固化劑改良公路路基土體的干燥收縮性能研究

(中國建筑一局(集團)有限公司,北京 100161)

根據(jù)交通運輸部《國家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013年-2030年)》，國家高速公路里程將由8.5萬km調(diào)整至11.8萬km，新增加的3.3萬km國家高速公路路線補充連接了新增的20萬以上人口城市、地級行政中心，且增加了一部分貫穿多個省區(qū)的重要通道，在這一專項規(guī)劃的指導(dǎo)下，國家高速公路將更好地服務(wù)綜合交通運輸體系構(gòu)建與發(fā)展[1]。作為高速公路的重要組成部分，公路路基土體的干燥收縮性能一直是影響整體工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素，通常情況下公路路基的填料需要具有挖取方便、壓實容易、強度高和水穩(wěn)定性好等特點，而我國不同地區(qū)土體的物化性能差別較大，尤其是在晝夜溫差較大的地區(qū)，采用傳統(tǒng)固化劑制備的公路路基土體存在干縮系數(shù)大[2]，在實際施工過程中容易產(chǎn)生開裂、造成公路路基使用壽命縮短且還會造成資源浪費、環(huán)境污染等問題[3]。為了解決公路路基土體的干燥收縮問題，本文對比分析了水泥和土凝巖作為固化劑對公路路基土體干燥收縮性能的影響，并利用SPSS Statistics和MATLAB軟件[4]對土凝巖固化劑改良公路路基土體試驗進行回歸曲線模型統(tǒng)計分析，以期開發(fā)出具有良好干燥收縮性能的公路路基土體固化劑并推廣在公路路基施工中應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

原始原料為取自施工公路路基地表以下1 m的土樣，水泥和土凝巖固化劑的物化性能指標見表1和表2，其中，土凝巖固化劑由赤泥和粉煤灰等工業(yè)廢棄物研磨而成。

表1 土凝巖固化劑的物化性能指標Table1 Physicochemicalpropertiesofsolidifyingagentforsoiltuff吸濕率/%熔點/℃燃點/℃密度/(g·cm-3)斷后伸長率/%抗拉強度/MPa<0.11685880.8818478

表2 水泥固化劑的物化性能指標Table2 Physicochemicalpropertiesofcementcuringagents初凝時間/min終凝時間/min抗壓強度/MPa抗折強度/MPa3d28d3d28d≥45≤600≥10≥33≥3≥8

分別以土凝巖和水泥作為固化劑制備了不同固化劑/干土配合比的梁式試件，尺寸為60 mm×60 mm×250 mm，其中，配合比在2%～10%之間，制備好的梁式試件宏觀形貌采用華為 P30 Pro手機進行拍攝，宏觀形貌見圖1(a)，之后對試件進行養(yǎng)護處理[5][(見圖1b)]。在ISOBY-354型混凝土比長儀(附帶DH-3188型電阻應(yīng)變儀)上對改良土混合料進行干燥收縮試驗，并分別測試不同固化劑摻量下的失水率和干縮應(yīng)變[6]。

2 結(jié)果及討論

圖2為固化劑改良公路路基土體的干燥收縮性能隨時間的變化曲線。從失水量-時間曲線看，以土凝巖和水泥作為固化劑試件的失水量隨時間的變化趨勢基本一致，即都表現(xiàn)為在開始15 d內(nèi)迅速增加，而繼續(xù)延長時間的失水量則逐漸趨于穩(wěn)定或略有增加；對比分析時間為15 d時的試件可知，水泥固化劑和土凝巖改性試件的失水量分別約占整體失水量的72%和68%，可見，土凝巖相對水泥固化劑具有更好的前期保水性，可以一定程度抑制試件中干縮裂縫的產(chǎn)生[7]。從干縮應(yīng)變-時間曲線看，以土凝巖和水泥作為固化劑的試件的干縮應(yīng)變隨時間的變化趨勢也基本一致，當時間達到15 d時，水泥固化劑和土凝巖固化劑改性試件的干縮應(yīng)變都已經(jīng)分別完成整體穩(wěn)定值的89%和91%，由此可見，水泥固化劑和土凝巖改性試件的干縮應(yīng)變主要發(fā)生在15 d的階段，而在后期的干縮應(yīng)變較少，因此，在施工過程中應(yīng)該確保在15 d內(nèi)進行養(yǎng)護，此外，對比分析還可見，當水泥固化劑和土凝巖固化劑添加量分別為6%和8%時，固化劑改良公路路基土體的干縮應(yīng)變最小，整體而言，采用土凝巖固化劑進行改性的公路路基土體的干縮應(yīng)變減小，更適宜于路基的應(yīng)用[8]。從干縮系數(shù)-時間看，隨著時間的延長，水泥固化劑和土凝巖固化劑改性試件的干縮系數(shù)都呈現(xiàn)先急劇上升后趨于平穩(wěn)，然后逐漸降低的過程，2種固化劑改性試件的干燥系數(shù)在10 d時都會急劇增加，且會隨著水泥和土凝巖摻量增加而增大，在時間達到60 d及以上時，水泥固化劑改性試件的干燥系數(shù)降低時間相較土凝巖固化劑改性試件提前，可見，土凝巖固化劑改性試件在后期的干燥收縮性能會相對水泥固化劑改性試件更為穩(wěn)定。

(a)試件外形

(b)養(yǎng)護圖1 試件外形與試件養(yǎng)護宏觀形貌

Figure 1 Specimen shape and specimen maintenance macromorphology

圖2 固化劑改良公路路基土體的干燥收縮性能隨時間的變化曲線Figure 2 Curve of drying shrinkage of roadbed soil improved by curing agent with time

圖3為水泥摻量對公路路基土體干燥收縮性能的影響曲線。從整體失水量看，隨著水泥摻量的增加，整體失水量呈現(xiàn)減小而后增大的趨勢，在水泥摻量為6%時取得最小值；從前10 d失水量增幅看，隨著水泥摻量的增加，前10 d失水量呈現(xiàn)波浪變化趨勢，在水泥摻量為6%時取得最大值；從干縮應(yīng)變看，隨著水泥摻量的增加，干縮應(yīng)變也呈現(xiàn)波浪變化，在水泥摻量為6%時取得最小值；從前10 d干縮應(yīng)變增幅看，隨著水泥摻量的增加，前10 d干縮應(yīng)變呈現(xiàn)先增加而減小趨勢，在水泥摻量為6%時取得最大值。

圖3 水泥摻量對公路路基土體干燥收縮性能的影響Figure 3 Effect of cement content on drying shrinkage of highway subgrade soil

圖4為土凝巖摻量對公路路基土體干燥收縮性能的影響曲線。從整體失水量看，隨著土凝巖摻量，呈現(xiàn)先增加后減小趨勢,在土凝巖摻量為4%時取得最大值；從前10 d失水量增幅看，隨著土凝巖摻量的增加，前10 d失水量呈現(xiàn)波浪變化趨勢，在土凝巖摻量為8%時取得最大值；從干縮應(yīng)變看，隨著土凝巖摻量的增加，干縮應(yīng)變呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，在土凝巖摻量為8%時取得最小值；從前10 d干縮應(yīng)變增幅看，隨著土凝巖摻量的增加，前10 d干縮應(yīng)變整體呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。結(jié)合圖3的水泥摻量對公路路基土體干燥收縮性能的影響可知，水泥固化劑和土凝巖固化劑對前10 d失水量增幅的變化趨勢剛好相反，而在失水量較小時，2種固化劑改性的土體的整體干縮應(yīng)變都較小，但是整體而言，土凝巖作為固化劑改性的土體的干燥收縮性能要優(yōu)于水泥固化劑。

圖4 土凝巖摻量對公路路基土體干燥收縮性能的影響Figure 4 Effect of soil tuff content on drying shrinkage of highway subgrade soil

圖5為固化劑改良公路路基土體的干燥收縮性能隨失水率的變化。從干縮應(yīng)變-失水率曲線看，隨著失水率的增加，水泥固化劑和土凝巖固化劑改性試件的干縮應(yīng)變整體都呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，且當水泥摻量為4%時水泥固化劑改性土體的干縮應(yīng)變高于相同失水率的其它試件，當土凝巖摻量為6%時土凝巖固化劑改性土體的干縮應(yīng)變高于相同失水率的其它試件；當水泥固化劑和土凝巖固化劑改性試件的失水率達到11%附近時，2種試件的干燥應(yīng)變也同時達到峰值。從干縮系數(shù)-失水率曲線看，水泥固化劑和土凝巖固化劑改性試件的失水率整體呈現(xiàn)隨著失水率增加而先增大后減小特征，水泥摻量為6%和10%時干燥系數(shù)隨失水率的變化分別與土凝巖摻量為4%和8%時相似，而土凝巖改性試件在相同摻量下的干縮變形卻小于水泥土改性試件，這也進一步說明土凝巖固化劑對公路路基土體的改性效果要優(yōu)于水泥[8-9]。

圖5 固化劑改良公路路基土體的干燥收縮性能隨失水率的變化Figure 5 Changes of drying shrinkage performance of road subgrade soil improved by curing agent with water loss rate

通過SPSS Statistics和MATLAB軟件對土凝巖固化劑改良公路路基土體試驗進行回歸曲線模型統(tǒng)計分析，可得出土凝巖固化劑改良公路路基土體的時間與干縮應(yīng)變對應(yīng)的方程式為[10]：

y=3 086.27-3 292.04/t

(1)

土凝巖固化劑改良公路路基土體的干縮應(yīng)變模型可用下式表示[11]：

y=A+B/t

(2)

其中，A=a0+a1x+a2x2+a3x3;B=b0+b1x+b2x2+b3x3;x為固化劑摻量;t為時間;y為干縮應(yīng)變[12-13]，結(jié)合前述的土凝巖固化劑改良公路路基土體干縮性能測試結(jié)果可知[14]，本文的土凝巖固化劑改良公路路基土體的干縮應(yīng)變模型可表示為：

y=4 017.967+685.284x-190.26x2+11.66x3+

(-5704.95-448.363x+206.283x2-

14.492x3)/t

(3)

圖6為土凝巖固化劑改良公路路基土體的干燥應(yīng)變擬合曲線?？梢?，當土凝巖固化劑摻量分別為2%、4%、6%、8%和10%時，固化劑改良公路路基土體的干縮應(yīng)變的軟件數(shù)據(jù)處理值與原始數(shù)據(jù)基本吻合，誤差都在5%以內(nèi)，即采用公式(3)可以計算得到土凝巖固化劑改良公路路基土體的干燥應(yīng)變，計算結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合，可以較好地指導(dǎo)實際工程中公路路基土體的施工養(yǎng)護工作[15]。

圖6 土凝巖固化劑改良公路路基土體的干燥應(yīng)變擬合曲線Figure 6 Drying strain fitting curve of improved highway roadbed soil with soil tuff solidifying agent

3 結(jié)論

a.土凝巖相對水泥固化劑具有更好的前期保水性，可以一定程度抑制試件中干縮裂縫的產(chǎn)生；采用土凝巖固化劑進行改性的公路路基土體的干縮應(yīng)變減小；土凝巖固化劑改性試件在后期的干燥收縮性能會相對水泥固化劑改性試件更為穩(wěn)定。

b.水泥固化劑和土凝巖固化劑對前10 d失水量增幅的變化趨勢剛好相反，而在失水量較小時，2種固化劑改性的土體的整體干縮應(yīng)變都較小，但是整體而言，土凝巖作為固化劑改性土體的干燥收縮性能要優(yōu)于水泥固化劑。

c.土凝巖固化劑改良公路路基土體的時間與干縮應(yīng)變對應(yīng)的方程式為：y=3 086.27-3292.04/t；土凝巖固化劑改良公路路基土體的干縮應(yīng)變模型可用下式表示：

y=4 017.967+685.284x-190.26x2+11.66x3+(-5 704.95-448.363x+206.283x2-14.492x3)/t。土凝巖固化劑改良公路路基土體的干縮應(yīng)變的軟件數(shù)據(jù)處理值與原始數(shù)據(jù)基本吻合，誤差都在5%以內(nèi)，土凝巖固化劑改良公路路基土體的干縮應(yīng)變模型可以較好地指導(dǎo)實際工程中公路路基土體的施工養(yǎng)護工作。