固廢基膠凝劑穩(wěn)定土的路用性能

王笑風(fēng) 楊 博 趙亞婷 王曄曄

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司1) 鄭州 450000) (交通運(yùn)輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心2) 鄭州 450000) (河南省固廢材料道路工程循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 鄭州 450000)

0 引 言

在長期的工程實(shí)踐過程中,水泥、石灰等傳統(tǒng)材料穩(wěn)定土逐漸暴露出干縮溫縮大、易開裂、易軟化、水穩(wěn)定性差等各種問題[1-3],因此被限制應(yīng)用于高等級公路.考慮到上述傳統(tǒng)無機(jī)材料的弊端,國內(nèi)外學(xué)者對土壤固化劑進(jìn)行不斷改良,研發(fā)出一系列新型固化劑.Anagnostopoulos[4]研究了樹脂類固化劑穩(wěn)定黏土的效果,指出在固化土體達(dá)不到最佳含水量的情況下其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)仍得到大幅提升,且與水泥復(fù)合使用固化黏土力學(xué)性能更優(yōu).岳愛敏等[5]研究了以纖維素和環(huán)氧樹脂為主要成分的固化劑穩(wěn)定土的路用性能,結(jié)果表明固化土的強(qiáng)度和耐水性能有所提升.彭波[6]根據(jù)雙電層理論合成一種表面活性劑,可有效解決傳統(tǒng)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土施工拌和及強(qiáng)度不均勻等問題.Kochetkova[7]通過試驗(yàn)對比分析了三種新型高分子固化劑對路基土強(qiáng)度和抗變形能力的改善效果.新型土壤固化劑往往采用大分子聚合材料或有機(jī)-無機(jī)結(jié)合材料,有較好的固化效果,但也存在與土基體相容性不好、長期耐久性欠佳、施工不宜拌和均勻、運(yùn)輸不便、性價比不高等諸多問題.

利用工業(yè)固廢制備新型土壤固化劑的研究逐漸興起.Yu等[8]將煤矸石、鋼渣等與水泥復(fù)配,研究發(fā)現(xiàn)在工業(yè)廢渣摻量大于80%時固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥固化土的強(qiáng)度值增大5倍左右.Sabat等[9]研究指出煅燒白云石粉、粉煤灰和赤泥復(fù)合改良膨脹土的UCS和承載比(CBR)均隨固化劑摻量增多而增大,且白云石粉和粉煤灰的最佳比例分別是8%和15%.沈建生等[10]以鋼渣為主要原材,配合使用脫硫石膏、礦渣等工業(yè)廢渣和激發(fā)劑制備土壤固化劑,并研究了其對軟土的固化效果,指出固化劑水化產(chǎn)物與水泥相似,均生成C-S-H凝膠、鈣礬石和氫氧化鈣晶體.Sharma等[11]綜述了現(xiàn)階段工業(yè)固廢基地聚物土壤固化劑配合比參數(shù)設(shè)計(jì)、微觀結(jié)構(gòu)和固化性能等研究進(jìn)展,提出工業(yè)廢渣穩(wěn)定土在路基和路面基層中的潛在應(yīng)用價值.

文中以赤泥、尾礦、電石渣、鈦石膏等工業(yè)廢渣為主要原料制備了一種新型土壤固化劑ISW,選擇粉質(zhì)土、砂質(zhì)土、黏質(zhì)土和膨脹土四種不同性質(zhì)的土樣,通過力學(xué)和耐久性試驗(yàn)研究對比分析了自主研發(fā)的固化劑ISW與硅酸鹽水泥對不同性質(zhì)土的固化作用,評價了兩種固化劑對不同土質(zhì)的普適性及對固化土體路用性能的影響規(guī)律.

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)土樣取自河南境內(nèi)高速公路沿線具有典型代表性的四類土,其參數(shù)見表1,其中CBR測試試件按擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度和最佳含水率準(zhǔn)備;膨脹土有荷壓力下脹縮總率為2.0%,屬于弱膨脹土[12].試驗(yàn)前先將土樣烘干至恒重,破碎并過0.6 mm方孔篩,取篩下物備用.

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性能指標(biāo)

試驗(yàn)采用以工業(yè)廢渣為主要原材料配制的ISW膠凝劑和P·C 32.5水泥進(jìn)行土的固化試驗(yàn),水泥固化土為參照組.通過X射線熒光光譜分析(XRF)測定ISW固化劑和P·C32.5水泥的化學(xué)成分,結(jié)果見表2.所有試驗(yàn)均設(shè)定兩種固化材料的摻量為4%(占土樣質(zhì)量比).

表2 固化材料的化學(xué)組成 單位:%

1.2 試驗(yàn)方法

1) CBR試驗(yàn) 根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的步驟,采用多功能路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行CBR測試.按照擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率和最大干密度,每組制備3個試件.將擊實(shí)試驗(yàn)完成后的試件浸于水中四個晝夜,浸水齡期結(jié)束后計(jì)算膨脹量并測定CBR值.

2) 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 測試步驟參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行.根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得土的最佳含水率和最大干密度,按98%的壓實(shí)度采用靜力壓實(shí)法制備直徑50 mm、高50 mm的試件.試件成型后,在溫度為(20±2)℃、濕度為95%的條件下養(yǎng)護(hù)6 d,再放入清水中浸泡24 h,然后用壓力機(jī)測試其7 d UCS值.由于標(biāo)準(zhǔn)中沒有28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求,本試驗(yàn)按照以下方式進(jìn)行:固化土試件成型后,在溫度為(20±2)℃、濕度為95%的條件下養(yǎng)護(hù)6 d,在清水中浸泡22 d后,測試其28 dUCS值.

3) 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn) 劈裂試驗(yàn)可以有效評估固化土體的抗裂性能,試驗(yàn)采用多功能路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試,測試過程依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)定步驟進(jìn)行.

4) 水穩(wěn)定性試驗(yàn) 按照CJT 486—2015《土壤固化外加劑》中試驗(yàn)方法測定固化土樣的水穩(wěn)系數(shù),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期7 d最后1 d浸水的穩(wěn)定土試件UCS值與不經(jīng)過浸泡的同齡期試件的UCS值之比.

5) 干濕循環(huán)試驗(yàn) 研究固化材料摻量變化對固化土試件養(yǎng)護(hù)28、90 d時抗干濕循環(huán)能力的影響.每組六個試件(50 mm×50 mm圓柱體),最終結(jié)果取平均值.試驗(yàn)過程為:將試件在恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期,養(yǎng)生期最后一天將試件置于(20±2)℃的水中浸泡24 h,而后放入(50±2)℃恒溫干燥箱中烘干24 h,以此為一次干濕循環(huán),五次干濕循環(huán)后測定試件的UCS值.干濕循環(huán)系數(shù)的計(jì)算公式為

(1)

6) 凍融循環(huán)試驗(yàn) 凍融循環(huán)試驗(yàn)參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行.低溫凍結(jié)溫度為-18℃,持續(xù)16 h;凍結(jié)試件置于(20±2)℃的水中解凍8 h,此為一次凍融循環(huán).分別測定凍融循環(huán)5次、10次后試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,并按式(2)計(jì)算凍融試件的強(qiáng)度保留率.

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 承載比

表3為不同類別固化土樣的CBR測試結(jié)果.由表3可知:ISW固化劑和水泥穩(wěn)定不同類別土樣的CBR值均在35%以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的上路床CBR大于8%的要求.按ISW固化土樣的CBR值從大到小排序依次為細(xì)砂土>粉質(zhì)土>黏土>膨脹土,說明ISW固化劑對砂質(zhì)和粉質(zhì)土的固化效果更佳;而水泥固化土也存在相似的規(guī)律.但相比之下,ISW固化劑對不同性質(zhì)土的適應(yīng)性更好;除膨脹土之外,ISW固化不同類別土樣的CBR值均高于水泥固化土.綜合來看,ISW固化劑和水泥固化膨脹土的效果相當(dāng),但I(xiàn)SW固化劑相比水泥更具價格優(yōu)勢,有利于在實(shí)際工程中推廣使用.

表3 不同類別固化土樣的CBR測試結(jié)果 單位:%

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同類型固化土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖1.由圖1可知:采用ISW固化土?xí)r,其固化細(xì)砂土的7d強(qiáng)度最高,粉土次之,與上述CBR測試結(jié)果相符[13].

圖1 不同類別固化土樣UCS值的變化規(guī)律

2.3 劈裂強(qiáng)度

圖2為ISW和水泥固化土的劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律.由圖2可知:相同齡期下ISW固化土的劈裂強(qiáng)度均高于水泥固化土,說明ISW固化劑對四類土樣抗裂性能的改善作用優(yōu)于水泥固化土.

圖2 不同類別固化土樣劈裂強(qiáng)度的變化規(guī)律

2.4 水穩(wěn)定性

不同類別固化土樣水穩(wěn)系數(shù)的變化規(guī)律見表4.由表4可知:所有固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)均小于1,介于0.80～0.97,說明飽水固化土試件的UCS值較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件均有不同程度的降低.這是由于浸水使得土顆粒之間的粘聚力及內(nèi)摩擦力減弱造成的.由于土質(zhì)不同,兩種固化劑對不同類別土的水穩(wěn)定性改善作用也有所差異.總體來說,ISW固化四種類型土的水穩(wěn)定性排序?yàn)楣袒圪|(zhì)土>細(xì)砂土>黏土>膨脹土;水泥固化粉土和砂土的水穩(wěn)系數(shù)相當(dāng),高于固化黏土和膨脹土.這是因?yàn)轲ね帘旧砭哂休^強(qiáng)的吸水性,膨脹土更是吸水膨脹軟化、干燥收縮開裂的典型,從而容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松化,造成固化土體強(qiáng)度損失.土質(zhì)相同的條件下,ISW固化土的水穩(wěn)系數(shù)均大于水泥固化土,說明ISW對四種類型土體的水穩(wěn)定性改善效果優(yōu)于水泥固化土.

表4 不同類別固化土樣的水穩(wěn)定性測試結(jié)果

2.5 抗干濕循環(huán)性能

表5為不同齡期時固化土樣的干濕循環(huán)測試結(jié)果.由表5可知:所有固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)均隨齡期延長而增大,說明干濕循環(huán)后固化土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍然隨齡期延長持續(xù)增長.這是因?yàn)楣袒翗觾?nèi)部反應(yīng)產(chǎn)物形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隨齡期延長逐漸擴(kuò)展,整體結(jié)構(gòu)更為致密.相同齡期時ISW固化四種土樣中,固化砂土的抗干濕循環(huán)性能最佳,90d干濕循環(huán)系數(shù)達(dá)到0.91,其次為固化粉質(zhì)土>黏土>膨脹土,這與水穩(wěn)系數(shù)變化規(guī)律相似(見表4),主要和土質(zhì)有關(guān);隨著齡期的延長,ISW固化粉質(zhì)土和細(xì)砂土的水穩(wěn)系數(shù)增長較大,增幅為11%左右,而ISW固化膨脹土的增幅較小.相同齡期時水泥固化不同類別土樣的水穩(wěn)系數(shù)變化規(guī)律與ISW固化土相似,同為固化粉質(zhì)土和細(xì)砂土的抗干濕循環(huán)性能較好.在相同齡期、相同土質(zhì)條件下,ISW固化土的干濕循環(huán)系數(shù)均大于水泥穩(wěn)定土,抗干濕循環(huán)性能更好.且相比之下,ISW固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)隨齡期延長增幅更大,這是由于工業(yè)廢渣中組分活性得以持續(xù)激發(fā),從而可以進(jìn)一步提升固化土體強(qiáng)度.

表5 不同類型固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)

2.6 抗凍融循環(huán)性能

不同類型固化土樣經(jīng)凍融循環(huán)后的強(qiáng)度保留率見表6.由表6可知:所有固化土樣經(jīng)凍融循環(huán)后強(qiáng)度均有所下降,這是結(jié)構(gòu)孔隙中殘留水分反復(fù)凍融產(chǎn)生體積變化,導(dǎo)致固化土體結(jié)構(gòu)逐漸疏松的結(jié)果.無論采用哪種固化劑,不同類型固化土樣的抗凍性能均表現(xiàn)為固化粉質(zhì)土>黏土>細(xì)砂土>膨脹土,且強(qiáng)度保留率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小.具體來講,采用ISW固化劑時,固化粉質(zhì)土的抗凍性較好,經(jīng)5次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度保留率為85.3%,10次循環(huán)后依然可以達(dá)到65.0%;固化黏土和細(xì)砂土的強(qiáng)度保留率雖不及固化粉土,但經(jīng)10次凍融循環(huán)后仍在50%以上,說明ISW固化該兩種類型土的抗凍性良好;而ISW固化膨脹土的5次循環(huán)強(qiáng)度保留率相對較低,但其隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的下降幅度較小,10次循環(huán)后強(qiáng)度保留率數(shù)值減小約12%,說明ISW固化膨脹土抵抗長期凍融循環(huán)的能力較強(qiáng).采用水泥固化土?xí)r,5次凍融循環(huán)后試件強(qiáng)度保留率基本上均略低于ISW固化土;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增至10次后,水泥固化土樣的強(qiáng)度損失較為嚴(yán)重,四種類型固化土樣的強(qiáng)度保留率大幅下降,其中水泥固化粉質(zhì)土的強(qiáng)度保留率由80.2%降低至53.0%,說明水泥固化土的抗凍融穩(wěn)定性欠佳.

表6 不同類型固化土樣的凍融循環(huán)測試結(jié)果

3 結(jié) 論

1) ISW固化劑和水泥對不同性質(zhì)土的CBR及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的改善作用順序均為固化細(xì)砂土>粉質(zhì)土>黏土>膨脹土.所有固化土樣的CBR均在35%以上;相同齡期下,ISW固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高,28d強(qiáng)度值超過3.3 MPa.

2) ISW固化劑可有效提升不同性質(zhì)土的劈裂強(qiáng)度,從而改善其抗裂性能.且ISW固化土樣的劈裂強(qiáng)度在較長齡期內(nèi)呈持續(xù)增長趨勢,尤以固化黏土的強(qiáng)度增幅較大.

3) 無論采用何種固化劑,不同類型固化土樣的水穩(wěn)定性和抗干濕循環(huán)性能與力學(xué)性能變化規(guī)律較為一致,同樣表現(xiàn)為固化粉質(zhì)土和細(xì)砂土的性能相對較優(yōu),固化黏土和膨脹土次之.而抗凍性能表現(xiàn)為固化粉質(zhì)土>黏土>細(xì)砂土>膨脹土.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,水泥固化土的強(qiáng)度損失較為嚴(yán)重,但I(xiàn)SW固化土的強(qiáng)度保留率較高,10次循環(huán)后仍在50%以上;其中ISW固化膨脹土的長期抗凍融穩(wěn)定性較好.

4) ISW固化劑對粉質(zhì)土、砂質(zhì)土、黏性土和膨脹土均具有相對較好的適用性,對不同性質(zhì)固化土體物理力學(xué)性能和耐久性的改善效果優(yōu)于硅酸鹽水泥.