固廢基固化材料穩(wěn)定低液限黏土試驗(yàn)研究

李玉耀，馬春鋒，趙亞婷，褚付克

（1.河南安羅高速公路有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南省濮衛(wèi)高速公路有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；4.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，河南 鄭州 450000）

0 引 言

公路建設(shè)中要求路基具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，路基質(zhì)量較差是造成公路早期損壞的重要原因之一，易引發(fā)不均勻沉降、翻漿、開(kāi)裂等危害[1]。但公路建設(shè)往往線路較長(zhǎng)、沿線路段地質(zhì)情況復(fù)雜，遇到土質(zhì)較差地區(qū)，全段換填成本巨大，因此一般對(duì)不良土質(zhì)進(jìn)行固化改性，使其滿足路基填筑工程要求。傳統(tǒng)路網(wǎng)建設(shè)工程采用水泥、石灰等作為土壤固化劑，但存在收縮大、水穩(wěn)定性差等各種問(wèn)題[2-5]，另一方面，隨著近年來(lái)國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)保、資源浪費(fèi)等問(wèn)題愈加重視，亟需尋找綠色建材資源。基于此，利用工業(yè)固廢作為新型土壤固化劑的研究逐漸興起。孟建偉[6]將水泥與工業(yè)廢渣復(fù)摻制備土壤固化劑，同時(shí)評(píng)價(jià)了其對(duì)砂質(zhì)土、粉質(zhì)土等固化強(qiáng)度和水穩(wěn)性能等的影響。Yu 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，將煅燒煤矸石、鋼渣等冶金廢渣與硅酸鹽水泥復(fù)配，在廢渣摻量高于80%時(shí)，固化土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）比單獨(dú)使用水泥固化土的UCS 值增大4~5 倍。喬子秦[8]通過(guò)研究得出粉煤灰-脫硫石膏-水泥三元凝膠體系加固黃土的最佳配比，并對(duì)固化土體系的強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入探究。Salimi 和Ghorbani[9]則以高爐礦渣復(fù)摻CaO 等活化劑或NaOH 等堿激發(fā)劑固化軟土，從而提升加固土體的強(qiáng)度和剛度，避免沉降問(wèn)題。Sharma 和Kumar[10]綜述了工業(yè)廢渣地聚物替代水泥、石灰用于土壤固化的混合料配比、激發(fā)劑摩爾濃度及摻量、溫度和齡期等參數(shù)變化對(duì)固化性能的影響規(guī)律，指出工業(yè)廢渣地聚物的最佳參數(shù)范圍為激發(fā)劑摻量5%~20%、摩爾濃度8~12 mol/L、溫度25~45 ℃、水膠比0.35~0.85 等。

工業(yè)廢渣中硅、鋁礦物組分在堿性環(huán)境中與水和土壤顆粒中的活性組分反應(yīng)，生成絮狀C-S-H 凝膠、針棒狀鈣礬石、微晶態(tài)或非晶態(tài)的硅鋁酸鹽網(wǎng)絡(luò)聚合體等水化產(chǎn)物，從而將土壤顆粒緊密膠結(jié)在一起，提高加固土體的整體強(qiáng)度和剛度，同時(shí)增強(qiáng)固化土體系對(duì)重金屬和堿性離子的固化能力[11-13]。本文利用礦渣、赤泥、電石渣、尾礦等工業(yè)廢渣和其他添加劑復(fù)配了一種固廢基固化材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析其與水泥穩(wěn)定低液限黏土的物理、力學(xué)性能和耐久性，并研究了固化材料摻量及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土路用性能的影響規(guī)律，從而為工業(yè)固廢復(fù)合材料處治黏性路基土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供科學(xué)合理的技術(shù)依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）土料：河南境內(nèi)某高速公路沿線路基填筑土，檢測(cè)得知該土為低液限黏土，其基本物理性能如表1 所示。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性能

（2）固化材料：將工業(yè)廢渣按m（礦渣）∶m（赤泥）∶m（電石渣）∶m（尾礦）=20∶10∶55∶15 的比例復(fù)配成的工業(yè)固廢復(fù)合材料（ISW）作為固化材料改良土樣，其中礦渣來(lái)源于舞鋼鋼鐵廠，赤泥和尾礦取自新鄉(xiāng)中州鋁業(yè)股份有限公司，電石渣取自平頂山中悅環(huán)保股份有限公司。選用P·F32.5 級(jí)粉煤灰硅酸鹽水泥固化土樣為參照組。通過(guò)X 射線熒光光譜分析（XRF）測(cè)試工業(yè)固廢復(fù)合材料和水泥的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 固化材料的化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選擇0、3%、4%、5%和6%共5 個(gè)固化材料摻量，按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程中給定的操作步驟進(jìn)行性能測(cè)試。

1.2.1 物理力學(xué)性能測(cè)試

擊實(shí)試驗(yàn)：采用滄州虹磊公路儀器有限公司生產(chǎn)的CSK-VI 型多功能電動(dòng)擊實(shí)儀對(duì)固化土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，操作步驟參照J(rèn)TG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，得到固化土樣的最佳含水率和最大干密度。

承載比（CBR）試驗(yàn)：根據(jù)JTG 3430—2020 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(cè)試。分別測(cè)試不同壓實(shí)度下（K=93%、94%、96%）固化土樣的CBR 值。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(gè)試件。將擊實(shí)試驗(yàn)完成后的試件浸于水中4 個(gè)晝夜，浸水齡期結(jié)束后計(jì)算膨脹量并測(cè)試CBR 值。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：測(cè)試步驟參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無(wú)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）℃、相對(duì)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(cè)試其7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）值。由于標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有28 d 無(wú)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）℃、相對(duì)濕度為95%的條件下養(yǎng)護(hù)6 d，在清水中浸泡22 d后，測(cè)試其28 dUCS 值。

1.2.2 耐久性試驗(yàn)

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(cè)試固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d 后浸水1 d 的穩(wěn)定土試件UCS 值與不經(jīng)過(guò)浸泡的同齡期試件的UCS 值之比。

干濕循環(huán)試驗(yàn)：研究固化材料摻量變化對(duì)固化土試件養(yǎng)護(hù)28、90 d 時(shí)抗干濕循環(huán)能力的影響。每組6 個(gè)試件（50 mm×50 mm 圓柱體），最終結(jié)果取平均值。試驗(yàn)過(guò)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)護(hù)期最后1 d 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1 次干濕循環(huán)，5 次干濕循環(huán)后測(cè)試試件的UCS 值。干濕循環(huán)系數(shù)按式（1）計(jì)算：

2 結(jié)果與討論

2.1 最大干密度與最佳含水率

水泥和工業(yè)固廢復(fù)合材料固化土樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 固化土樣的最佳含水率和最大干密度

由表3 可以看出，當(dāng)固化材料的摻量為3%時(shí)，ISW 和P·F32.5 水泥固化土樣的最佳含水率較素土均有所增大，且ISW固化土樣的最佳含水率更大，為13.5%；而2 種固化土樣的最大干密度較素土相比則有所減小，且ISW 固化土樣的最大干密度更小。隨著2 種固化材料摻量的增加，固化土樣的最佳含水率基本均呈線性增大；相應(yīng)地，最大干密度則逐漸減小。且與P·F32.5 水泥固化土樣相比，ISW 固化土樣的最佳含水率和最大干密度隨ISW 摻量增加的變化幅度更大。當(dāng)固化材料摻量為6%時(shí)，P·F32.5 水泥固化土樣的最佳含水率為13.6%，相比素土增大了2.3%左右；而ISW 固化土樣的最佳含水率為14.0%，相比素土增大了約5.3%。該摻量下，P·F32.5 水泥和ISW 固化土樣的最大干密度相比素土分別降低了約2.1%和3.1%。這主要是因?yàn)槔霉I(yè)固廢制備得到的固化材料為多孔材料，比表面積較大，能吸附更多的自由水，且超早期水化反應(yīng)較為迅速，從而易于快速和土壤顆粒黏結(jié)成塊，一方面影響壓實(shí)效果，使得最大干密度減小，另一方面阻礙自由水在拌和土樣孔隙中的流通，導(dǎo)致最佳含水率增大[14]。

2.2 承載比

不同固化材料固化土樣的CBR 值如圖1 所示。

圖1 不同固化材料固化土樣的CBR 值

由圖1 可以看出，ISW 和P·F32.5 水泥2 種固化材料的摻入，均使得素土的CBR 值迅速增大。所有固化土樣在不同壓實(shí)度下的CBR 值均在30%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的上路床CBR 值大于8%的要求。且ISW 和P·F32.5 水泥固化土樣的CBR 值均隨著固化材料摻量的增加而不斷增大，相比之下，ISW 固化土樣的CBR值增幅更大。

進(jìn)一步對(duì)比ISW 和P·F32.5 水泥固化土樣的CBR 值可知，當(dāng)ISW 摻量為3%時(shí)，其固化土樣在93%、94%、96%壓實(shí)度下的CBR 值均略低于水泥穩(wěn)定土，但隨著ISW 摻量的增加，其固化土樣在不同壓實(shí)度下的CBR 值均逐漸增大，且在4%摻量時(shí)超過(guò)水泥固化土樣同壓實(shí)度下的CBR 值。當(dāng)ISW摻量繼續(xù)增加至6%時(shí)，其固化土樣在93%、94%、96%壓實(shí)度下的CBR 值分別為49.6%、50.5%、52.3%，比水泥固化土同壓實(shí)度下的CBR 值高20%左右。整體來(lái)看，低摻量ISW 固化土的CBR 值已經(jīng)滿足高速公路路基施工技術(shù)要求，且ISW 相比水泥更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)，有利于在實(shí)際工程中推廣使用。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同固化材料固化土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖2 所示。

圖2 不同固化材料固化土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖2 可以看出，素土幾乎無(wú)強(qiáng)度，7 d 和28 d 齡期的UCS 值均低于0.2 MPa。而相同齡期下，所有固化土樣的UCS值均隨著ISW 或水泥摻量的增加而增大；相同固化材料摻量下所有試樣的UCS 值均隨齡期延長(zhǎng)逐漸增大。當(dāng)固化材料摻量為3%時(shí)，ISW 固化土樣的各齡期強(qiáng)度均略低于水泥固化土。這是因?yàn)閾搅枯^低時(shí)ISW 顆粒在固化土體系中較為分散，又因?yàn)镮SW 比表面積大，反應(yīng)活性較高，其水化生成的C-S-H 凝膠、鈣礬石等產(chǎn)物在迅速膠結(jié)周圍土壤顆粒的同時(shí)，也容易將未水化的顆?；蛭捶磻?yīng)完全的水分包覆起來(lái)，從而在一定程度上阻礙了反應(yīng)產(chǎn)物空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的延伸，使得宏觀強(qiáng)度略有降低。但摻加3%ISW 固化土樣的7 dUCS 值已達(dá)到1.0 MPa 以上，結(jié)合CBR 測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖1）可知，3%摻量的ISW 用于處治路基土效果良好。4%~6%摻量的ISW 固化土樣的各齡期UCS 值均高于水泥固化土，且同一摻量下ISW固化土樣的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度隨齡期延長(zhǎng)的增長(zhǎng)幅度同樣大于水泥固化土；整體來(lái)看，ISW 固化土樣的7 d 強(qiáng)度比水泥固化土高0.5~1.0 MPa，28 d 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度相比水泥固化土樣增加了30%~40%。UCS 測(cè)試結(jié)果表明，固廢基固化材料較水泥更適宜用于低液限黏土的穩(wěn)定處治。這是由于ISW 是根據(jù)待處治土的理化性質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性配方設(shè)計(jì)，通過(guò)工業(yè)廢渣之間的協(xié)同水化或與土壤中活性組分反應(yīng)形成結(jié)構(gòu)骨架、生成膠凝性產(chǎn)物填充結(jié)構(gòu)孔隙，進(jìn)而提高固化土的宏觀力學(xué)性能。

2.4 水穩(wěn)定性

不同固化材料固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)如表4 所示。

表4 不同固化材料固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)

素土試件在泡水后24 h 內(nèi)即潰散，水穩(wěn)定性極差。由表4可知，所有固化土試件的水穩(wěn)系數(shù)均小于100%，介于85%~98%，說(shuō)明飽水固化土試件的UCS 值較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件均有所減小。這是因?yàn)榻沟霉袒w系顆粒之間的粘聚力及內(nèi)摩擦力減弱，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度降低。隨著固化材料摻量的增加，所有固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)逐漸增大，說(shuō)明固化材料摻量增加使得固化土體系的孔隙結(jié)構(gòu)更為致密，水穩(wěn)定性增強(qiáng)，這主要得益于固化材料反應(yīng)形成的膠凝性產(chǎn)物及空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

對(duì)比來(lái)看，相同固化材料摻量下，ISW 固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)均高于水泥固化土。當(dāng)固化材料摻量為3%時(shí)，ISW 和水泥固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)差別很小。這是由于低摻量下固化材料作用程度較小，固化土樣強(qiáng)度在較大程度上仍依靠顆粒之間的粘聚力和內(nèi)摩擦力，故不同固化材料固化土的水穩(wěn)系數(shù)差別不大。當(dāng)固化材料摻量增加至4%時(shí)，2 種固化材料固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)差別最大，此時(shí)ISW 固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)達(dá)到89.4%，而水泥固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)為87.2%。隨著固化材料摻量的進(jìn)一步增加，ISW 和水泥固化土樣的水穩(wěn)系數(shù)均穩(wěn)步提升，但整體來(lái)看，ISW 對(duì)低液限黏土的水穩(wěn)性能提升作用優(yōu)于水泥。

2.5 抗干濕循環(huán)性能

不同固化材料固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)如表5 所示。

表5 不同固化材料固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)

由表5 可知，相同齡期下，固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)隨固化材料摻量增加而增大，說(shuō)明固化材料摻量增加有利于提高固化土樣經(jīng)干濕循環(huán)后的UCS 值，這與固化土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（見(jiàn)圖2）及水穩(wěn)定性（見(jiàn)表4）的變化規(guī)律相符。28 d 齡期時(shí)，當(dāng)固化材料摻量從3%增加至6%，ISW 固化土樣和水泥固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)分別增大了24%和13%。

相同固化材料摻量下，固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)隨齡期延長(zhǎng)而增大，這表明固化土樣經(jīng)干濕循環(huán)后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期延長(zhǎng)依然持續(xù)提高，沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，固化土樣內(nèi)部的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)展、顆粒之間粘聚力增大、整體結(jié)構(gòu)更加致密，因此強(qiáng)度和耐久性提高。對(duì)比來(lái)看，較低摻量（3%～4%）下，ISW 固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)隨齡期延長(zhǎng)增幅更大；而較高摻量（5%～6%）下，水泥固化土樣的干濕循環(huán)系數(shù)隨齡期延長(zhǎng)增幅更大。這可能是由于水化后期水泥中活性混合材的火山灰反應(yīng)得以激發(fā)[15]，從而使得固化土樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步致密化。

總體來(lái)看，相同固化材料摻量下，ISW 固化土樣的28 d和90 d 干濕循環(huán)系數(shù)基本均大于水泥固化土，說(shuō)明ISW 對(duì)低液限黏土的抗干濕循環(huán)性能改善效果更佳。

3 結(jié) 論

（1）固化材料摻量增加使得固化土的最佳含水率增大、最大干密度減小。ISW 固化低液限黏土的最佳含水率高于水泥穩(wěn)定土，最大干密度低于水泥穩(wěn)定土。

（2）ISW 固化低液限黏土的CBR 值和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨固化材料摻量增加而增大，且不同固化材料摻量的ISW 固化土樣在不同壓實(shí)度下的CBR 值均在30%以上，4%~6%摻量下ISW 固化土樣不同齡期的UCS 值均高于水泥穩(wěn)定土，尤以28 d 強(qiáng)度差別最為顯著。

（3）ISW 固化低液限黏土的水穩(wěn)定性和抗干濕循環(huán)性能均優(yōu)于水泥固化土。