復(fù)合型穩(wěn)定土的收縮特性研究

古力再拉·艾買爾江

（新疆路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著原材料成本和人工成本的逐漸增加，如何降低運(yùn)輸成本、縮短施工工期是今后公路建設(shè)行業(yè)的主要發(fā)展方向。而路面基層作為道路重要組成部分，對于不良土路段需要通過挖除原土，外運(yùn)碎石完成道路路基建設(shè)，造成廢棄土的堆積和成本的增加。為達(dá)到節(jié)約資源，減少運(yùn)輸成本，縮短工期的效果，我國通過引進(jìn)或自主研發(fā)的土壤固化劑對不良土進(jìn)行改良，提高路基土路用性能，使路基材料的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、壓縮特性等均符合公路建設(shè)的要求，但固化劑對土壤的改良特點(diǎn)需進(jìn)一步研究。

路面基層材料對溫度和濕度的變化較敏感，干縮和溫縮應(yīng)變較大時，基層材料無法自由收縮，從而產(chǎn)生內(nèi)部拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過材料承受范圍時，便產(chǎn)生收縮裂縫，收縮裂縫容易通過較薄的瀝青面層反射至公路路面，形成反射裂縫，導(dǎo)致瀝青路面的破壞，減少使用壽命，因此路面基層材料要求具有盡可能小的收縮[1]。而國內(nèi)對土壤固化劑的研究中，白羊[2]、方祥位[3]、岳濤[4]等人分別就不同固化劑的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、回彈模量、凍穩(wěn)定系數(shù)和承載比等物理力學(xué)性能進(jìn)行了研究，表現(xiàn)出不同類別的固化劑均能在一定程度上改良土的工程特性，但對土壤固化基層收縮特性的研究還未深入。本文通過對干燥收縮和溫度收縮性能的研究，探討復(fù)合型固化劑對路基材料的收縮特性的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 土樣

本文采用的土樣呈黃色細(xì)粒狀，其主要物理力學(xué)性能如表1所示。根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中按塑性指數(shù)分類法，本次試驗(yàn)用土為粉質(zhì)黏土。

表1 土樣物理力學(xué)指標(biāo)

1.1.2 水泥

水泥作為最常用的膠結(jié)材料在道路工程中應(yīng)用廣泛。在細(xì)粒土的多相分散體系中主要起到連接土壤顆粒的作用，并且通過水化反應(yīng)吸收體系中的水，影響到其他參與土壤穩(wěn)定組分的水化反應(yīng)，因此水泥的品質(zhì)、礦物組成、比表面積和細(xì)度等性能均會影響到細(xì)粒土多相分散體系的穩(wěn)定性能。本文結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，選擇P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)性能指標(biāo)分別如表2、表3所示。

表2 水泥的主要性能指標(biāo)

表3 水泥的化學(xué)成分 w/%

1.1.3 脫硫石膏

公路工程建設(shè)中，脫硫石膏一般作為路基填充材料使用，將脫硫石膏用于基層穩(wěn)定土中，可提高基層的性能，降低工程造價(jià)，減小碳排放，擴(kuò)大脫硫石膏的使用范圍。本文采用的是二級脫硫石膏，呈粉末狀，其化學(xué)成分見表4。

表4 脫硫石膏化學(xué)成分 w/%

由表4可以看出，SO3與CaO含量比較高，另外還含有部分少量的 SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3和 K2O主要由石灰石等其他礦物帶入的雜質(zhì)，由于脫硫石膏是矸石電廠煙氣濕法脫硫產(chǎn)物，含水率較高，為15.24%。按SO3含量的理論計(jì)算值，脫硫石膏中CaSO4·2H2O含量為83.33%，石膏品級屬于二級，本文對濕度較高的脫硫石膏進(jìn)行55℃烘箱烘干并球磨機(jī)粉磨20 min處理。

1.1.4 氯化鈣

氯化鈣是工業(yè)上常用的早強(qiáng)劑，本文選用分析純氯化鈣，分子量110.98，白色粉末，含量不少于99.5%。

1.1.5 菱鎂礦

煅燒菱鎂礦是制備氧化鎂的最簡便、應(yīng)用最多的方法。我國的菱鎂礦資源比較豐富，同時煅燒方便，煅燒產(chǎn)物的性能可通過控制煅燒過程來調(diào)節(jié)。本文采用菱鎂礦原料化學(xué)成分如表5所示。

表5 菱鎂礦的化學(xué)成分 w/%

1.2 復(fù)合型材料穩(wěn)定土制備

復(fù)合型穩(wěn)定土中各材料組分及比例為水泥∶脫硫石膏∶氧化鎂∶氯化鈣=75∶12∶9∶4。首先復(fù)合型固化劑各組分按比例充分?jǐn)嚢韬?，?0%摻量與土攪拌制備得出復(fù)合型穩(wěn)定土。同時為了深入研究穩(wěn)定土基層的收縮性能，與普通水泥穩(wěn)定土（水泥摻量10%）做對比試驗(yàn)研究，含水量選用前期試驗(yàn)得到的最佳含水量，試驗(yàn)按JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》制備試件，試件成型壓實(shí)度控制在96%[5]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 干燥收縮

路面基層材料的干燥收縮是由材料內(nèi)部失水引起的。干燥收縮的基本原理是由于材料內(nèi)一部分水參與化學(xué)反應(yīng)，另一部分由于蒸發(fā)而導(dǎo)致整體的體積在宏觀上的變化。在混合料中水的存在形式有多種，顆粒之間的孔隙水是以毛細(xì)管水的形式存在的；各層之間的水和結(jié)晶水是以結(jié)構(gòu)水的形式存在；而混合料顆粒表面吸附的水是以結(jié)合水的形式存在?；旌狭蟽?nèi)部發(fā)生的水化作用和水的蒸發(fā)作用都引起含水率減小，基層材料依次經(jīng)受毛細(xì)管作用、膠凝體或者礦物晶體的層間水作用、吸附水作用以及碳化收縮作用引起宏觀上的體積變化。隨著水分的減小，分子之間距離變小，分子力增加，引起體積的收縮[6]。

材料的失水收縮程度和干縮系數(shù)按（T0854—2009）方法測定。干縮試驗(yàn)裝置示意圖，見圖1。

圖1 干縮試驗(yàn)裝置示意圖

試件尺寸為：50 mm×50 mm×200 mm的小梁試件，采用壓力機(jī)靜壓成型。每組制備6個平行試樣，其中3個試樣測收縮變形用，其余3個標(biāo)準(zhǔn)試樣，用于測量干縮失水率。試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)生7 d，養(yǎng)生結(jié)束后將飽水后的試件用游標(biāo)卡尺測量初始長度，至無明顯水跡后稱取試件初始質(zhì)量。

干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)按式（1）、式（2）計(jì)算：

式中：εd為干縮應(yīng)變，即水分損失引起的試件單位長度的收縮量，×10-6；ΔL為水分損失時試件的干縮量，10-6m；L 為試件的初始長度，mm；αd為干縮系數(shù)，即某失水量試件單位失水率的干縮應(yīng)變，×10-6；Δω為失水率，即試件失去的水分重量與試件烘干至恒重之比，%。

1.3.2 溫度收縮

溫度收縮是由組成半剛性材料的各種礦物顆粒的固、液和氣三相在降溫過程中的綜合效應(yīng)引起的[7]。雖然組成半剛性材料的各礦物有不同的溫度脹縮性，但穩(wěn)定土作為整體性的膠結(jié)材料，其整體的溫度脹縮特性由各組成單元體間的綜合作用效應(yīng)導(dǎo)致。一般氣相由于大部分與孔隙貫通，故在綜合效應(yīng)中氣相的影響極小，可以忽略其對半剛性基層材料的溫度脹縮性的影響。因此，針對半剛性材料的熱脹縮特性可以從固相脹縮和液相脹縮以及兩者的綜合作用等方面進(jìn)行分析。

材料的溫度收縮程度和溫度收縮系數(shù)按（T0855—2009）方法進(jìn)行。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d后，在60℃條件下烘干24 h，使試件中沒有自由水存在。試驗(yàn)前用游標(biāo)卡尺測量試件的初始長度并稱其重量。該次試驗(yàn)由25℃開始降溫，每降5℃為一級間隔，最低試驗(yàn)溫度為-20℃，每個溫度保溫24 h后立即記錄千分表讀數(shù)，進(jìn)行下一個溫度設(shè)定。

溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)按式（3）、式（4）計(jì)算：

式中：εt為溫縮應(yīng)變，即溫度變化引起的試件的單位長度變化量，×10-6；ΔL為溫度變化Δt時，試件的收縮量，mm；L為試件的初始長度，mm；αt為溫縮系數(shù)，×10-6/℃；Δt為試驗(yàn)溫差，℃。

2 收縮特性研究

2.1 干燥收縮

穩(wěn)定土的干燥收縮與時間、含水量等因素有關(guān)，本文通過對干縮應(yīng)變和時間的關(guān)系、干縮系數(shù)和失水率的關(guān)系、干縮系數(shù)和時間的關(guān)系綜合探究復(fù)合型穩(wěn)定土的干燥收縮性能，結(jié)果如表6、圖2、圖3、圖4所示。

表6 穩(wěn)定土干縮特性隨齡期的變化關(guān)系

圖2 穩(wěn)定土干縮應(yīng)變隨時間的關(guān)系曲線

如圖2所示，復(fù)合型穩(wěn)定土的干縮應(yīng)變隨著時間的增長先增大后減小，水泥穩(wěn)定土的干縮應(yīng)變早期增長幅度較大，后期增長幅度較小。對比兩種穩(wěn)定土的干縮應(yīng)變可知，相比于水泥穩(wěn)定土，復(fù)合型穩(wěn)定土的整體干縮應(yīng)變較小，60 d齡期干縮應(yīng)變是水泥穩(wěn)定土的16%。兩種穩(wěn)定土干縮主要受水分蒸發(fā)影響，此外穩(wěn)定土均為穩(wěn)定細(xì)粒土，其結(jié)構(gòu)類型屬于均勻密實(shí)結(jié)構(gòu)，此類型的基層材料干燥收縮量還受細(xì)集料自身的收縮應(yīng)變影響。

圖3 穩(wěn)定土干縮系數(shù)與時間的關(guān)系

圖4 穩(wěn)定土干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系

從圖3、圖4中可以看出，不同穩(wěn)定土的干縮系數(shù)隨著時間的增長總體呈現(xiàn)減小的趨勢，7 d前復(fù)合型穩(wěn)定土的干縮系數(shù)逐漸增大，之后逐漸減小。早期水泥穩(wěn)定土干縮系數(shù)變化波動較大，后期逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。兩種穩(wěn)定土的干縮系數(shù)均隨著失水率的增大呈現(xiàn)不同程度的減小趨勢，但相比于水泥穩(wěn)定土，復(fù)合型穩(wěn)定土整體干縮系數(shù)較小，這是由于隨著齡期的增長，在復(fù)合型穩(wěn)定土中水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物增多，這些生成物填充在顆粒之間，減小了材料內(nèi)部的孔隙，孔隙率降低，使其干縮系數(shù)比水泥穩(wěn)定土的要小。

綜合以上分析結(jié)果可知，復(fù)合型穩(wěn)定土的抗干縮性能比水泥穩(wěn)定土的抗干縮性能好。

2.2 溫度收縮

復(fù)合型材料穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定土的溫度收縮研究結(jié)果如表7、圖5、圖6所示。

表7 穩(wěn)定土溫縮特性隨溫度的變化關(guān)系

圖5 穩(wěn)定土溫縮應(yīng)變與溫度的變化關(guān)系

由圖5中可以發(fā)現(xiàn)，兩種穩(wěn)定土的溫縮應(yīng)變隨著溫度的降低呈現(xiàn)出增大的趨勢。在-5～20℃的區(qū)間內(nèi)，兩種穩(wěn)定土的溫縮應(yīng)變增大幅度較小，這主要是因?yàn)槊?xì)管張力和弱結(jié)合水的共同作用所引起的。本試驗(yàn)中，測試試樣養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后在60℃下進(jìn)行烘干，排除試樣內(nèi)部大孔隙中的自由水，但試樣內(nèi)部的毛細(xì)水等弱結(jié)合水難以排除掉，當(dāng)溫度降低到0℃左右時，這些弱結(jié)合水結(jié)冰導(dǎo)致體積增大，相應(yīng)地抵消了部分的收縮變形，但是這種抵消作用不是很明顯。另外，材料內(nèi)部液面一般為凸液面，存在一定的表面張力。當(dāng)溫度降低時，液面的內(nèi)外壓力差和表面張力都會增加，這種作用力大于顆粒內(nèi)部的連結(jié)力時，引起材料的收縮。在高溫區(qū)間，這種作用力的變化較小，材料因弱結(jié)合水和毛細(xì)管張力的共同作用下收縮量小幅增加。當(dāng)溫度繼續(xù)下降時，穩(wěn)定土的溫縮應(yīng)變增大幅度較大，整體效果是復(fù)合型穩(wěn)定土的收縮較水泥穩(wěn)定土的小。

圖6 穩(wěn)定土溫縮系數(shù)與溫度的變化關(guān)系

由圖6中可以看出，兩種穩(wěn)定土的溫縮系數(shù)變化趨勢基本相同，其中水泥穩(wěn)定土的溫縮系數(shù)在0℃時達(dá)到最小值，復(fù)合型穩(wěn)定土的溫縮系數(shù)在-5℃時達(dá)到了最小值。這可能是由于在這個溫度區(qū)間內(nèi)，材料內(nèi)部的弱結(jié)合水開始結(jié)冰，使材料的體積增大，從而抵消了部分的收縮變形，而因復(fù)合型穩(wěn)定土中含有氯化鈣，其起到一定的降低冰點(diǎn)的作用。當(dāng)溫度繼續(xù)降低時，材料內(nèi)部水分已結(jié)冰，而冰的溫縮系數(shù)較大，因此材料的溫縮系數(shù)也會變大。此外，由于細(xì)集料對溫度的變化比較敏感，故溫度降低幅度比較大時，表現(xiàn)出較大的溫縮系數(shù)。

對比兩種穩(wěn)定土可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合型穩(wěn)定土的溫縮系數(shù)比水泥穩(wěn)定土的小，這是由于在相同穩(wěn)定材料摻量下，復(fù)合型穩(wěn)定土中水泥組分所占的比例較水泥穩(wěn)定土中的小，水泥穩(wěn)定土中主要的化學(xué)反應(yīng)是水化反應(yīng)，因此生成的膠結(jié)物主要是C-S-H凝膠（熱膨脹系數(shù) a=（10～20）×10-6）等水化產(chǎn)物，而復(fù)合型穩(wěn)定土中的水化產(chǎn)物除了水泥水化產(chǎn)物外，還有其他組分與黏土礦物及氧化物（熱膨脹系數(shù)a=（8.3～9.3）×10-6）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的物質(zhì)，故從這些混合料組成部分的熱脹縮系數(shù)可知，復(fù)合型穩(wěn)定土的溫縮系數(shù)較水泥穩(wěn)定土的小。

3 結(jié)論

a）隨著齡期的增加，復(fù)合型穩(wěn)定土中，水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物增多，這些生成物填充在顆粒之間，減小了材料內(nèi)部的孔隙，孔隙率降低，表現(xiàn)出復(fù)合型穩(wěn)定土干縮應(yīng)變隨時間的延長先增大后減小，整體干縮系數(shù)小于水泥穩(wěn)定土整體干縮系數(shù)的特征。

b）復(fù)合型穩(wěn)定土的溫縮應(yīng)變隨著溫度的降低呈現(xiàn)出增大的趨勢，溫度為-15℃時，復(fù)合型穩(wěn)定土溫縮系數(shù)小于等于30×10-6，與水泥穩(wěn)定土相比，復(fù)合型穩(wěn)定土具有較小的收縮量，表現(xiàn)出良好的抗收縮性能。