復(fù)合改良劑對(duì)公路路基分散性土改良效果研究

劉國(guó)梁

(長(zhǎng)沙市西工建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

分散性土是一種在低含鹽量水中由于離子相互間排斥力超過(guò)吸引力，導(dǎo)致土體顆粒分散的黏性土。其抗水蝕能力很低，是近年來(lái)巖土工程界比較關(guān)注的特殊土類之一，在中國(guó)黑龍江、廣西、新疆、江蘇、山東、河南、青海等10多個(gè)省(自治區(qū))均有分布。分散性土含有較多的Na+，Na+促使土顆粒周圍雙電層水膜厚度增加，土顆粒間吸引力減小，一旦與水接觸，呈團(tuán)聚體狀態(tài)存在的土顆粒體會(huì)全部或大部分彼此分離成松散狀細(xì)粒，所以采用分散性土作為填料的公路路基，很容易受到水流的沖刷、侵蝕，從而造成路基水毀。

分散性土的處治研究始于20世紀(jì)50年代的澳大利亞和美國(guó)，一般采用石灰、粉煤灰、水泥等進(jìn)行土性改良，這些無(wú)機(jī)結(jié)合料摻入土體后，通過(guò)水解水化反應(yīng)、陽(yáng)離子交換反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)，可以有效地改善分散性土的工程特性。例如，Kumar發(fā)現(xiàn)加入熟石灰Ca(OH)2可以顯著提高分散性土的強(qiáng)度，并降低其塑性，減少黏粒含量，增加土中粗顆粒的占比；Maharaj對(duì)南非分散性土的石灰處治效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摻入石灰可以降低分散性土道路路堤發(fā)生管涌、沖溝等病害的機(jī)率。中國(guó)研究人員對(duì)于石灰改良分散性土也做了一定研究工作：王文健等對(duì)南引水庫(kù)強(qiáng)分散性土摻入4%的石灰進(jìn)行改良，并采用反濾層保護(hù)分散性土；劉杰對(duì)均質(zhì)土壩中的分散性土摻入2%～3%石灰進(jìn)行改良；高明霞等對(duì)南坪水庫(kù)筑壩土料摻入1%～2%熟石灰，以改善分散性；李華鑾等對(duì)大屯水庫(kù)的分散性土料進(jìn)行改性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)石灰劑量達(dá)到1.5%時(shí)，改性效果最佳。目前來(lái)看，中國(guó)針對(duì)分散性土的研究大多是從水利水電、環(huán)保、農(nóng)業(yè)的角度出發(fā)，所分析的指標(biāo)也往往來(lái)自這些領(lǐng)域，實(shí)際上，在公路建設(shè)領(lǐng)域也會(huì)面臨分散性土的問(wèn)題，但目前從公路工程指標(biāo)角度出發(fā)開(kāi)展的路基分散性土改良研究工作報(bào)道較少，參考依據(jù)不足。

土體誘發(fā)發(fā)散性的原因可分為物理性原因和化學(xué)性原因，前者在于土體中缺乏膠結(jié)物，后者在于土體中含有較多的Na+。該文從上述機(jī)理及公路工程路基土指標(biāo)出發(fā)，提出采用石灰+三氯乙酸+聚丙烯酰胺配比形成復(fù)合改良劑，對(duì)某公路路基分散性土進(jìn)行改良，獲取復(fù)合改良劑降低分散度的規(guī)律，分析復(fù)合改良劑中石灰摻量對(duì)界限含水率、壓實(shí)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR等指標(biāo)的影響，最終通過(guò)試驗(yàn)段填筑及觀測(cè)，驗(yàn)證復(fù)合改良劑改良的有效性和可行性，為路基分散性土改良應(yīng)用提供必要支撐依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)采用的分散性土來(lái)自某公路路基現(xiàn)場(chǎng)，該分散性土在干燥狀態(tài)下具有足夠的強(qiáng)度，但是浸水后強(qiáng)度迅速衰減，附近地區(qū)的路面頻繁出現(xiàn)因路基不均勻變形造成的裂縫。試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 分散性土的基本物理性質(zhì)

通過(guò)兩次比重計(jì)試驗(yàn)測(cè)定土樣中的黏粒(<0.005 mm)含量，第1次按標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)試驗(yàn)方法進(jìn)行，加分散劑、煮沸、攪拌；第2次不加分散劑，讓黏土顆粒自行水化分散。不加分散劑試驗(yàn)黏粒(<0.005 mm)含量占常規(guī)試驗(yàn)加分散劑試驗(yàn)黏粒含量的百分?jǐn)?shù)，即為分散度，分散度越大，表明土體趨于分散的程度越高。其中分散度小于30%，則為非分散性土，分散度為30%～50%，則為過(guò)渡性土，若大于50%，則為分散性土。圖1為試驗(yàn)用土的測(cè)試結(jié)果，由圖1可知：試驗(yàn)用土的分散度約為69.2%，屬于分散性土。

圖1 雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 復(fù)合改良劑

改良劑采用生石灰(CaO)、三氯乙酸(99.9%純度)和聚丙烯酰胺，其中生石灰呈白色塊狀，將其進(jìn)行粉碎、消解，形成熟石灰[CaO(OH)2]，三氯乙酸為無(wú)色結(jié)晶，有刺激性氣味，聚丙烯酰胺呈白色粉狀。

在分散性土改性劑的原材料中，石灰和三氯乙酸主要針對(duì)化學(xué)性分散性土有效，聚丙烯酰胺主要針對(duì)物理性分散性土有效，因此，復(fù)合改性劑可進(jìn)行配方的調(diào)整，使之達(dá)到較好的改良效果。參考文獻(xiàn)[12]，三氯乙酸和聚丙烯酰胺摻量(與原土質(zhì)量比)采用0.8%和0.2%，而石灰摻量為3%、5%、7%、9%共4種方案。

2 改良對(duì)降低分散度的效果分析

改良時(shí)將復(fù)合改良劑與天然含水率下的分散性土拌和均勻，在恒溫恒濕條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。分散度(7 d養(yǎng)護(hù))隨復(fù)合改良劑中石灰摻量的變化如圖2所示。

圖2 分散度隨復(fù)合改良劑中石灰摻量的變化

由圖2可以看出：隨著石灰摻量的增加，分散度從69.2%降低為42.6%，但減小速率逐漸放緩。當(dāng)復(fù)合改良劑中石灰摻量超過(guò)5%時(shí)，分散度<50%，改良土已經(jīng)不屬于分散性土的范疇。

圖3為分散度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化。

圖3 分散度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系

由圖3可以看出：養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，改良土的分散度越低，而且復(fù)合改良劑中石灰摻量越大，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的效果越明顯。

3 改良對(duì)分散性土工程性質(zhì)的影響

對(duì)改良土進(jìn)一步開(kāi)展界限含水率試驗(yàn)、壓實(shí)度試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、UCS試驗(yàn)等，均參照J(rèn)TG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》、JTG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行。

3.1 界限含水率

圖4為改良分散性土界限含水率與復(fù)合改良劑中石灰摻量的關(guān)系(7 d養(yǎng)護(hù))。

圖4 界限含水率隨石灰摻量的變化(7 d養(yǎng)護(hù))

由圖4可以看出：當(dāng)復(fù)合改良劑中不含石灰時(shí)，改良土液限為75.8%，僅比素土液限(78.98%)有小幅下降，當(dāng)石灰摻量由3%增加至9%時(shí)，液限和塑性指數(shù)有所下降，但是塑限卻略微增加，尤其當(dāng)石灰摻量從5%增加至7%時(shí)，塑性指數(shù)大幅下降8.22%。

圖5為改良分散性土界限含水率與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系(7%石灰摻量)。由圖5可以看出：養(yǎng)護(hù)第5～7 d，液限、塑限、塑性指數(shù)下降速率最大。

綜合圖4、5可知：在復(fù)合改良劑中增加石灰摻量有助于降低分散性土的液限，并略微增加其塑限，進(jìn)而降低塑性指數(shù)，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過(guò)7 d后降低效果更加明顯。

圖5 界限含水率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化(7%石灰摻量)

3.2 壓實(shí)度

圖6為擊實(shí)曲線隨復(fù)合改良劑中石灰摻量的變化(7 d養(yǎng)護(hù))，采用的是輕型擊實(shí)試驗(yàn)。由圖6可以看出：在7 d的養(yǎng)護(hù)期下，當(dāng)石灰摻量從0%增加至9%時(shí)，擊實(shí)曲線逐漸向右下方偏移，最佳含水率從22.80%增加到30.23%，而最大干密度從1.63 g/cm3降低至1.50 g/cm3。對(duì)該工程而言，所處地區(qū)分散性土的天然含水率往往高于最佳含水率，經(jīng)過(guò)改良后，最佳含水率提高，意味著可以減短路基壓實(shí)前的翻曬時(shí)間。

圖6 擊實(shí)曲線隨石灰摻量的變化

3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)

圖7為改良土UCS與復(fù)合改良劑中石灰摻量的關(guān)系，其中含水率為圖6中各摻量下的最佳含水率，壓實(shí)度為93%。

圖7 不同石灰摻量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間下分散性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖7可以看出：① 石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間都會(huì)對(duì)UCS產(chǎn)生明顯的影響，當(dāng)石灰摻量從0%增加至9%時(shí)，5、7、14 d養(yǎng)護(hù)條件下UCS分別增長(zhǎng)了62%、95%、135%，尤其當(dāng)石灰摻量>7%后，UCS提升更加明顯；② 石灰摻量越大，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間帶來(lái)的益處越顯著，當(dāng)石灰摻量為9%時(shí)，相對(duì)5 d養(yǎng)護(hù)，7、14 d養(yǎng)護(hù)UCS可以提升20.4%和45.1%。

3.4 CBR與膨脹率

表2為飽和改良土CBR值和膨脹率的變化，壓實(shí)度為93%。

表2 CBR和膨脹率的變化

由表2可以看出：復(fù)合改良劑既提高了CBR又降低了膨脹率，隨著石灰摻量從0%增加至9%，7 d養(yǎng)護(hù)條件下CBR從2.80%增加到了4.98%，14 d養(yǎng)護(hù)條件下，CBR從2.80%增加到了5.73%。當(dāng)復(fù)合改良劑中石灰摻量超過(guò)7%時(shí)，改良土的CBR可以達(dá)到上路堤的填筑要求(>4%)。

4 復(fù)合改良劑機(jī)理分析

根據(jù)復(fù)合改良劑的成分，對(duì)分散性土進(jìn)行改良的機(jī)理主要有以下3個(gè)方面。

(1) 離子交換機(jī)理

由于分散性土中大量Na+促使土顆粒周圍雙電層水膜厚度增加，土顆粒間吸引力減小，這是導(dǎo)致土出現(xiàn)分散性的主要原因；溶液中離子的交換能力主要取決于離子的化合價(jià)數(shù)和離子水化半徑，溶液陽(yáng)離子交換能力的順序如下：Fe3+>Al3+>H+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。復(fù)合改良劑可以提供大量的Ca2+來(lái)置換土顆粒吸附的Na+，土顆粒之間的雙電層厚度減小，土粒間的吸引力增大，分散性減弱。

(2) 酸堿度改性機(jī)理

分散性土顆粒表面的羥基具有一定的分解趨勢(shì)：SiOH→SiO-+H+，該反應(yīng)受到pH值的強(qiáng)烈影響。若反應(yīng)環(huán)境的堿性增大，將促進(jìn)上述化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，凈負(fù)電荷數(shù)SiO-增加，雙電層變厚，土顆粒分散；反之，若酸性增大，將抑制上述反應(yīng)的進(jìn)行，凈負(fù)電荷數(shù)減少，雙電層厚度變薄，分散性減弱。復(fù)合改良劑中酸性Cl3CCOOH可以抑制羥基的分解，其水解產(chǎn)生的H+可進(jìn)一步與石灰中含有的CaCO3反應(yīng)，進(jìn)一步增加Ca2+含量，促進(jìn)離子交換?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下：

Cl3CCOOH→Cl3CCOO-+H+

2H++CaCO3→Ca2++H2O+CO2↑

(3) 絮凝機(jī)制

聚丙烯酰胺(PAM)是由丙烯酰胺(AM)單體經(jīng)自由基引發(fā)聚合而成的水溶性線性高分子聚合物，PAM 溶于水形成膠狀體，通過(guò)黏結(jié)促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成，使得土顆粒間的黏結(jié)力大大增加，改善了土體原本遇水分散的特性。

5 試驗(yàn)段改良土填筑效果

現(xiàn)場(chǎng)修筑了200 m長(zhǎng)的試驗(yàn)段以驗(yàn)證復(fù)合改良劑的效果，其中100 m(試驗(yàn)段A)采用5%CaO+0.8%三氯乙酸+0.2%聚丙烯酰胺方案，另100 m(試驗(yàn)段B)采用7%CaO+0.8%三氯乙酸+0.2%聚丙烯酰胺方案，改良路基層主要針對(duì)路堤層。填筑流程如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段施工工藝流程

路基填筑完成后，沿線路縱向設(shè)置了①、②兩個(gè)剖面，剖面①上的測(cè)點(diǎn)1、2、3分別位于非試驗(yàn)段、試驗(yàn)段A、試驗(yàn)段B，剖面②上的測(cè)點(diǎn)4、5、6布置方式與此相同。沉降板埋設(shè)于路堤層頂面，圖9為沉降觀測(cè)曲線。

由圖9可知：非試驗(yàn)路段測(cè)點(diǎn)1和4的最大沉降達(dá)到了34.89和37.86 mm，其中觀測(cè)第85～95 d期間，現(xiàn)場(chǎng)有降雨，由于地下水位上升和雨水入滲作用，路基土含水率快速提升，結(jié)構(gòu)趨于松散、軟化，在此期間沉降量急劇增加；而對(duì)于復(fù)合改良劑改良試驗(yàn)段，沉降明顯減小，例如對(duì)于試驗(yàn)段B，復(fù)合改良劑中石灰摻量達(dá)到7%，最大沉降為10 mm左右，而且在第85～95 d的降雨期沉降沒(méi)有發(fā)生“陡增”。根據(jù)3個(gè)多月的觀測(cè)結(jié)果可知，通過(guò)復(fù)合改良劑改良，分散性土路基的變形沉降在一定程度上得到了控制，水穩(wěn)定性也明顯改善，路基質(zhì)量有所提高。

圖9 沉降觀測(cè)曲線

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)分散性土中摻加復(fù)合改良劑進(jìn)行研究，可得如下結(jié)論：

(1) 復(fù)合改良劑可通過(guò)離子交換、酸堿度改性、絮凝等作用改善分散性土的工程性質(zhì)。對(duì)于分散性土，復(fù)合改良劑中石灰摻量越大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，改良土的分散度越低。

(2) 在復(fù)合改良劑中增加石灰摻量有助于降低分散性土的液限和塑性指數(shù)，而且養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到7 d以上后降低效果更加明顯。

(3) 經(jīng)過(guò)復(fù)合改良劑改良后，分散性土的最佳含水率提高，最大干密度降低，該工程分散性土的天然含水率往往高于最佳含水率，意味著通過(guò)復(fù)合改良劑改良可以減短路基壓實(shí)前的翻曬時(shí)間。

(4) 通過(guò)復(fù)合改良劑改良可以有效提高分散性土的UCS和CBR，同時(shí)降低膨脹性。綜合考慮分散性土改良后各指標(biāo)的變化以及試驗(yàn)段沉降觀測(cè)結(jié)果，對(duì)于該工程，建議復(fù)合改良劑的配比為7%CaO+0.8%三氯乙酸+0.2%聚丙烯酰胺，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)保持在7 d以上。