黃河淤積粉土的兩種復合穩(wěn)定方案與性能對比

樊 亮，周圣杰，侯佳林，王 林

(1.山東省交通科學研究院 基礎研究中心，濟南 250014；2.山東省交通科學研究院 高速公路養(yǎng)護技術交通行業(yè)

重點實驗室，濟南 250014；3.山東省交通科學研究院 山東省新型道路材料及技術工程實驗室，濟南 250014)

1 研究背景

粉土作為一種過渡土，含有大量的粉粒，具有假塑性，毛細現(xiàn)象突出，工程性質(zhì)不良，作為路基填料性能極差[1-2]。尤其是黃河岸邊沖(淤)積而成的粉土，大部分由原生礦物粉粒組成，黏粒和活性二氧化硅、三氧化二鋁成分少，使得水泥、石灰等無機膠結料的膠結能力大為降低[1，3]。如研究者利用二灰(石灰、粉煤灰)穩(wěn)定黃河沖積粉土時，無7 d強度，且28 d的抗凍融性能很差[4-5]；亦有研究認為黏粒含量、塑性指數(shù)對低液限粉土的穩(wěn)定效果有顯著影響，無機結合料穩(wěn)定方式較適宜于黏粒含量高、塑性指數(shù)小的低液限粉土[6]；還有研究提出利用活性激發(fā)材料輔助穩(wěn)定的穩(wěn)定方法[7-8]。在實際工程中，某些地方路網(wǎng)道路甚至采用高達10%的水泥穩(wěn)定土進行基層處理，雖然提高了土體強度，但土體明顯呈脆性特征，在行車荷載作用下，土體結構穩(wěn)定性降低，極易形成反射裂縫。這是傳統(tǒng)無機改良粉土弊端之一。

隨著交通建設規(guī)模的不斷擴大、砂石料資源日趨緊張，科學利用黃泛區(qū)粉土資源已經(jīng)成為一個重要的研究方向；很多研究者和廠家陸續(xù)開發(fā)了一系列的土體固化劑，如離子類、高分子類、生物酶類等。但研究和實踐證明，大部分固化劑的普適性不足，在對土體穩(wěn)定方面要求一定黏粒含量的存在。如離子型固化劑產(chǎn)品通常適用黏粒含量大于20%或30%的土體，不同土質(zhì)存在最優(yōu)級配要求；高分子類固化劑產(chǎn)品要求25%的黏土含量或者黏土含量高的軟土、高液限土；生物酶類固化劑適用于黏土和亞黏土[9-11]。很多市售固化劑對粉土的固化能力是有限的，且處理價格偏高。另有研究者提出利用瀝青[12-14]、乳化瀝青提高粉土的穩(wěn)定性[9、12]，雖然粉土的水穩(wěn)定性有了很大的提高，但是土體強度仍由無機膠凝材料決定；且施工難度大，相應的施工機械計量、撒布和拌和能力受限，目前仍停留在試驗階段。

粉土地區(qū)的大多數(shù)路基破壞由變形引起，路基強度和水穩(wěn)性是變形的關鍵影響因素[15]。任何固化劑的開發(fā)均應以提高粉土路基的強度和水穩(wěn)定性為最終目的。基于此，本文針對濟南黃河北岸的淤積粉土，開發(fā)了一類無機/有機復合膠凝型的粉土用復合固化劑(簡稱FG固化劑)，由無機膠凝材料、多元激發(fā)劑和高分子材料優(yōu)化配置而成。本文就FG固化劑帶來的粉土穩(wěn)定特性進行評價、表征，以期為粉土資源利用和道路建設提供科學的選用方案，為廣大研究者和實踐者提供參考。

2 材料與試驗

2.1 粉 土

粉土樣品：以德州齊河表白寺(36.85°N，116.93°E)的路表20 cm下土為試驗用土，該土主要為低液限含砂粉土，并含有一部分低液限黏土成分，表1為粉土的液塑限、最佳含水率、最大干密度、粒徑組成等物理指標。表1表明，粉土樣品的不均勻系數(shù)為3，曲率系數(shù)為1.33，屬級配不良土。

表1 粉土樣品的物理指標Table 1 Physical indexes of silty soil

2.2 固化方案

從強度和水穩(wěn)定性要求出發(fā)，設計2個試驗方案進行粉土的穩(wěn)定和效果對比。

方案1：采用FG固化劑和水泥復合穩(wěn)定粉土，下稱“FG方案”。基于室內(nèi)優(yōu)化，采用干土質(zhì)量3%的FG固化劑與3%的水泥進行復合穩(wěn)定粉土(下稱“FG穩(wěn)定土”)；其中FG固化劑為干燥粉末，與水泥進行預拌和后，與干燥粉土進行均勻拌和，加入適量比例的水，制作試件。圖1為FG穩(wěn)定土和粉土的擊實曲線。圖1表明，F(xiàn)G方案與粉土擊實得到的最佳含水率基本相同，最大干密度則大大提高。

圖1 土的擊實曲線Fig.1 Compaction curves of soil specimens

方案2：采用乳化瀝青和水泥復合穩(wěn)定粉土，下稱“AE方案”?；谝延醒芯拷Y果[9]，采用乳化瀝青和低劑量的水泥進行復合穩(wěn)定粉土(下稱“AE穩(wěn)定土”)，其中乳化瀝青為陰離子型乳化瀝青，系試驗室自制，乳化瀝青的固含量(乳化瀝青中除水之外的固體含量)為40%，采用劑量為干土質(zhì)量的14%；水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，劑量為干土質(zhì)量3%。由于乳化瀝青中含水量占干土質(zhì)量的8.4%，需要額外增加3.6%的自來水，以達到土最佳含水率的要求。

2.3 試驗方法

2.3.1 試件成型

參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中的T0843方法[16]，制作Φ50 mm×50 mm的圓柱形試件，壓實度控制為95%，套袋室溫養(yǎng)生，用于進行無側限抗壓強度和凍融試驗。

2.3.2 無側限抗壓強度

參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中的T0805方法[16]，對試件進行3 d、7 d、28 d的無側限抗壓強度測試；對各養(yǎng)生期最后一天的試件進行1 d的浸水，測試飽水狀態(tài)下的抗壓強度。水穩(wěn)系數(shù)=飽水抗壓強度/室溫抗壓強度。

2.3.3 凍融試驗

參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中的T0858方法[16]。對28 d的穩(wěn)定土試件進行凍融循環(huán)試驗；其中低溫條件為(-18±1)℃，凍結16 h；水融條件為(20±1)℃，融化8 h；循環(huán)5次。測試凍融后的試件抗壓強度和飽水試件質(zhì)量變化。

試件在每次凍融循環(huán)后，由于吸附水和體積膨脹的因素，試件質(zhì)量會發(fā)生變化，本文引入質(zhì)量變化倍率(Rn)和質(zhì)量變化率(Wn)共同表征試件的抗凍性。計算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Rn為n次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量變化倍率；Wn為n次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量變化率(%)；m0為凍融循環(huán)前試件的質(zhì)量(g)；mn為n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量(g)。

2.3.4 大型試模與動力錐貫入(Dynamic Cone Penetration Test，DCP)試驗

制備長×寬×高=4 m×1.5 m×0.25 m的木質(zhì)試槽，利用22 t鋼輪壓路機進行碾壓，控制壓實度為95%；上覆40%固含量的陰離子乳化瀝青進行土體養(yǎng)生。自然養(yǎng)生14 d后，按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG 3450—2019)中的T0945方法[17]，進行動力錐貫入試驗。根據(jù)貫入度計算穩(wěn)定土的加州承載比 (California Bearing Ratio,CBR)值、回彈模量、無側限抗壓強度等，以評價其承載能力。

2.3.5 取芯試件及回彈模量試驗

利用Φ150 mm的大取芯機進行試槽土體的取芯，為14 d芯樣。圖2為AE方案、FG方案下的穩(wěn)定土芯樣。參照《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2017)中附錄E方法[18]進行芯樣處理和測試，獲取芯樣試件的回彈模量。限于試槽面積，2種穩(wěn)定土均僅取了3個芯樣試件。

圖2 試槽14 d芯樣Fig.2 Core samples at 14 d age

2.3.6 微觀表征

對FG固化劑、粉土、穩(wěn)定土進行XRD衍射和SEM掃描電鏡表征，由山東科技大學材料學院完成。

3 結果與分析

3.1 強度特點

圖3為FG穩(wěn)定土、AE穩(wěn)定土的無側限抗壓強度與養(yǎng)生時間的關系曲線。圖3表明，F(xiàn)G穩(wěn)定土較AE穩(wěn)定土有著更高的無側限抗壓強度，3 d抗壓強度>1 MPa，且隨著養(yǎng)生時間的增長，28 d抗壓強度增長到1.6 MPa以上；AE穩(wěn)定土的無側限抗壓強度也隨著時間增長，但其28 d抗壓強度僅在0.6 MPa左右，小于FG穩(wěn)定土的抗壓強度。由于2種方案均采用了3%的水泥參與穩(wěn)定，這種抗壓強度增長的差異顯然是FG固化劑和乳化瀝青帶來的差別。

圖3 無側限抗壓強度與養(yǎng)生天數(shù)的關系Fig.3 Development of unconfined compressive strength

大型試模在養(yǎng)生14 d后，進行現(xiàn)場取芯。由圖2可以看出，2種穩(wěn)定方案均能得到完整芯樣、致密結實，尤其是FG穩(wěn)定土硬度更大。圖4為6個芯樣的回彈模量對比，表明FG穩(wěn)定土的回彈模量遠遠大于AE穩(wěn)定土的回彈模量，前者3個樣品回彈模量在1 700～4 300 MPa之間，平均值為3 327 MPa；而AE穩(wěn)定土的回彈模量在100～300 MPa之間，平均值為210 MPa。

圖4 芯樣的回彈模量Fig.4 Resilient modulus of core samples

根據(jù)試模土體的DCP結果，得到貫入深度與錘擊次數(shù)的關系曲線(圖5)，該曲線直接反映出FG穩(wěn)定土的承載能力遠大于AE穩(wěn)定土的承載能力。結合文獻中的經(jīng)驗公式[19]，計算得到穩(wěn)定土的CBR、計算回彈模量與無側限抗壓強度。表2列出了2種穩(wěn)定土的DCP數(shù)據(jù)的計算結果，結果表明，F(xiàn)G穩(wěn)定土的CBR值和UCS值為AE穩(wěn)定土的CBR值和UCS值的2倍以上，承載能力優(yōu)勢明顯。

圖5 DCP貫入深度曲線Fig.5 Curves of DCP penetration depth

表2 2種穩(wěn)定土DCP計算結果Table 2 DCP calculation results of soil specimens stabilized by two agents

3.2 水穩(wěn)定性與抗凍融能力

水穩(wěn)定性是粉土穩(wěn)定中的關鍵性質(zhì)。一般的低劑量水泥土、石灰穩(wěn)定粉土很難成型，強度很低[19]；且遇水容易崩解，水穩(wěn)定性很差，其水穩(wěn)系數(shù)多在0.3左右[9，20 ]。AE穩(wěn)定土可以提高穩(wěn)定土的水穩(wěn)系數(shù)，在本次2個方案對比中也體現(xiàn)出了優(yōu)勢。

圖6為2種穩(wěn)定土的水穩(wěn)定系數(shù)與養(yǎng)生時間的關系曲線。圖6 表明，AE穩(wěn)定土在3 d時的水穩(wěn)系數(shù)接近0.9，大于FG穩(wěn)定土水穩(wěn)系數(shù)0.728；但是隨著養(yǎng)生時間的增長，水穩(wěn)系數(shù)有所降低，7 d之后的水穩(wěn)系數(shù)變化幅度趨于穩(wěn)定，遠小于0～7 d的變化。因此，對于2種方案的穩(wěn)定土，7 d的養(yǎng)生是保障水穩(wěn)定性的必要條件。

圖6 2種穩(wěn)定土的水穩(wěn)系數(shù)變化Fig.6 Change of moisture stability coefficient of soils stabilized by two agents

土的凍融試驗采用的是無結合料穩(wěn)定材料的抗凍性評價方法，以28 d齡期的穩(wěn)定土經(jīng)過5個凍融循環(huán)后的飽水無側限抗壓強度與凍前飽水無側限抗壓強度之比來評價。圖7為2種方案穩(wěn)定土在每次凍融循環(huán)后的樣品狀態(tài)，圖8為穩(wěn)定土每次凍融循環(huán)后的質(zhì)量倍率變化。

圖7 穩(wěn)定土凍融試驗過程圖片F(xiàn)ig.7 Pictures of freeze-thaw test process of soils stabilized by two agents

圖8 凍融循環(huán)試件質(zhì)量變化倍率Fig.8 Mass change curves of soils stabilized by two agents in the process of freeze-thaw cycles

圖7表明在3次循環(huán)以后，AE穩(wěn)定土試件出現(xiàn)浸泡發(fā)脹的現(xiàn)象，表面顆粒變得疏松，出現(xiàn)裂縫；而FG穩(wěn)定土則表現(xiàn)相對穩(wěn)定，在第4次循環(huán)后才出現(xiàn)表面損傷和微細裂縫。

從圖8(a)可以看出，F(xiàn)G穩(wěn)定土試件盡管吸水，但其質(zhì)量變化倍率保持在1.02以下，試件凍融帶來的結構性破壞不至于快速發(fā)展；而圖8(b)中AE穩(wěn)定土的質(zhì)量變化倍率相對單調(diào)增長，4次循環(huán)后，質(zhì)量變化倍率>1.02，容易導致試件結構性整體性破壞。最終5次循環(huán)后，AE方案和FG方案的質(zhì)量變化率[16](W5)分別為-2.24%、-1.02%，說明FG方案為粉土提供了更好的抗凍性。

圖9所示的凍融試件無側限抗壓強度表明，F(xiàn)G穩(wěn)定土在5次凍融循環(huán)之后，仍能保留0.854 MPa的抗壓強度，相對于未凍融試件，凍融前后抗壓強度比(Bearing Damage Ratio，簡寫B(tài)DR)為51.2%；而此時的AE穩(wěn)定土僅能保留0.247 MPa的抗壓強度，試件顆粒斑駁，靠土體中的瀝青顆粒粘結維持，BDR為38.6%。結合試件質(zhì)量變化情況，可以說明FG固化劑的穩(wěn)定方案在抗凍融能力上有著比乳化瀝青的抗凍融能力更好的效果。

圖9 凍融后無側限抗壓強度Fig.9 Unconfined compressive strength after freezing and thawing

3.3 穩(wěn)定機理探討

根據(jù)上文所述，從抗壓強度和水穩(wěn)定性上，2種方案均能形成較好的粉土穩(wěn)定效果；特別是 FG穩(wěn)定土在抗壓強度、抗凍性方面比AE穩(wěn)定土的抗壓強度、抗凍性更佳，在北方寒冷地區(qū)、公路路基和低等級道路的簡易罩面中有著潛在應用的優(yōu)勢。兩者的區(qū)別與各自材料組成、土體中的分布狀態(tài)和穩(wěn)定機制緊密相關。

3.3.1 AE穩(wěn)定土

采用乳化瀝青在土壤處理中的應用很早，早期美國、長沙理工大學、長安大學等機構都做了相關瀝青土的研究；在農(nóng)業(yè)中乳化瀝青作為土壤改良劑，起到防止水土流失、改善土壤水熱情況、保溫增墑、提高肥效的作用，被稱為液態(tài)地膜[21-22]。這些文獻中，基本上均將乳化瀝青改善土體的結構作為土壤穩(wěn)定的機理。粉土中由于不易形成團粒，乳化瀝青的加入可以維持土壤顆粒中水分平衡，瀝青顆粒提高土體顆粒之間的粘結性有利于團粒的形成，為土體提供了一定比例的瀝青膠凝結構，從而達到穩(wěn)定土體和提高水穩(wěn)定性的效果。對水泥穩(wěn)定土、粉煤灰穩(wěn)定土，乳化瀝青土有著更佳的水穩(wěn)定性[9]。

AE穩(wěn)定土的問題在于瀝青的分布程度。圖10為AE穩(wěn)定土試件內(nèi)部狀態(tài)，可以看出其中的瀝青分散性有限，仍保留一部分水泥穩(wěn)定原土比例。正是這些原土部分在凍融循環(huán)過程中，發(fā)生軟化，吸水量大(質(zhì)量變化倍率升高)，造成了穩(wěn)定土的結構性失穩(wěn)，試件飽水抗壓強度大幅度衰減，容易發(fā)生凍融破壞。這是AE穩(wěn)定土凍融循環(huán)試驗中質(zhì)量變化大(吸水)、凍融后抗壓強度低的主要原因。總體而言，AE穩(wěn)定土主要靠瀝青的粘結提供初期穩(wěn)定和水穩(wěn)定性，在水泥水化、瀝青浸潤分散以及荷載作用的長期過程后，才會具有一定抗壓強度、穩(wěn)定性、耐磨性和柔韌性，最終形成穩(wěn)定的瀝青土路面材料[12]。

圖10 瀝青在土中的分布Fig.10 Distribution of asphalt in soil

3.3.2 FG穩(wěn)定土

與AE穩(wěn)定土相比，F(xiàn)G穩(wěn)定土的抗壓強度更高，抗凍性更好，飽水抗壓強度仍能保持在0.8 MPa以上，雖然其水穩(wěn)定系數(shù)相對較低，但仍>0.5，高于普通水泥、石灰穩(wěn)定的低液限含砂粉土的水穩(wěn)定系數(shù)。究其原因，應為固化劑的復合膠凝效應和填充增強效應所致。

FG穩(wěn)定土的機制主要源于FG固化劑的材料組成。圖11表明FG固化劑中含明結晶態(tài)物質(zhì)和玻璃態(tài)物質(zhì)，前者在2θ=20°、34°衍射位置處出現(xiàn)顯著的特征峰，為結晶態(tài)高分子材料；后者無顯著特征峰出現(xiàn)，呈現(xiàn)玻璃態(tài)衍射特征，提高了整個XRD衍射圖譜的衍射基線。

圖11 FG固化劑XRD衍射圖譜Fig.11 XRD diffraction pattern of FG curing agent

正是由于無定形和玻璃態(tài)礦物質(zhì)的存在，為粉土體系提供了活性組成。一方面在激發(fā)劑的作用下可以形成復合膠凝效應，另一方面未反應的物質(zhì)顆粒起到填充增強、改善粉土級配的作用。這些作用可以為粉土提供良好的抗壓強度特性。同時，高分子結晶物質(zhì)常態(tài)下容易與粉土顆粒混合，而吸收水分后則能成膜、包覆土體顆粒表面，起到粘結、吸附自由水的功能，大大提高了土體的耐水能力。

在圖12的掃描電鏡圖中，粉土在2～5 μm比例尺，呈片狀顆粒，表面光滑，界面明顯(圖12(a)、圖12(b))；而FG穩(wěn)定土在1～2 μm比例尺下，固化劑中的高分子材料成膜、粘結顆粒界面，填塞部分空隙(圖12(c))，降低了內(nèi)部孔隙率；同時，土顆粒表面由于膠凝作用形成新的物質(zhì)，呈團簇顆粒狀(圖12(d))，與未反應物料起到了填充增強效果。兩因素造成了FG固化劑穩(wěn)定土的密度變大，最大干密度達到1.84 g/cm3。

圖12 黃河粉土與FG穩(wěn)定土的SEM圖像Fig.12 SEM images of Yellow River silty soil and FG stabilized soil

由于FG固化劑含量較低，3%固化劑和水泥摻入，并沒有在圖13所示的XRD衍射圖譜中明顯示出新的物相成分，其主要特征峰仍為石英、方解石、長石和云母等。這一點需要進一步分析。但不管如何，F(xiàn)G穩(wěn)定土與乳化瀝青穩(wěn)定土具有不同的穩(wěn)定機制。

圖13 粉土與FG穩(wěn)定土的XRD圖片F(xiàn)ig.13 XRD spectra of Yellow River silty soil and FG stabilized soil

4 結 論

本文針對黃河淤積粉土采用無機/有機復合材料制備固化劑進行穩(wěn)定，對比研究了2種穩(wěn)定方案的特點，探討了黃河淤積粉土的穩(wěn)定機理，主要得到如下結論。

(1)針對黃河淤積粉土，研制的FG固化劑可以顯著、有效提高粉土的無側限抗壓強度、回彈模量和承載能力，其水穩(wěn)定性良好；無側限抗壓強度>1 MPa，水穩(wěn)系數(shù)>0.5。

(2)FG固化劑在抗凍融能力上有著比乳化瀝青的抗凍融能力更好的效果。FG穩(wěn)定土在5次凍融循環(huán)之后，仍能保留0.854 MPa的抗壓強度，BDR為51.2%，質(zhì)量變化率W5為-1.02%；而此時的AE穩(wěn)定土僅能保留0.247 MPa的抗壓強度，試件顆粒斑駁，靠土體中的瀝青顆粒粘結維持，抗壓強度保持率BDR為38.6%，質(zhì)量變化率W5為-2.24%。

(3)XRD與SEM分析表明，由于FG固化劑提供了活性礦物質(zhì)，其復合膠凝效應和填充增強保障了FG穩(wěn)定土的抗壓強度；高分子物質(zhì)起到粘結顆粒界面、填塞孔隙的作用，降低了內(nèi)部空隙率；兩者使用土體的最大干密度變大；體現(xiàn)出與AE穩(wěn)定土不同的穩(wěn)定機理。

FG穩(wěn)定土其他物理特性包括干縮、疲勞性能等還有待于進一步研究。