不同齡期下EFS固化土抗壓強度試驗研究*

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

土壤固化劑作為新型節(jié)能環(huán)保工程材料，由多種無機、有機材料組成，用于固化各類土壤。經(jīng)土壤固化劑處理后，土壤強度、密實度、回彈模量等均得到大幅度提高，從而延長了道路使用壽命，降低了工程維修成本，經(jīng)濟與環(huán)境效益俱佳，是當(dāng)前理想的筑路材料[1-3]。國內(nèi)外對新型土壤固化劑固化道路基層進行了長期強度試驗研究，李雨霏等[4]以?；郀t礦渣為固化劑，對湖積軟土進行物理力學(xué)試驗，摻入不同比例的粒化高爐礦渣后，對不同養(yǎng)護齡期(3，7，28d)無側(cè)限抗壓強度進行測試，分析固化土強度變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，粒化高爐礦渣的加入使固化土抗壓強度得到顯著提高，且在一定范圍內(nèi)，隨著固化劑摻量和養(yǎng)護時間的增加，抗壓強度逐漸提高。劉世皎等[5]以陜西楊凌黃土為例，加入12%的水泥及不同摻量的BCS核心材料，并在BCS核心材料摻量為0.6%的黃土中加入不同質(zhì)量比的水泥基BCS固化劑，通過抗壓強度試驗分析，確定最佳BCS核心材料、BCS固化劑摻量。研究發(fā)現(xiàn)，BCS固化土工程性能有所提高，采用飽和石灰水養(yǎng)護可顯著增強固化土抗凍性能。周偉等[6]以水泥為固化材料，對淤泥固化土進行了大量室內(nèi)試驗，模擬固化效果，結(jié)果表明，水泥摻量達20%時，淤泥材料可滿足公路路基施工要求，同時還提出了淤泥固化工藝。在此基礎(chǔ)上，王鵬等[7]和張茅等[8]通過進一步探究證明，在滿足一定的配合比條件下，固化后的淤泥不僅能達到施工要求，還滿足植被生長環(huán)境要求。

實際工程中土體與巖體具有特殊性，加入新型固化材料EFS土壤固化劑后，道路路基固化土長期強度需進行試驗研究。因此，以黑砂土、黃砂土、風(fēng)化砂土、蓋山土為基料，設(shè)計固化土配合比方案，進行不同齡期強度試驗，觀察試件破壞特征，分析試驗現(xiàn)象，并探討強度變化規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 原材料

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(fēng)化砂土、蓋山土。黑砂土表面呈黑色，小塊聚集，內(nèi)部含黃色石塊。黃砂土呈黃青色，粒徑較小，無大顆粒石，土質(zhì)較干。風(fēng)化砂土表面呈紅棕色，內(nèi)部含較大、較堅硬石。蓋山土表面呈黃色，土質(zhì)較濕、較軟。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》，采用烘干法分別對4類土體進行天然含水率檢測，結(jié)果表明，黑砂土、黃砂土、風(fēng)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、塑限進行檢測，結(jié)果表明，黑砂土、黃砂土、風(fēng)化砂土、蓋山土液限分別為26.46%，22.73%，21.27%，21.70%，塑限分別為14.28%，8.47%，16.75%，11.72%，計算得到液性指數(shù)分別為-0.79，-0.58，-2.14，-0.38，塑性指數(shù)分別為12.18，14.27，4.52，9.98。

1.2 固化土配合比設(shè)計

選用P·O 42.5水泥，分別以黑砂土、黃砂土、風(fēng)化砂土、蓋山土為基料，與外摻料水泥、EFS土壤固化劑進行組合，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，EFS土壤固化劑在濃縮狀態(tài)下無揮發(fā)性，呈堿性，不燃燒，液體呈醬黑色，稀釋后無任何危害，對生態(tài)無破壞，加入拌合水混合均勻后使用。

1.3 試件制作與養(yǎng)護

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(fēng)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%制作試件。本試驗設(shè)定6個齡期，分別為3，7，14，28，48，60d。按照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，將4類土體置于110℃烘箱內(nèi)，烘干12h至恒重。除去大塊顆粒，按照96%的壓實度，混合料整體密度為2 200kg/m3，計算各試件混合料用量，在固化土結(jié)構(gòu)形成與抗壓強度發(fā)展過程中，孔隙填充對固化土抗壓強度的提高起重要作用[9]。分3層裝入直徑100mm、高100mm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，將所有試件從模具內(nèi)脫出后稱重，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至預(yù)定齡期。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象與破壞特征

2.1.1黑砂土試件

對于養(yǎng)護齡期較短的黑砂土試件，達到破壞荷載時，產(chǎn)生較細小的斜裂縫，少量土體剝落。隨著養(yǎng)護齡期的增加，試件破壞時頂部被壓碎，裂縫寬度增大，斜裂縫數(shù)量增加，大量土體破壞剝落，土體內(nèi)部砂石沿著裂縫位置脫落，如圖1所示。

圖1 不同齡期黑砂土試件破壞特征

2.1.2黃砂土試件

對于養(yǎng)護齡期較短的黃砂土試件，破壞時產(chǎn)生了豎向斜裂縫和橫向裂縫，土體呈大塊片狀剝落。隨著養(yǎng)護齡期的增加，試件破壞時豎向裂縫寬度增大，土體內(nèi)部砂石被壓碎，并沿著裂縫位置脫落，裂縫逐漸貫通，大量土體呈大塊片狀脫落，試件內(nèi)部形成斜裂縫，如圖2所示。

圖2 不同齡期黃砂土試件破壞特征

2.1.3風(fēng)化砂土試件

對于養(yǎng)護齡期較短的風(fēng)化砂土試件，破壞時產(chǎn)生豎向微裂縫，少量土體剝落。隨著養(yǎng)護齡期的增加，試件中部外鼓，外鼓處產(chǎn)生密集的小裂縫，最終破壞時試件中部外鼓加劇，形成大量斜裂縫，大量土體破壞剝落，土體內(nèi)部砂石沿著裂縫位置脫落，大顆粒砂石處呈明顯局部壓潰現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 不同齡期風(fēng)化砂土試件破壞特征

2.1.4蓋山土試件

蓋山土試件破壞特征與黑砂土、風(fēng)化砂土試件類似，對于養(yǎng)護齡期較短的試件，破壞時產(chǎn)生豎向微裂縫，土體幾乎未剝落。隨著養(yǎng)護齡期的增加，試件破壞時產(chǎn)生斜裂縫，且斜裂縫加寬，土體沿裂縫呈塊狀剝落，土體內(nèi)部砂石沿著裂縫位置脫落，如圖4所示。

圖4 不同齡期蓋山土試件破壞特征

對各試件破壞形態(tài)進行分析，可知隨著養(yǎng)護齡期的增加，水泥水化反應(yīng)越來越充分，試件內(nèi)部水分越來越少，破壞時剝落的土體越來越多。在豎向荷載作用下，試件裂縫特別是中部裂縫在力的作用下不斷開展和延伸，逐漸形成脆弱斷裂面；當(dāng)荷載增大時，斷裂面處裂縫寬度逐漸增大，大量土體剝落，試件喪失承載力，表現(xiàn)為脆性破壞。隨著養(yǎng)護齡期的增加，試件含水率降低，脆弱斷裂面數(shù)量逐漸增加。

2.2 無側(cè)限抗壓強度

達到預(yù)定養(yǎng)護齡期取出試件時，使用軟布吸去試件表面水分后再次稱重，試件未出現(xiàn)磨損或土體剝落現(xiàn)象。將取出的試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗，計算結(jié)果如表1所示。

表1 抗壓強度試驗結(jié)果 MPa

由表1可知，各試件無側(cè)限抗壓強度均隨著養(yǎng)護齡期的增加而增大，其中黑砂土、風(fēng)化砂土試件強度增長速度較快，黃砂土、蓋山土試件強度增長速度較慢。在同一配合比下，黑砂土試件3d無側(cè)限抗壓強度達2.11MPa，是4類試件中最小的，其7，14，28，48，60d無側(cè)限抗壓強度分別為3d無側(cè)限抗壓強度的1.09，1.36，1.73，2.26，2.63倍；風(fēng)化砂土試件3d無側(cè)限抗壓強度達3.80MPa，是4類試件中最大的，其7，14，28，48，60d無側(cè)限抗壓強度分別為3d無側(cè)限抗壓強度的1.10，1.27，1.56，1.94，2.04倍。不同齡期下，風(fēng)化砂土試件無側(cè)限抗壓強度最大，黑砂土試件無側(cè)限抗壓強度基本為最小，黃砂土、蓋山土試件無側(cè)限抗壓強度基本介于黑砂土與風(fēng)化砂土試件之間。4類試件無側(cè)限抗壓強度均較素土+5%水泥試件高[10-11]。

CJJ/T 286—2018《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標準》對三級固化土7d無側(cè)限抗壓強度要求為：上基層≥2.5MPa，下基層≥1.5MPa。由7d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果可知，黑砂土試件可滿足道路下基層強度要求，較下基層強度規(guī)范值高54.67%；黃砂土、風(fēng)化砂土、蓋山土試件可滿足道路上基層強度要求，分別較上基層強度規(guī)范值高45.20%，68.00%，10.80%。

水泥水化反應(yīng)生成C-H-S凝膠，土顆粒被吸附包裹在內(nèi)部，形成連接土顆粒的膠凝網(wǎng)絡(luò)，水化產(chǎn)物Ca(OH)2與黏土膠體發(fā)生離子交換反應(yīng)，改善土顆粒之間的連接結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)密實度。水泥組分與土體中的水及Al2O3，SiO2反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化碳酸鈣等，使土顆粒之間相互咬合。EFS土壤固化劑中的乙酸乙酯能夠促進硼酸或硼酸鹽與硅酸鹽的交聯(lián)，使硼酸或硼酸鹽更快地與硅酸鹽反應(yīng)，進而使土顆粒之間或內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)，在堿性條件下，硼酸或硼酸鹽起到的效果更好，可增強土體穩(wěn)定性，從而提高試件峰值荷載和無側(cè)限抗壓強度。

摻入水泥后，養(yǎng)護初期起主導(dǎo)作用的是水泥水化產(chǎn)物之間的離子交換與團?；饔?，可減小土顆粒表面吸附水層厚度，使土壤膠團團?；喔男宰饔妹黠@，強度增加速度較快。隨著養(yǎng)護齡期的增加，水泥不斷水化至一定范圍，膠凝物質(zhì)含量逐漸增至一定程度，強度增長速度較緩慢。

2.3 無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護齡期關(guān)系擬合

本試驗得到的4類試件無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護齡期呈顯著的線性關(guān)系，可用下式進行擬合：

Rc=aD+b

(1)

式中：Rc為無側(cè)限抗壓強度；a，b為常數(shù)；D為養(yǎng)護齡期。

擬合曲線參數(shù)如表2所示，由表2可知，4類試件無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護齡期的相關(guān)系數(shù)均接近于1，說明二者的線性關(guān)系較密切。

表2 無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護齡期關(guān)系擬合參數(shù)

水泥摻量為5%的土體中水泥膠凝顆粒相對較少，水泥水化產(chǎn)物主要用于膠結(jié)土顆粒，不能完全對土顆粒進行包裹，特別是土顆粒棱角處幾乎未吸附水泥膠凝顆粒，未對土顆?？障哆M行填充，無法有效阻止土顆粒受壓后發(fā)生的相對滑動。膠凝顆粒僅吸附于土顆粒表面，且在土顆粒棱角處吸附的較少，對抗壓強度發(fā)育影響不明顯，使水泥摻量<5%的固化土抗壓強度發(fā)育隨齡期的增加趨于平緩[12]。

3 結(jié)語

1)隨著養(yǎng)護齡期的增加，試件失去承載力時裂縫數(shù)量迅速增加，大量土體脫落，表現(xiàn)為脆性破壞。

2)隨著養(yǎng)護齡期的增加，4類試件無側(cè)限抗壓強度總體呈增大趨勢，且無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護齡期線性關(guān)系較明顯?？筛鶕?jù)工程要求的無側(cè)限抗壓強度調(diào)節(jié)養(yǎng)護齡期，也可預(yù)測更長養(yǎng)護齡期的無側(cè)限抗壓強度。

3)黑砂土試件無側(cè)限抗壓強度可滿足道路下基層強度規(guī)范值要求，黃砂土、風(fēng)化砂土、蓋山土試件無側(cè)限抗壓強度可滿足道路上基層強度規(guī)范值要求。

4)外摻水泥和EFS土壤固化劑可增大試件無側(cè)限抗壓強度，與土樣攪拌后，土顆?？障侗惶畛洌纬梢欢ńY(jié)構(gòu)強度，增強道路基層承載力。