黃泛區(qū)改性粉土溫縮性能對比試驗研究

王 喆 張 磊 王 偉 孫兆云 向國偉 戶桂靈

（1.山東高速股份有限公司，山東濟(jì)南 250014；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250102；3.山東高速工程咨詢有限公司，山東濟(jì)南 250014；4.山東建筑大學(xué)，山東濟(jì)南 250102）

0 引言

山東省存在大量的黃泛區(qū)，在該地區(qū)建設(shè)道路時，不可避免地運(yùn)用到大量的黃泛區(qū)粉土，但是黃泛區(qū)粉土本身顆粒級配較差，且顆粒磨圓度較高，強(qiáng)度較低，在公路建設(shè)中容易導(dǎo)致路基失穩(wěn)及塌陷等病害的產(chǎn)生[1-4]。為了避免資源浪費(fèi)，必須將黃泛區(qū)粉土進(jìn)行改性處理運(yùn)用到道路建設(shè)中去。改性的方法大致可以分為兩類：物理改性和化學(xué)改性。物理加固是利用機(jī)械方法，如碾壓、強(qiáng)夯等技術(shù)以及在土中摻加纖維等方法對土體進(jìn)行加固，土體本身的特性實質(zhì)上并未改變，也沒有產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)?；瘜W(xué)加固就是通過向土體中摻入特定的外加劑(水泥、高分子材料等)，使其與土體中的礦物發(fā)生相互作用從而來改善土的工程性質(zhì)。目前化學(xué)改性起步較早，且有些技術(shù)已經(jīng)成熟并廣泛地應(yīng)用到實際工程中。趙文斌等[5]利用室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬手段對砂礫改良含砂低液限粉土路基改良效果進(jìn)行全面評價；申愛琴等[6]對含砂低液限粉土選用石灰、水泥、粉煤灰等材料改性，并利用新研制的收縮儀測定了加固類半剛性材料的干縮、溫縮系數(shù)，分析了收縮機(jī)理及影響因素；劉雨桐等[7]通過摻加纖維固化劑發(fā)現(xiàn)，TG 固化土干縮應(yīng)變和溫縮應(yīng)變明顯降低，抗收縮能力得到提高。朱志鐸等[8]通過試驗發(fā)現(xiàn)，摻加高性能固化劑可明顯增加粉質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)性，減小其收縮變形。

山東黃泛區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料用于路面結(jié)構(gòu)中，晝夜溫差較大時易產(chǎn)生開裂，進(jìn)而影響路面的完整性和連續(xù)性，使道路發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，縮短道路的使用壽命。有關(guān)學(xué)者[9-15]對固化土的收縮開裂進(jìn)行了大量的研究。固化土收縮開裂的主要原因來源于室外環(huán)境溫度變化引起的不均勻體積收縮及固化劑中無機(jī)結(jié)合料的水化收縮，收縮開裂是影響固化土耐久性的主要原因之一。路基路床填料的抗裂性主要是通過室內(nèi)溫縮試驗測得的溫縮系數(shù)進(jìn)行評價。本文將選用水泥和瀝青粉分別對黃泛區(qū)粉土進(jìn)行改性處理，對其溫縮性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，并與素粉土溫縮性能比較，驗證其改進(jìn)效果。

1 溫縮試驗

1.1 試驗材料

本文所使用黃泛區(qū)粉土，來自京臺高速四標(biāo)段，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430-2020）進(jìn)行擊實試驗及液塑限試驗測定試驗用土的基本物理參數(shù)（見表1）。

本文選取的水泥是濟(jì)南產(chǎn)的山水牌P·O42.5 基質(zhì)水泥。水泥的物理力學(xué)性能如表2所示。

表2 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

瀝青粉為赤泥基瀝青粉主要制作原材料為赤泥、沸石粉、70#基質(zhì)瀝青。瀝青粉配合質(zhì)量比為赤泥∶沸石粉∶70#基質(zhì)瀝青=22∶1∶100。

1.2 試驗方案

為了研究不同材料對黃泛區(qū)粉土溫縮性能的改性作用，現(xiàn)對不同材料配合質(zhì)量比進(jìn)行設(shè)計，并用未作改性處理的粉土做空白對照組，具體配合比方案見表3。

表3 試驗方案

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試件制備

溫縮試驗所用試件的成型方法參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程規(guī)程》（JTJ E51-2009）進(jìn)行，在室內(nèi)成型尺寸為10 cm×10 cm×40 cm 的中梁試件。制件步驟如下：根據(jù)擊實試驗得到材料的最大干密度和最佳含水率，按98%壓實度計算所需結(jié)合料、集料及水的用量；裝入中梁鋼模模具中并放到壓力機(jī)上壓實成型，脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，在溫度20℃±2℃，濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生7 d，并在養(yǎng)生期的最后一天，將試件泡水；養(yǎng)生結(jié)束后，將試件放入105℃的烘箱中烘10～12 h 至恒量，使試件沒有自由水的存在。

2.2 溫縮試驗方法

將烘干至恒溫的試件安放到收縮儀上，在試件兩端粘貼玻璃片，收縮儀底部放置三根涂了潤滑油的玻璃棒，將試件較光滑面向下放在玻璃棒上，將千分表固定于收縮儀上，把千分表頂?shù)揭粋€較大的讀數(shù)然后記錄讀數(shù)（見圖1）。將試件移入高低溫交變試驗箱內(nèi)，設(shè)置控溫程序，從50℃開始，按10℃為一個級別的溫度差，直到-10℃結(jié)束，降溫速率為0.5℃/min，當(dāng)降到設(shè)定溫度后，保溫3 h。在保溫結(jié)束前5 min內(nèi)讀取千分表讀數(shù)。

圖1 試件及收縮儀

溫縮性能通常采用溫縮系數(shù) αT指標(biāo)來表示，溫縮系數(shù)是指單位溫度變化下材料的線收縮系數(shù)：

式中： ΔT為溫度變化量； Δε為對應(yīng)于 ΔT時應(yīng)變的變化值。

2.3 試驗結(jié)果分析

三種材料的溫縮試驗結(jié)果如表4所示。

通過圖2的試驗數(shù)據(jù)可知，三種材料溫縮系數(shù)隨溫度變化的趨勢較為相似：隨著溫度的降低，溫縮系數(shù)呈增加的趨勢。在同一溫度區(qū)間內(nèi)，溫縮系數(shù)的大小呈以下順序排列：瀝青粉改性土＜水泥改性土＜素土。材料在各溫度區(qū)間內(nèi)溫縮系數(shù)的平均值，反映了材料關(guān)于溫度變化的收縮特性總體水平。通過表4可發(fā)現(xiàn)，水泥改性土和瀝青粉改性土相對于素土的平均溫縮系數(shù)降低了39.05%和58.46%。說明水泥和瀝青粉對粉土的溫縮性有明顯的改進(jìn)作用。

圖2 不同改性土溫度與溫縮系數(shù)的關(guān)系曲線

表4 三種無機(jī)結(jié)合料溫縮系數(shù)試驗結(jié)果

當(dāng)環(huán)境溫度下降時，材料內(nèi)部毛細(xì)管中彎液面表面張力和彎液面內(nèi)外壓力差都增大，只有這種作用力超過毛細(xì)管壁顆粒內(nèi)部的聯(lián)結(jié)力時，溫縮系數(shù)才會增加。

水泥在空氣或水中均能發(fā)生硬化反應(yīng)，水泥固化土體時會發(fā)生一系列的物理化學(xué)作用，水泥摻入土體后，水泥本身先發(fā)生水化作用，生成具有膠結(jié)能力的3CaO·SiO2、 2CaO·SiO2、 3CaO·Al2O3和4CaO·Al2O3·Fe2O3等水化產(chǎn)物。此外土體礦物中的SiO2、Al2O3的活性也會以為Ca2+的存在被激活，這也有助于強(qiáng)化土體的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性。所以當(dāng)溫度降低時，毛細(xì)管壁顆粒內(nèi)部的聯(lián)結(jié)力增大，減少整體的收縮量。

瀝青粉改性土中除了添加水泥以外，還添加了瀝青粉，瀝青粉中赤泥增加了瀝青呈堿性的特性可以增加瀝青與集料的粘附力，從而提高混合料的溫度穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低了材料的溫縮系數(shù)。所以，從效果上來看，瀝青粉改性土對素土的溫縮性能改良效果比只添加水泥的改良效果更好。

3 結(jié)論

選擇水泥和瀝青粉與粉土混合形成的無機(jī)結(jié)合料，通過溫縮試驗研究其溫縮性能，得到以下結(jié)論：

（1）隨著溫度的降低，溫縮系數(shù)呈增長的趨勢。因此在實際工程中，應(yīng)盡量避免在低溫環(huán)境中施工，并做好養(yǎng)護(hù)工作。

（2）水泥改性土和瀝青粉改性土的溫縮系數(shù)在溫度區(qū)間為30～20℃內(nèi)變化幅度較小，說明水泥水化反應(yīng)和瀝青粉的黏結(jié)能力在30～20℃內(nèi)較強(qiáng)。

（3）溫縮系數(shù)無論是最大值還是平均值，均呈以下大小順序排列：瀝青粉改性土＜水泥改性土＜素土。瀝青粉和水泥對粉土有一定的固化作用，可減少其隨溫度變化導(dǎo)致的不均勻體積收縮，增加固化土的耐久性。