縮系數(shù)的十多倍，干縮往往是引起開(kāi)裂最常見(jiàn)的原因。

（3）干縮在道路工程中引起的開(kāi)裂危害嚴(yán)重。道路工程中大部分的橫向裂縫是由半剛性基層的收縮引起，例如水泥固化土干縮會(huì)產(chǎn)生間距3～10 m的橫向裂縫，裂縫寬度0.5～3 mm，路面開(kāi)裂將大大縮短道路的使用壽命。

（4）干縮的可控制性強(qiáng)。相對(duì)于溫縮受到自然環(huán)境溫度變化的影響而難以控制而言，干縮則可以通過(guò)養(yǎng)生、覆蓋等措施加以改善。

因此，控制干縮是控制收縮的主要著眼點(diǎn)，本文則主要針對(duì)抗疏力固化土的干縮性能展開(kāi)試驗(yàn)研究。

1 原材料

抗疏力固化劑（The Consolid System）是專(zhuān)為土壤穩(wěn)固作用而開(kāi)發(fā)的新型固化材料?？故枇ο到y(tǒng)包括水劑 CONSOLID444（C444）和粉劑 SOLIDRY（SD）：

（1）C444屬于電離子溶液（ISS）類(lèi)固化劑，是一種有機(jī)化學(xué)物質(zhì),略顯酸性（pH=6），具有氨味，高溫下易燃。C444能破壞土壤細(xì)小顆粒附著的水膜，導(dǎo)致細(xì)小的顆粒發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的凝聚，從而大大減少水的毛細(xì)上升現(xiàn)象，使土壤不再被水浸漬。因此，C444處理后的土壤能更好地被壓實(shí)，在施工期間以及后期通行使用期間增加所要求的密度。

（2）SD屬于高聚物類(lèi)固化劑,是一種有機(jī)的粉末狀化學(xué)物質(zhì)，其成分具有脫水收縮及長(zhǎng)久保持作用。SD覆蓋在載體上，能進(jìn)一步增加對(duì)處理后土壤的保護(hù)，抵抗水的軟化作用，維持經(jīng)處理后土壤的穩(wěn)定，并增加土壤特殊的粘合特性。SD通過(guò)關(guān)閉毛細(xì)管阻止處理后的土壤被水浸入，從而消除土壤的膨脹現(xiàn)象。

經(jīng)配合比試驗(yàn)研究，選取抗疏力固化劑C444和SD的最佳摻量（水劑C444—0.8 L/m3、粉劑SD—20 kg/m3）。

以重慶地區(qū)的粘性土為處理對(duì)象，重慶地區(qū)土質(zhì)特點(diǎn)：多為粘性土，且為地表風(fēng)化層，粘性大。試驗(yàn)中所用土均取自重慶市巴南區(qū)某施工工地的粉質(zhì)粘土（從地表面至25 cm的深度取土），經(jīng)工程分類(lèi)，為含砂低液限粘土。土樣的顆粒級(jí)配如表1所示，土樣的基本性質(zhì)如表2所示。

2 干縮試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用壓力機(jī)制件。將試模的下壓塊放入試模的下部，外露2 cm左右，然后將墊板兩面刷油后放在下壓塊的上面。將已經(jīng)稱(chēng)量好的混合料試樣一次倒入試模中，最后將上壓塊放入試模內(nèi)，應(yīng)使其也外露2 cm左右。將整個(gè)試模（連同上下壓塊）放到壓力機(jī)上，加壓直到上下壓塊都?jí)喝朐嚹橹?。解除壓力后，取下試模，拆卸模具脫?！?/p>

表1 土樣的顆粒級(jí)配

表2 土樣的基本性質(zhì)

試驗(yàn)試件脫模后無(wú)需放在養(yǎng)護(hù)室恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)，直接放在干燥、安靜的干縮室架表測(cè)量（如圖1、圖2所示）。具體方法如下：

圖1 測(cè)失水量的試件

圖2 測(cè)干縮量的試件

（1）將試件安放在收縮儀上。在收縮儀上墊上涂有潤(rùn)滑劑的玻璃棒，以減少試件收縮時(shí)下承面的摩擦（不考慮收縮儀玻璃板本身的溫縮）。

（2）將收縮儀連同試件一起放入干縮室。將千分表頂?shù)皆嚰鲜贡碜邉?dòng)到較大的數(shù)值，待所有試件統(tǒng)一架好后歸零。

（3）從移入干縮室的時(shí)間算起計(jì)算，在開(kāi)始試驗(yàn)的一個(gè)星期內(nèi)，每天讀1次數(shù)，記下每個(gè)試件的每個(gè)表的讀數(shù)，并稱(chēng)量標(biāo)準(zhǔn)試件的質(zhì)量；在7 d以后每?jī)商熳x1次數(shù)。

（4）在干縮觀測(cè)結(jié)束后，將標(biāo)準(zhǔn)試件放到烘箱內(nèi)烘干至恒重。

干縮性能主要以干縮應(yīng)變?chǔ)興和平均干縮系數(shù)αd兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量，其計(jì)算分別按式（1）和（2）進(jìn)行：

式中：εd——干縮應(yīng)變，指由水分損失引起的試件單位長(zhǎng)度的收縮量，×10-6；

αd——平均干縮系數(shù)，指某失水量下，試件的

干縮應(yīng)變與失水率之比，×10-6；

ΔL——干縮量，即含水量損失Δω時(shí)，小梁試

件的整體收縮量，mm；

L——試件的整體長(zhǎng)度（mm），已知L=200mm；

Δω——失水率，即試件損失水分重量與試件

所用材料干重之比，%。

抗疏力試件干重約為1548 g，石灰土（4%石灰）試件干重約為1530 g。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表3和圖3～圖5分析可以得出:

（1）在相同的收縮環(huán)境條件下，隨著暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，抗疏力固化土的失水量均低于石灰穩(wěn)定土的失水率。同時(shí)，抗疏力固化土的失水率隨時(shí)間增長(zhǎng)的幅度明顯低于石灰穩(wěn)定土，石灰穩(wěn)定土失水率的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯，且在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)失水率保持增長(zhǎng)。直至失水率趨于穩(wěn)定達(dá)到最大值時(shí)，抗疏力固化土的失水率明顯低于石灰穩(wěn)定土。

（2）兩種固化土的干縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律相同，干縮應(yīng)變均隨著時(shí)間的發(fā)展而變大，在1～3 d齡期時(shí)收縮速率較快，其后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，水分的蒸發(fā)，收縮速率逐漸減小，直到最大失水率時(shí)，干縮應(yīng)變趨于穩(wěn)定。當(dāng)試件暴露在空氣中大約15 d時(shí)干縮變形基本趨于完成。

（3）在相同的收縮環(huán)境條件下，隨著暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，抗疏力固化土的收縮應(yīng)變均小于石灰穩(wěn)定土，說(shuō)明抗疏力固化土的干縮性能優(yōu)于石灰穩(wěn)定土。但抗疏力固化土和傳統(tǒng)的石灰穩(wěn)定土在干縮過(guò)程中的收縮應(yīng)變都比較大，尤其在初期，因此，兩種配比混合料在干縮情況下都容易開(kāi)裂。為避免其產(chǎn)生收縮裂縫，在基層成型后必須加強(qiáng)初期灑水養(yǎng)護(hù)，避免在高溫下曝曬干縮，同時(shí)，在混合料中摻入一定比例的集料，以減小由于粘結(jié)料失水和水化引起的干縮。

表3 干縮試驗(yàn)結(jié)果

圖3 失水率變化對(duì)比圖

圖4 干縮應(yīng)變變化對(duì)比圖

圖5 干縮系數(shù)變化對(duì)比圖

（4）在相同的收縮環(huán)境條件下，隨著暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，抗疏力固化土的平均收縮系數(shù)均大于石灰穩(wěn)定土。平均干縮系數(shù)是指某失水量下，試件的干縮應(yīng)變與失水率之比，由于石灰穩(wěn)定土的失水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗疏力固化土，才最終導(dǎo)致抗疏力穩(wěn)定土的平均收縮系數(shù)大于石灰穩(wěn)定土。所以，單純用平均收縮系數(shù)作為評(píng)價(jià)抗疏力固化土干縮性能的指標(biāo)有待商榷。

4 抗疏力固化土干縮性能影響因素

干燥收縮的基本原理是由于水分蒸發(fā)而發(fā)生的“毛細(xì)管張力作用”、“吸附水分子間作用”、礦物晶體或膠凝體的“層間水作用”以及“碳化脫水作用”而引起的整體宏觀體積的變化。相關(guān)研究認(rèn)為，抗疏力固化土的干縮性能主要取決于以下幾個(gè)因素：

（1）結(jié)合料的礦物成分和分散度。含有較多粘土礦物和分散度大、比表面大的材料有較大的干燥收縮性。

（2）養(yǎng)護(hù)時(shí)間。齡期增加，膠結(jié)物不斷滋生，致使孔隙率下降，強(qiáng)度與剛度增大，從而導(dǎo)致干燥收縮系數(shù)減小。

（3）集料含量。集料含量增多，可減少整體材料的孔隙率、比表面和含水率，從而可較大幅度地降低干燥收縮性。

5 結(jié)語(yǔ)

抗疏力土壤固化劑作為一種新型筑路材料,可以針對(duì)不同的土質(zhì)，應(yīng)用于公路、街道、機(jī)場(chǎng)、鐵道等工程中，有著明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。隨著環(huán)境保護(hù)對(duì)石料、河砂、山砂等自然資源開(kāi)采的嚴(yán)格限制，抗疏力固化劑的應(yīng)用研究，以人工合成材料替代傳統(tǒng)筑路材料，將分布廣泛的土作為主要的路面基層材料，實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)就地取材，提高工程質(zhì)量，降低工程造價(jià)，節(jié)省資源和能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，使公路建設(shè)不受資源、生態(tài)、環(huán)保的影響，已成為公路可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急?？故枇袒恋母煽s性能研究作為抗疏力固化劑應(yīng)用研究的重要內(nèi)容，對(duì)公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。

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