新型高強(qiáng)抗水性土壤固化劑性能試驗研究

李亞麗，盧 勇，劉林林，劉愛華

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019； 2. 新型道路材料國家工程實驗室，南京 211112)

土壤固化劑是路面基層固化的新型化學(xué)材料，適用于多種土質(zhì)，多數(shù)情況下與石灰或水泥等無機(jī)結(jié)合料共同使用，可以改變土壤的組成和土體的工程性質(zhì)，提高土質(zhì)強(qiáng)度、改善土質(zhì)壓實性[1]。與現(xiàn)有的路面基層材料相比，土壤固化結(jié)合料強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更好，同時方便施工與維修，能夠節(jié)約資源，降低工程造價[2]。因此，土壤固化土類材料在道路基層工程中有著廣闊的應(yīng)用前景，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。楊富民等[3]通過研究固化劑各成分對其性能的影響，開發(fā)出一種新型離子液體固化劑，其凝結(jié)時間影響系數(shù)比、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比和水穩(wěn)系數(shù)比分別為109.2%、140.1%和117.7%，滿足相關(guān)規(guī)范要求，且對北京地區(qū)的黏性細(xì)粒土有良好的固化效果。王志軍等[4]采用SG-1型土壤固化劑固化路基土，使之成為穩(wěn)定碎石土，與水泥穩(wěn)定碎石土對比，進(jìn)行力學(xué)試驗和路用性能方面的試驗研究，發(fā)現(xiàn)將SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土直接作為道路基層材料，其力學(xué)性能和路用性能與水泥穩(wěn)定碎石土基本相似，在某些方面甚至優(yōu)于后者；而且這種材料造價低廉，能夠減少對山石的開采，有利于維護(hù)生態(tài)穩(wěn)定。Degirmenci等[5]將磷脫硫石膏水泥和粉煤灰按比例混合，作為固化劑加入土壤中，與無固化的水泥穩(wěn)定土相比，其力學(xué)性能和塑性指數(shù)分別有明顯提高和降低。雖然國內(nèi)外對于土壤固化技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但基層材料的設(shè)計要求主要為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，部分固化穩(wěn)定土技術(shù)在水穩(wěn)定性、抗裂性等耐久性能方面仍然存在不足，導(dǎo)致道路的使用壽命縮短[3-6]。因此，本文利用高性能的黏結(jié)增強(qiáng)劑等有機(jī)高分子材料復(fù)合無機(jī)材料，制備一種新型高強(qiáng)抗水土壤固化劑A#，并對其固化性能進(jìn)行室內(nèi)試驗研究，以判斷其力學(xué)性能是否達(dá)到低等級公路基層使用要求。

1 原材料選取

1.1 固化劑A#

新型土壤固化劑A#為液體物質(zhì)，主要由蓖麻油酸鈉(乳化劑)、甲醇、水玻璃、硫酸鈉、氯化鈉和水組成。通過觀察外觀顏色是否均勻和有無絮狀結(jié)晶來判斷固化劑各組分的摻加順序，最終確定順序為氯化鈉、硫酸鈉、甲醇、蓖麻油酸鈉和水玻璃。根據(jù)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果確定固化劑的配制水溫和各組分含量，最終制備出新型固化劑A#。固化劑固化土材料抗壓強(qiáng)度要求如表1所示，參照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)。

表1 固化劑固化土材料抗壓強(qiáng)度要求 (MPa)

1.2 土樣

試驗土樣選取江蘇省南京市江寧地區(qū)代表性黏土，黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)表如表2所示。所選土樣符合中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會編制的《道路復(fù)合穩(wěn)定土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS G：D31—01—2017)中對于固化土的土壤性質(zhì)的技術(shù)要求，塑性指數(shù)大于17、液限大于40%的土需要采用兩種或兩種以上的結(jié)合料做綜合穩(wěn)定土。

表2 黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)

1.3 水泥

水泥在混合料中起膠黏的作用，其性能的好壞將影響到整個基層的質(zhì)量?？紤]到混合料從拌和到碾壓成型等施工工序的需要，本次室內(nèi)試驗研究采用普通硅酸鹽水泥P·0 42.5。

1.4 石灰

選取400目的石灰，生石灰檢測結(jié)果如表3所示。

表3 生石灰檢測結(jié)果

2 確定摻量

為確定固化劑A#、水泥和石灰的最佳摻量，以固化劑A#、水泥、石灰為試驗因素，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗，并以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為考核評價指標(biāo)，選取滿足要求的最佳配合比[4]。依據(jù)以往工程經(jīng)驗和《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)，本試驗選用L9(33)正交表進(jìn)行配合比設(shè)計，初步選取的固化劑摻量、水泥摻量和石灰摻量如表4所示。

表4 初步選取的固化劑摻量、水泥摻量和石灰摻量 (%)

采用普通拌和拌制黏土固化材料，按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)試驗規(guī)程，養(yǎng)生至規(guī)定齡期后進(jìn)行測試，得到黏土固化材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如表5所示，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值如圖1所示。

表5 黏土固化材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

由圖1可知，當(dāng)固化劑A#(A)摻量取0.03%、水泥(B)摻量取5%、石灰(C)摻量取3%時，黏土固化材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值最高。根據(jù)正交試驗結(jié)果，確定固化劑A#、水泥和石灰的摻量分別為0.03%、5%和3%。

由表5可知，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑A#摻量的增加逐漸提高，為確定固化劑A#的最佳摻量，增加在水泥摻量(5%)和石灰摻量(3%)不變的情況下，固化劑摻量分別為0.03%、0.04%和0.05%的黏土固化材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗?？箟簭?qiáng)度試驗結(jié)果如表6所示。

表6 抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

通過對比分析固化劑A#在摻量為0.03%、0.04%和0.05%時的黏土固化材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果，可知當(dāng)固化劑A#摻量為0.04%時，黏土固化材料強(qiáng)度值最高，但是與摻量為0.03%時相差不大，綜合考慮固化劑A#的造價問題，最終確定固化劑A#的摻量為0.03%。

3 力學(xué)性能試驗

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)，進(jìn)行固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。為了分析固化土在經(jīng)歷不同養(yǎng)生時間(3 d、7 d、14 d、28 d)、不同固化劑摻量(0、0.03%)和不同浸水時間(24 h、48 h)養(yǎng)護(hù)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化趨勢，對該材料進(jìn)行不同養(yǎng)生時間、固化劑摻量和浸水時間養(yǎng)護(hù)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：①相同浸水時間下，無固化劑A#(即固化劑A#摻量為0)的固化土材料強(qiáng)度隨齡期增加而增加的幅度較小，7 d后強(qiáng)度幾乎無變化；而抗水性固化土材料強(qiáng)度隨齡期的增加呈逐漸增加趨勢，并且在28 d內(nèi)，強(qiáng)度增加趨勢先快后緩，最終趨于穩(wěn)定。②相同浸水條件下，較之無固化劑A# 的固化土材料，抗水性固化土材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯的提高；以28 d為例，浸水時間為0 h、24 h 和48 h時，無固化劑A#的固化土材料的強(qiáng)度分別為2.296 MPa、2.366 MPa和2.037 MPa，抗水性固化土材料的強(qiáng)度分別為6.851 MPa、6.954 MPa和6.79 MPa，分別提高了198.4%、193.9%和233.3%，結(jié)合表1可知，固化劑A#的性能滿足低等級公路基層強(qiáng)度的技術(shù)要求。

從機(jī)理分析，產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是固化劑A#中的水性聚合物均勻分散在土壤膠體中，形成了分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將土壤膠體分別定格在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)里；同時水性聚合物固化過程中產(chǎn)生電荷變化，在初始土壤膠體間僅有分子間作用力的基礎(chǔ)上，引入了氫鍵和化學(xué)鍵，通過化學(xué)鍵合的方式進(jìn)一步固定，提升了硬化土壤的承壓力[7-9]。另外，固化劑A# 中的離子官能團(tuán)聚合物增加了大量的化學(xué)鍵錨點，進(jìn)而增加了化學(xué)鍵的鍵能，進(jìn)一步限制了膠粒的運動，可大幅度提升土壤膠粒之間的黏結(jié)力。

3.2 劈裂強(qiáng)度

參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗。為分析固化土在不同養(yǎng)生時間(3 d、7 d、14 d、28 d)、不同固化劑摻量(0、0.03%)、不同浸水時間(24 h、48 h)條件下的劈裂強(qiáng)度變化趨勢，對兩種材料進(jìn)行不同養(yǎng)生時間、不同固化劑摻量、不同浸水時間養(yǎng)護(hù)的劈裂強(qiáng)度試驗，不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化土劈裂強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，劈裂強(qiáng)度的增長階段主要在3～7 d，抗水性固化劑A#的加入大幅提高了試件的劈裂強(qiáng)度。以浸水24 h為例，養(yǎng)生齡期為3 d、7 d、14 d和28 d，無固化劑A#的固化土材料的劈裂強(qiáng)度分別為0.538 9 MPa、0.678 5 MPa、0.704 MPa和0.689 4 MPa，抗水性固化土材料的劈裂強(qiáng)度分別為 0.685 1 MPa、0.745 3 MPa、0.744 1 MPa和0.772 6 MPa，分別提高了27.1%、9.85%、5.7%和12.1%。

不同浸水時間下固化土劈裂強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，固化土材料的劈裂強(qiáng)度隨浸水時間的增長而下降。就無固化劑A#的固化土而言，在養(yǎng)護(hù)3 d時，0～24 h浸水期間強(qiáng)度下降緩慢，24～48 h期間強(qiáng)度大幅度下降(強(qiáng)度下降77.8%)，幾乎無劈裂抵抗能力。原因是試件內(nèi)部水泥水化反應(yīng)還處于初期階段，水化產(chǎn)物C-S-H生成數(shù)量有限，內(nèi)部還留有許多孔隙，當(dāng)水分進(jìn)入時，土顆粒之間的膠結(jié)能力逐漸降低瓦解，從而造成劈裂強(qiáng)度急劇下降。在養(yǎng)護(hù)7 d之后，水泥水化反應(yīng)已基本完成，土顆粒之間通過C-S-H已形成較強(qiáng)的黏結(jié)力，強(qiáng)度下降曲線明顯減緩[9-10]。

對于加入抗水性固化劑A#的固化土試件，養(yǎng)護(hù)3 d時浸水24～48 h，抗水性固化土的劈裂強(qiáng)度僅下降4.1%，由此可知抗水性固化劑A#起到了前期補(bǔ)強(qiáng)的作用。養(yǎng)護(hù)7 d之后，浸水試件對抗水性固化土試件的劈裂強(qiáng)度影響相較普通固化土試件要小得多。除此之外，相同浸水時間下抗水性固化劑A#的加入大幅度提升了試件的劈裂強(qiáng)度，且隨浸水時間的增長，強(qiáng)度提升幅度變大，表明抗水性固化劑A#材料具有較好的水穩(wěn)性能及補(bǔ)強(qiáng)特性[10-12]。

3.3 水穩(wěn)定性

通常用水穩(wěn)定系數(shù)來評價水穩(wěn)定性?？顾怨袒恋乃€(wěn)定系數(shù)是指試件的飽水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干強(qiáng)度的比值。水穩(wěn)定性系數(shù)越大，表示穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性越好。另外，參照《土壤固化外加劑》(CJ/T 486—2015)對固化土材料水穩(wěn)定性的評價方法，本文采用水穩(wěn)定系數(shù)和水穩(wěn)定系數(shù)比對抗水固化土水穩(wěn)定性能進(jìn)行研究。水穩(wěn)定系數(shù)計算公式為

(1)

式中，F(xiàn)為水穩(wěn)定系數(shù)，%；P1為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；P2為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d不浸水的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa。

水穩(wěn)定系數(shù)比計算公式為

(2)

式中，S為水穩(wěn)定系數(shù)比，%；F1為抗水固化土水穩(wěn)定系數(shù)，%；F2為基準(zhǔn)試件(無固化劑的穩(wěn)定土)水穩(wěn)定性系數(shù)，%。

采用靜壓成型法制造的直徑×高度=φ50×50 mm 的圓柱體試件，每組試件的數(shù)量至少為6個，將成型試件按照試驗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d后，分別浸水0 h和24 h并測試浸水后的強(qiáng)度，計算摻0.03%固化劑和不摻固化劑的固化土的水穩(wěn)定系數(shù)及水穩(wěn)定系數(shù)比，水穩(wěn)定性試驗結(jié)果如表7所示。

表7 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

從上述試驗結(jié)果可知，抗水性固化土材料的水穩(wěn)定系數(shù)為106.1%，而不摻固化劑的固化土水穩(wěn)定系數(shù)僅為92.6%，因此抗水性固化劑A#的加入使得土壤的水穩(wěn)定性能大幅提升，水穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文以新型高強(qiáng)抗水性土壤固化劑A#、土樣、水泥和石灰形成穩(wěn)定土，進(jìn)行了最佳摻量、力學(xué)性能和路用性能試驗。通過試驗結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)正交試驗結(jié)果初步確定固化劑A#、水泥和石灰的劑量分別為0.03%、5%和3%。以此為基礎(chǔ)，在確定水泥(5%)和石灰(3%)摻量不變的情況下，通過分析固化劑摻量分別為0.03%、0.04%、0.05%的7 d固化土材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)固化劑摻量為0.04%時，固化土強(qiáng)度值最高，但是與0.03%摻量時相差不大。綜合考慮固化劑A#的造價問題，最終確定固化劑A#的摻量為0.03%。

(2) 在不同養(yǎng)生齡期和浸水時間下，抗水性固化土材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均比普通固化土材料要高，且滿足低等級公路基層強(qiáng)度技術(shù)要求。從機(jī)理分析，固化劑A#中的水性聚合物均勻分散在土壤膠體中，形成均勻的分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將土壤膠體限定在各自的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)；同時水性聚合物固化過程中引入了氫鍵和化學(xué)鍵，通過化學(xué)鍵合的方式進(jìn)一步固定，提升了硬化土壤的承壓力。固化劑A#中的離子官能團(tuán)聚合物增加了大量的化學(xué)鍵錨點，進(jìn)而增加了化學(xué)鍵的鍵能，進(jìn)一步限制了膠粒的運動，可大幅度提升土壤膠粒之間的黏結(jié)力。

(3) 劈裂強(qiáng)度的增長階段主要在3～7 d，抗水性固化劑A#的加入大幅度提高了試件的劈裂強(qiáng)度。同時，相同浸水時間下，固化劑的加入大幅度提升了試件的劈裂強(qiáng)度，且隨浸水時間的增長，強(qiáng)度提升幅度變大，表明抗水性固化劑A#材料具有較好的水穩(wěn)性能及補(bǔ)強(qiáng)特性。

(4) 抗水性固化土材料的水穩(wěn)定系數(shù)為106.1%，而不摻固化劑的固化土水穩(wěn)定系數(shù)僅為92.6%，可知抗水性固化劑A#的加入大幅提升了土壤的水穩(wěn)定性能，且抗水性固化土材料的水穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。