高聚物穩(wěn)定土的抗水性能影響因素分析

李 鋒，陳晶照

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112)

0 引 言

近年來，為了響應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大量采石場(chǎng)關(guān)閉，石料資源嚴(yán)重緊缺，價(jià)格飛速上漲，從而導(dǎo)致了筑路成本的增加[1-3]。固化類穩(wěn)定土由土壤固化劑、水泥(石灰)和土拌合而成，具有良好的工程特性[4-6]，若能替代傳統(tǒng)水泥、二灰穩(wěn)定碎石用于公路基層中，將節(jié)省大量的石料資源，降低工程造價(jià)[7]。然而，公路基層在使用過程中可能會(huì)受到通過面層、路肩、中間帶滲入的雨水或水文不良地段地下水的侵蝕，使其強(qiáng)度降低，局部承載力下降，從而導(dǎo)致各種病害的出現(xiàn)。因此，基層除了需要滿足結(jié)構(gòu)承載力的需求之外，也必須具有足夠的水穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用被穩(wěn)定材料類型為黏土，其具體物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。采用的固化劑為高分子有機(jī)類，其主要材料組成如表2所示；所用水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，石灰采用鈣質(zhì)石灰。水泥和石灰的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

表1 試驗(yàn)土的基本物理性質(zhì)

表2 高聚物固化劑的組成

1.2 配合比設(shè)計(jì)

分別以水泥摻量(3%、4%、5%)、石灰摻量(2%、3%、4%)、固化劑摻量(100 ml/m3、200 ml/m3、300 ml/m3)為因素，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，共計(jì)9組試驗(yàn)。針對(duì)每組材料分別開展土工擊實(shí)試驗(yàn)，確定每組的最佳含水率和最大干密度，并開展7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

2 抗水性能評(píng)價(jià)方法

固化土材料受到水的侵蝕時(shí)，主要表現(xiàn)在強(qiáng)度的降低，因此，可采用強(qiáng)度損失率表征固化土材料的抗水性能，即采用試件飽水狀態(tài)下和干燥狀態(tài)下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值進(jìn)行評(píng)估，如公式(1)所示，強(qiáng)度損失率越大表明抗水性能越差。而固化土強(qiáng)度的損失實(shí)際上是由于水的侵蝕導(dǎo)致土顆粒間粘聚力降低而造成，故吸水率的大小也可以間接反映出穩(wěn)定土材料的抗水性能，吸水率計(jì)算如公式(2)所示，吸水率越大表明抗水性能越差。因此，分別采用強(qiáng)度損失率和吸水率兩項(xiàng)指標(biāo)分析固化土的抗水性能。

(1)

式中：m為吸水率，%；m1為浸水前質(zhì)量，g；m2為浸水后質(zhì)量，g。

(2)

3 抗水性能影響因素分析

3.1 固化劑摻量的影響

分別選擇100 ml/m3、200 ml/m3、300 ml/m3的固化劑摻量開展強(qiáng)度損失率和吸水率試驗(yàn)，分析固化劑摻量對(duì)固化土抗水性能的影響，結(jié)果如圖1所示，試驗(yàn)養(yǎng)生齡期為7 d，其中浸水條件的飽水時(shí)間為最后24 h。

圖1 強(qiáng)度損失率與吸水率隨固化劑摻量的變化趨勢(shì)

試驗(yàn)結(jié)果表明：添加固化劑后，固化土的抗強(qiáng)度損失率和吸水率有了明顯降低，且隨著固化劑摻量的增加，固化土的強(qiáng)度損失率和吸水率逐漸減小，不摻加固化劑的水泥石灰土的強(qiáng)度損失率為32.2%，吸水率為3.09%；當(dāng)固化劑摻量為100 ml/m3時(shí)，強(qiáng)度損失率降低至15.4%，降幅為52.2%，吸水率降低至2.13%，降幅為31.1%；當(dāng)固化劑摻量為300 ml/m3時(shí)，強(qiáng)度損失率僅為3.8%，降幅達(dá)到了88.2%，吸水率為0.64%，降幅為79.3%。由此可見，固化劑的添加對(duì)于穩(wěn)定土的抗水性能具有明顯的提升作用。

3.2 浸水時(shí)間的影響

分別選擇浸水24 h和浸水48 h后開展強(qiáng)度損失率和吸水率試驗(yàn)，分析浸水時(shí)間對(duì)固化土抗水性能的影響，結(jié)果如圖2所示，試驗(yàn)養(yǎng)生齡期為7 d，固化劑摻量為300 m/m3。

圖2 強(qiáng)度損失率與吸水率隨浸水時(shí)間的變化趨勢(shì)

試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥石灰土的強(qiáng)度損失率和吸水率明顯高于固化土，其中強(qiáng)度損失率為固化土的2倍左右，吸水率為固化土的5倍左右，再次證明添加固化劑有利于提高穩(wěn)定土的抗水性能。隨著浸水時(shí)間的增加，水泥石灰土和固化土的強(qiáng)度損失率和吸水率均增大，其中，水泥石灰土浸水48 h的強(qiáng)度損失率和吸水率分別為11.3%和4.22%，較24 h分別增長(zhǎng)了27%和3.2%，固化土浸水48 h的強(qiáng)度損失率和吸水率分別為7.6%和0.93%，較24 h分別增長(zhǎng)了100%和45.3%。由此可見，浸水時(shí)間的增加對(duì)穩(wěn)定土的抗水性能有不利影響。

3.3 養(yǎng)生時(shí)間的影響

分別選擇養(yǎng)生3 d、7 d、14 d和28 d齡期后開展強(qiáng)度損失率和吸水率試驗(yàn)，分析養(yǎng)生時(shí)間對(duì)固化土抗水性能的影響，結(jié)果如圖3所示，試驗(yàn)浸水時(shí)間均為24 h，固化劑摻量為300 m/m3。

圖3 強(qiáng)度損失率與吸水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化趨勢(shì)

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，水泥石灰土和固化土的強(qiáng)度損失率和吸水率總體表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，其中28 d的強(qiáng)度損失率分別為7.1%和2.2%，較3 d分別降低了30.6%和47%。28 d吸水率分別為3.78%和0.2%，較3 d分別降低了7.1%和78.9%，水泥石灰土變化不明顯。由此可見，養(yǎng)生時(shí)間的增加有利于提高穩(wěn)定土的抗水性能。

4 抗水機(jī)理分析

穩(wěn)定土受浸水影響后強(qiáng)度降低的主要原因是由于土壤膠體電荷層附帶的正/負(fù)電荷以及內(nèi)部的可交換離子具有電荷平衡的需求，主要通過氫鍵來吸附水，其形成的擴(kuò)散雙電層將進(jìn)一步的引起土壤層的間距擴(kuò)大，導(dǎo)致土方膨脹而失去抗壓強(qiáng)度。而固化土的強(qiáng)度受浸水的影響小于水泥石灰土，主要原因包括三個(gè)方面，一是由于固化土中添加了聚合物固化劑，其形成的分子網(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)，大幅提升了土壤顆粒之間的粘結(jié)力，空隙率相對(duì)水泥石灰土降低，從而造成吸水率減小，強(qiáng)度損失降低；二是采用的固化劑材料中加入多元醇化合物，其富含的氫鍵可以減弱土方內(nèi)部的電荷平衡需求，從而降低了土壤的吸水需求；三是固化劑中含有的憎水性硅烷類物質(zhì)，遇水后會(huì)緩慢釋放出封閉土壤中的縫隙，降低毛細(xì)孔吸水作用，從而降低了水損壞。因此，穩(wěn)定土在長(zhǎng)時(shí)間泡水條件下，其土顆粒間的粘結(jié)力減小，強(qiáng)度損失增大；而早期的穩(wěn)定土由于強(qiáng)度尚未完全形成，其更易受到浸水的影響，造成強(qiáng)度更易損失，但隨著養(yǎng)生齡期的增加，強(qiáng)度已基本形成，從而受到浸水的影響減小。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)高聚物穩(wěn)定土開展了抗水性能試驗(yàn)研究，采用強(qiáng)度損失率和吸水率兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)了固化土的抗水性能，分析了固化劑摻量、浸水時(shí)間和養(yǎng)生時(shí)間三種因素對(duì)固化土抗水性能的影響，闡述了高聚物固化穩(wěn)定土的抗水機(jī)理，主要結(jié)論如下：

(1)添加固化劑有利于提高穩(wěn)定土的抗水性能，且隨著固化劑摻量的增加，固化土的強(qiáng)度損失率和吸水率逐漸減小。

(2)浸水時(shí)間的增加對(duì)穩(wěn)定土的抗水性能有不利影響，隨著浸水時(shí)間的增加，穩(wěn)定土的強(qiáng)度損失率和吸水率增大，水泥石灰土的強(qiáng)度損失率和吸水率明顯高于固化土。

(3)養(yǎng)生時(shí)間的增加有利于提高穩(wěn)定土的抗水性能，隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，水泥石灰土和固化土的強(qiáng)度損失率和吸水率總體表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。