抗疏力劑固化礫類土無(wú)機(jī)結(jié)合料應(yīng)用研究

賀月民，申鐵軍

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

在公路路面基層、底基層結(jié)構(gòu)中，無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料通常有碎石、級(jí)配砂礫、細(xì)粒土等。很多項(xiàng)目的土石方挖方為礫類土，巖性以中、強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖、砂巖為主，有少量灰?guī)r，由于壓碎值不合格，不能做為加工碎石的原材料，如作為棄方，不加以利用會(huì)給當(dāng)?shù)丨h(huán)保及水保造成很大破壞，相反，如對(duì)現(xiàn)有的路面設(shè)計(jì)(底)基層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)將施工中產(chǎn)生的大量片狀頁(yè)巖、砂巖破碎后摻配抗疏力劑和水泥進(jìn)行復(fù)合穩(wěn)定，將解決碎石短缺、筑路材料匱乏的問(wèn)題，也將大幅減少棄方數(shù)量，減少土地占用和資源破壞。

1 抗疏力劑固化機(jī)理分析

1.1 抗疏力劑

抗疏力劑是由多種水溶性單分子無(wú)機(jī)材料和表面活性劑組成、能夠與土顆粒發(fā)生化學(xué)交聯(lián)作用的復(fù)合物溶液。能夠快速而顯著地改善和提高土的技術(shù)性能，能夠減小顆粒間的孔隙，達(dá)到較好的壓實(shí)效果。

1.2 抗疏力劑作用機(jī)理

(1)聚合物預(yù)聚體(WS)為一種介于有機(jī)與無(wú)機(jī)物之間帶有羧基的化學(xué)物質(zhì)，它能與粘土顆粒發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，經(jīng)壓實(shí)后能夠提高路面基層的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度。

(2)磺酸鹽和多種表面活性劑能夠優(yōu)先且強(qiáng)烈地吸附于粘土礦物表面，形成不可逆轉(zhuǎn)的親油表面膜，驅(qū)趕粘土表面的吸附水，使粘土顆粒變得易于壓實(shí)，密實(shí)度的提高，也起到阻斷土體毛細(xì)管的作用，同時(shí)這些表面活性劑的加入改善了土壤顆粒表面的疏水性，提高了路面基層的水穩(wěn)定性，從而保證路面基層有較高的抗壓強(qiáng)度。

(3)抗疏力劑中的酸基化合物與土壤中堿性物質(zhì)反應(yīng)，生成多種金屬氧化物的復(fù)分子結(jié)晶物，可以進(jìn)一步堵塞毛細(xì)管孔道，截?cái)嗝?xì)管，進(jìn)一步改善路面基層的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性。

(4)抗疏力劑中加入了一定的單價(jià)金屬化合物，這些單價(jià)金屬與其他多價(jià)金屬形成復(fù)合氧化物，改善了路面基層的耐久性，從而延長(zhǎng)了公路的使用壽命。

2 礫類土應(yīng)用抗疏力劑的優(yōu)勢(shì)

2.1 礫類土

礫類土屬粗粒土，礫類土定性是以其顆粒組成、細(xì)粒含量及類別、粗粒含量及級(jí)配為主要依據(jù)。按顆粒大小、顆粒特征劃分粒組，然后按不同粒組的百分比含量作為劃分礫類土土類的主要指標(biāo)；有時(shí)尚需視含細(xì)粒土的類別及含量來(lái)進(jìn)一步劃分，礫石土、砂卵石、殘坡積碎石土和風(fēng)化巖石碴等均統(tǒng)稱為礫類土。

2.2 礫類土應(yīng)用抗疏力劑的優(yōu)勢(shì)

在礫類土中不加抗疏力劑，只加水泥這種無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)料，由于水泥是固態(tài)的顆粒，相對(duì)液態(tài)抗疏力劑流動(dòng)性差，它只能吸附在比表面積較小的礫類土的表面。因礫類土中含有一定量的風(fēng)化頁(yè)巖及粘粒土，當(dāng)外力作用時(shí)(壓路機(jī)碾壓時(shí))，頁(yè)巖遇水硬度低、易碎、風(fēng)化。破碎頁(yè)巖表面吸附水泥，內(nèi)部沒(méi)有水泥吸附，沒(méi)有膠結(jié)材料連接，影響礫類土穩(wěn)定性。由于水泥只能吸附在土顆粒的表面，不能進(jìn)入到壓碎的土顆粒頁(yè)巖內(nèi)部，壓碎的頁(yè)巖是一種軟顆粒，它在混合料中占有一定體積空間，但還沒(méi)有強(qiáng)度，不易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。而加入抗疏力劑后通過(guò)液體這種流動(dòng)性好的載體能夠帶到壓碎頁(yè)巖的內(nèi)部，與粘粒土充分結(jié)合，通過(guò)范德華力把土顆粒緊密連接在一起，形成網(wǎng)狀穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了混合料的穩(wěn)定性。

3 基層、底基層應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

原材料檢驗(yàn)、水泥復(fù)合穩(wěn)定土基層及底基層配合比設(shè)計(jì)、7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水泥劑量滴定、含水率檢驗(yàn)、壓實(shí)系數(shù)檢驗(yàn)、鉆芯取樣。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

抗疏力劑溶液與土顆粒發(fā)生化學(xué)交聯(lián)作用，按一定比例與水泥、土等原材料均勻摻配形成的混合料，利用抗疏力劑促進(jìn)復(fù)合土的穩(wěn)定和強(qiáng)度形成，從而提高和改善穩(wěn)定土的路用技術(shù)性能。

3.3 技術(shù)指標(biāo)

基層：水泥符合設(shè)計(jì)參考劑量6%，7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求≥3.0 MPa標(biāo)準(zhǔn)；底基層：水泥符合設(shè)計(jì)參考劑量5%，7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求≥2.0 MPa標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 試驗(yàn)方案

以7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，通過(guò)對(duì)不同的摻配比例的配合比進(jìn)行比對(duì)，選擇以下配合比進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑。

(1)試驗(yàn)項(xiàng)目：山西省忻州市偏關(guān)縣沿黃旅游公路

方案一

①基層：水泥復(fù)合穩(wěn)定碎石土(7 d齡期鉆芯)

②配合比。

m水泥∶m碎石∶m細(xì)粒土∶m抗疏力劑=8∶30∶70∶0.015

③基層：水泥復(fù)合穩(wěn)定土(細(xì)粒土+碎石)，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度3.4 MPa。2019年6月14日試驗(yàn)段鋪筑，2019年6月21日鉆芯取樣，筒壁光滑，芯樣完整。

④缺點(diǎn)：實(shí)際施工配合比碎石：細(xì)粒土30∶70比例無(wú)法精確控制。

方案二

①底基層：水泥復(fù)合穩(wěn)定細(xì)粒土(7 d齡期鉆芯)

②配合比：m水泥：m細(xì)粒土：m抗疏力劑=7∶100∶0.015

③底基層：水泥復(fù)合穩(wěn)定土(細(xì)粒土)，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度2.2 MPa，2019年6月14日試驗(yàn)段鋪筑，2019年6月21日鉆芯取樣，筒壁光滑，芯樣完整。

④缺點(diǎn)：實(shí)際施工集中廠拌，細(xì)粒土粘性大，無(wú)法均勻拌和。

方案三

①基層：水泥復(fù)合穩(wěn)定礫類土(3 d齡期鉆芯)。

②配合比：m水泥：m礫類土：m抗疏力劑=6∶100∶0.015。

③基層：水泥復(fù)合穩(wěn)定土(礫類土)，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度4.2 MPa。2019年8月3日試驗(yàn)段鋪筑，2019年8月6日鉆芯取樣，筒壁光滑，芯樣完整。

④優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高于方案一0.8 MPa，成型板結(jié)快，可加快施工進(jìn)度。拌和采用間歇式集中廠拌法，抗疏力劑用量控制方法同水泥混凝土外加劑用量控制相同，鋪筑碾壓施工工藝流程按常規(guī)路面底基層施工設(shè)備及工藝施工，不再贅述。

方案四

①底基層：水泥復(fù)合穩(wěn)定礫類土(3 d齡期鉆芯)。

②配合比：m水泥∶m礫類土∶m抗疏力劑=5∶100∶0.015。

③底基層：水泥復(fù)合穩(wěn)定土，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度3.3 MPa。2019年8月3日試驗(yàn)段鋪筑，2019年8月6日鉆芯取樣，筒壁光滑，芯樣完整。

④優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高于方案二1.1 MPa，成型板結(jié)快，可加快施工進(jìn)度。拌和采用間歇式集中廠拌法，抗疏力劑用量控制方法同水泥混凝土外加劑用量控制相同，鋪筑碾壓施工工藝流程按常規(guī)路面底基層施工設(shè)備及工藝施工。

3.5 分析總結(jié)

(1)不摻配抗疏力劑芯樣表面在碾壓過(guò)程中破碎的頁(yè)巖顆粒容易產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，肉眼可看到表面有一些蜂窩狀孔洞，這種蜂窩狀孔洞的出現(xiàn)，如果在長(zhǎng)期荷載作用下(長(zhǎng)時(shí)間重車通過(guò))易變形，進(jìn)而破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使基層或底基層被壓壞的可能性增大，所以加抗疏力劑的本質(zhì)就在于改善了礫類土中頁(yè)巖與碎石、粘土顆粒的咬合度，形成致密的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。

(2)通過(guò)2019年6月14日、2019年8月3日兩次試驗(yàn)段鋪筑，可發(fā)行方案一、二7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度富裕系數(shù)小，且實(shí)際施工難度大，不利于推廣，方案三、四7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度富裕系數(shù)大，其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓、養(yǎng)生等工序符合現(xiàn)行施工工藝要求，具備現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用條件。

施工工藝見圖1。

圖1 復(fù)合穩(wěn)定礫類土施工工藝流程圖

4 經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益及推廣應(yīng)用的前景

4.1 應(yīng)用實(shí)例及經(jīng)濟(jì)效益

山西省三大板塊忻州市偏關(guān)縣境旅游公路內(nèi)，總里程133.609 km，總投資15.98億元，全線采用三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路面寬7.5 m，設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)層為18 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層，本項(xiàng)目原設(shè)計(jì)路面底基層及基層的碎石用量大約60萬(wàn)m3。2019年通過(guò)試驗(yàn)表明：應(yīng)用復(fù)合穩(wěn)定土技術(shù)底基層混合料方案比設(shè)計(jì)圖方案節(jié)省26.0元，節(jié)約率12.8%，基層混合料方案比設(shè)計(jì)圖方案節(jié)省22.6元，節(jié)約率10.9%。全線水穩(wěn)底基層混合料總用量為174 669.5 m3，基層混合料總用量為230 776.6 m3，均按復(fù)合土方案保守估算可節(jié)約成本底基層174 669.5 m3×26元=454.14萬(wàn)元，基層230 776.6 m3×22.6元=521.56萬(wàn)元，合計(jì)可節(jié)約成本975.7萬(wàn)元，其經(jīng)濟(jì)效益顯著，見表1。

表1 每立方米基層、底基層混合料造價(jià)對(duì)比分析表

原材料說(shuō)明：32.5級(jí)水泥295元/t，碎石115元/m3折合74.2元/t，粗粒土60元/m3折合38.7元/t，固化劑150 000元/t。

4.2 社會(huì)效益

傳統(tǒng)的砂石材料開采占用大量土地，加速水土流失，破壞生態(tài)環(huán)境。本項(xiàng)目棄方經(jīng)過(guò)再加工后用于路面施工，有效的使廢棄資源再利用，既減少了棄方對(duì)土地資源的占用，同時(shí)減少碎石開采數(shù)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)約原生資源，社會(huì)效益顯著。

4.3 推廣應(yīng)用前景

從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)看，抗疏力劑作為新型筑路材料已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，研制、生產(chǎn)、推廣應(yīng)用的步伐持續(xù)加快，為道路工程建設(shè)提供了新的思路。復(fù)合穩(wěn)定無(wú)機(jī)結(jié)合料技術(shù)在本項(xiàng)目工程中廣泛應(yīng)用，不但符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，同時(shí)施工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益顯著，更主要的是對(duì)抗疏力劑這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，可以延伸至石灰穩(wěn)定土、水泥石灰綜合穩(wěn)定土底基層、基層，見表2，由此可見，推廣應(yīng)用前景非常廣闊。

表2 復(fù)合穩(wěn)定土基層、底基層混合料配制比例范圍

5 結(jié)束語(yǔ)

由于公路使用周期長(zhǎng)，并且處在大自然環(huán)境中，因此僅靠對(duì)試驗(yàn)路短期的觀察還不夠，需要通過(guò)研究其內(nèi)部主要礦物含量的變化、晶體形貌的變化和微觀結(jié)構(gòu)的變化來(lái)分析其穩(wěn)定性和耐久性。通過(guò)大量的室內(nèi)、外試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，耐久性是抗疏力劑固化無(wú)機(jī)結(jié)合料的關(guān)鍵。