EFS固化不同土質(zhì)道路基層水穩(wěn)定性與經(jīng)濟性研究*

丁永明，張春東，苗 華，姚 勇，陳代果

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

傳統(tǒng)道路工程建設(shè)中多采用石灰、水泥、工業(yè)礦渣、砂及其混合物改良土壤，但當?shù)缆坊鶎咏Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞時，會導(dǎo)致基層出現(xiàn)凹槽、低洼等情況，影響道路工程質(zhì)量。近年來，國內(nèi)外越來越重視道路基層強度、滲透性、耐久性等性能，對土壤固化劑的研究日益增加[1-3]。周偉等[4]通過添加水泥基固化材料對淤泥進行固化處理，研究表明淤泥經(jīng)過水泥基固化處理后可作為路基填料，解決疏浚工程底泥資源化利用問題。徐洪華等[5]采用泡沫輕質(zhì)土作為路基填料，針對珠澳口岸人工島路基泡沫輕質(zhì)土設(shè)計要求，利用正交試驗得出滿足設(shè)計要求的泡沫輕質(zhì)土配合比。程勝偉等[6]采用生石灰對濕軟填土進行處理，并進行現(xiàn)場填筑碾壓試驗，得到不同天然含水率下的生石灰摻量范圍，對現(xiàn)場施工進行了有效指導(dǎo)。隨著環(huán)保力度的加大，對石料、河砂、山砂等自然資源的開采進行嚴格限制，土壤固化劑作為道路基層建設(shè)材料，是易得、環(huán)保、經(jīng)濟實用的替代材料，具有現(xiàn)實意義[7-9]。

土壤固化劑可穩(wěn)定土壤中的水，使土壤更易于壓實，可形成整體結(jié)構(gòu)，提高土壤穩(wěn)定性與強度，確保道路基層堅固、穩(wěn)定，有效延長道路壽命，節(jié)省后期維修成本，減輕養(yǎng)護壓力，提高綜合效益[10-12]。EFS土壤固化劑作為新型固化施工材料，具有用量少、強度高、施工速度快、施工工藝簡單等特點，可節(jié)省傳統(tǒng)建筑材料用量，適用于道路工程、場地硬化工程、廢棄物處理工程等[13]。在實際應(yīng)用過程中，基料選擇、固化材料摻料及摻量不同會產(chǎn)生不同的基層固化效果。因此，本文以黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土為基料，加入EFS土壤固化劑，設(shè)計固化配合比方案，通過水穩(wěn)定性試驗研究，結(jié)合經(jīng)濟性分析，尋求適合道路基層填料的土質(zhì)，以期提出施工建議，為道路基層固化研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 土樣采集

本試驗采集不同性質(zhì)的4類土體，分別為黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土，如圖1所示。參考SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》和JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》有關(guān)要求，采用烘干法分別對4類土體進行了天然含水率檢測，結(jié)果表明黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土天然含水率分別為4.60%，0.18%，7.08%，7.97%。采用液、塑限聯(lián)合測定法對4類土體液、塑限進行了檢測，結(jié)果如表1所示。

圖1 4類土體現(xiàn)場取樣

表1 4種土體液、塑限檢測結(jié)果

EFS土壤固化劑作用于土體后，可大幅度提高土體水穩(wěn)定性，改變土體親水性能，同時增強土體抗壓、抗折強度及抗?jié)B透能力，該固化劑屬于有機類固化劑，醬黑色液體，安全無污染[14-15]，經(jīng)檢測，固化劑含固量為32.78%，密度為1.15g/mL，pH值為8.16，呈堿性，加入拌合水混合均勻后使用。

本試驗采用P·O 42.5水泥，根據(jù)“手握成團，落地成花”的傳統(tǒng)經(jīng)驗，在黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土天然含水率的基礎(chǔ)上，分別增加1.5%，2.0%，2.0%，1.5%。

1.2 固化土配合比設(shè)計

根據(jù)CJJ/T 286—2018《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標準》和CJ/T 486—2015《土壤固化外加劑》有關(guān)要求，進行固化土配合比設(shè)計，固化土混合料配合比采用質(zhì)量比，外摻水泥和EFS土壤固化劑，摻量依據(jù)固化土混合料質(zhì)量計算。經(jīng)試配，4類固化土均采用5% P·O 42.5水泥+0.02% EFS土壤固化劑的配合比。

1.3 試件制作與養(yǎng)護

4類固化土無側(cè)限抗壓強度試驗參照JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的規(guī)定進行，試件成型時設(shè)定壓實度為96%，按照混合料整體密度為2 200kg/m3計算各試件混合料用量，裝入直徑100mm、高100mm的模具中，使用DT-227型路面材料強度試驗儀，采用靜力壓實法制備試件，如圖2所示。使用LQ-T150D型電動脫膜器，將所有試件從模具內(nèi)脫出后稱重。將試件裝入塑料袋中，貼好標簽，將袋內(nèi)空氣排除干凈，扎緊袋口，將包好的試件置于標準養(yǎng)護室鐵架上，在試件表面涂抹1層防水膜，避免被水直接沖刷。

2 水穩(wěn)定性分析

水穩(wěn)定性系數(shù)是標準養(yǎng)護6d+泡水1d的固化土試件與標準養(yǎng)護7d的固化土試件無側(cè)限抗壓強度平均值之比。泡水1d后將試件取出，使用軟布吸去試件表面水分后再次稱重，觀察土體變化情況。觀察、稱重可知4類固化土均能達到較好的水穩(wěn)定性，浸泡時無崩解，泡水前后質(zhì)量變化較小，吸水量較少。

水穩(wěn)定性試驗結(jié)果如表2所示，由表2可知，4類固化土質(zhì)量變化較小，黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件平均吸水量分別為22.10，107.60，21.70，40.60g，風化砂土試件平均吸水量最少，黑砂土、黃砂土、蓋山土試件平均吸水量分別為風化砂土試件的1.02，4.96，1.87倍；黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件標準養(yǎng)護6d+泡水1d無側(cè)限抗壓強度平均值分別為2.13，3.39，3.90，2.61MPa，標準養(yǎng)護7d無側(cè)限抗壓強度平均值分別為2.32，3.63，4.20，2.77MPa，風化砂土試件飽水無側(cè)限抗壓強度最大，較黑砂土、黃砂土、蓋山土試件分別高83.10%，15.04%，49.43%；黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件均具有良好的水穩(wěn)定性，水穩(wěn)定性系數(shù)分別為91.81%，93.46%，92.85%，94.38%，均滿足《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標準》要求，分別高出規(guī)范限值14.76%，16.83%，16.06%，17.98%；黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件無側(cè)限抗壓強度損失率分別為8.19%，6.61%，7.14%，5.78%，強度損失較小。

表2 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

圖2 無側(cè)限抗壓強度試件

通過EFS溶液與土顆粒表面離子的交換作用，改善了土顆粒表面電荷性質(zhì)，打開了土顆粒與水分子之間的“電化鍵”，從而釋放出束縛在吸附層和擴散層的結(jié)合水，減小了土顆粒表面的吸附水膜厚度，并降低了電勢，使土顆粒進一步靠近封閉土團之間的孔隙。離子交換后，包裹在黏粒表面的疏水基團使土體對水的敏感性減弱，水分子難與土顆粒結(jié)合，降低了吸水性，可將土壤由親水性變?yōu)槭杷?。水泥與土體攪拌后，骨料之間的空隙被填充，被水泥包裹的土顆粒充分接觸，混合料膠結(jié)為整體，形成一定結(jié)構(gòu)強度，使土易于壓實，形成強度較高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體板塊。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 材料用量計算

參考已有文獻，認為不同固化土施工工藝差別較小，所需機械設(shè)備基本相同。因此，進行經(jīng)濟性分析時，僅需考慮單位體積材料費用[16]。計算得到配合比方案下的材料用量，如表3所示。實際施工時，考慮拌合后的固化土在運輸、攤鋪碾壓過程中的水分散失，現(xiàn)場含水率應(yīng)適當增加。

表3 材料用量 kg·m-3

3.2 材料費用對比

黑砂土與蓋山土屬于丟棄土，風化砂土單價為180元/m3，黃砂土單價為170元/m3，EFS土壤固化劑單價為181.5元/kg，水泥單價為480元/t，以1m3道路基層材料用量為例，對材料費用進行分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，采用黃砂土、風化砂土的道路基層材料費用分別為302.44，312.44元，較傳統(tǒng)做法費用分別高31.50%，35.84%；在材料費用中，基土費用占比較高，黃砂土、風化砂土費用分別占總費用的56.21%，57.61%；采用黑砂土、蓋山土的道路基層材料費用均為132.20元，均較傳統(tǒng)做法費用低42.52%。

表4 材料費用對比 元

應(yīng)綜合考慮水穩(wěn)定性、力學(xué)性能、經(jīng)濟性，選擇合適的道路基層固化土?！锻寥拦袒瘎?yīng)用技術(shù)標準》中要求道路上基層強度≥2.5MPa，由本研究結(jié)果可知，黃砂土、風化砂土、蓋山土試件滿足該要求，結(jié)合經(jīng)濟性對比結(jié)果，優(yōu)選蓋山土作為道路上基層用土。《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標準》中要求道路下基層強度≥1.5MPa，由本研究結(jié)果可知，黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件均滿足該要求，結(jié)合經(jīng)濟性對比結(jié)果，優(yōu)選黑砂土作為道路下基層用土。

4 結(jié)語

1)對4類不同土質(zhì)的EFS固化土進行水穩(wěn)定性試驗，結(jié)果表明黑砂土、黃砂土、風化砂土、蓋山土試件平均吸水量分別為22.10，107.60，21.70，40.60g，標準養(yǎng)護6d+泡水1d無側(cè)限抗壓強度平均值分別為2.13，3.39，3.90，2.61MPa，標準養(yǎng)護7d無側(cè)限抗壓強度平均值分別為2.32，3.63，4.20，2.77MPa，水穩(wěn)定性系數(shù)分別為91.81%，93.46%，92.85%，94.38%，無側(cè)限抗壓強度損失率分別為8.19%，6.61%，7.14%，5.78%，各試件水穩(wěn)定性較好，強度損失較小，可保證道路承載能力。

2)EFS土壤固化劑可降低水對道路侵蝕、損害及老化的影響。

3)綜合考慮水穩(wěn)定性試驗結(jié)果與經(jīng)濟性對比結(jié)果，同種配合比(5% P·O 42.5水泥+0.02% EFS土壤固化劑)下，優(yōu)選蓋山土作為道路上基層用土，優(yōu)選黑砂土作為道路下基層用土。