一種蓄水型土壤固化技術(shù)在公路基層中的應(yīng)用研究

黃結(jié)友,謝 軍,湯 浦,陳 焱,仲 正

（1.江西省公路學(xué)會(huì),江西 南昌 330008; 2.江西路道環(huán)?？萍加邢薰?江西 南昌 330099）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)基建工程的發(fā)展，到2022 年末全國(guó)公路總里程達(dá)到534.65 萬(wàn)公里[1]。公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段。然而公路建設(shè)保持高速發(fā)展的同時(shí)，所面臨的路面病害問(wèn)題也不容忽視。大量研究數(shù)據(jù)及使用經(jīng)驗(yàn)表明，水是造成路面早期病害的一個(gè)重要因素。例如在多雨及季節(jié)性冰凍地區(qū)，若路面上的雨水或冰雪融水無(wú)法及時(shí)排出而滲入結(jié)構(gòu)層，容易損害路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度；若路面被雨水長(zhǎng)期浸泡，則會(huì)進(jìn)一步加重病害。為此，需要研究一種新型的土壤固化技術(shù)，讓公路基層能夠滿足要求。

伴隨著“海綿型”城市建設(shè)對(duì)公路建設(shè)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的公路基層處理方法已經(jīng)難以滿足要求。長(zhǎng)期治理過(guò)程中，隨著“海綿型”城市建設(shè)理念的推廣，透水路面的應(yīng)用越發(fā)受到廣泛重視。其特有的功能性能夠在充分利用現(xiàn)有土地資源的情況下，最大限度地實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路的雨水進(jìn)行及時(shí)有效滲透、匯集，使得道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持“干燥”，讓公路會(huì)“呼吸”。接下來(lái)就介紹了一種蓄水型土壤固化技術(shù)，該技術(shù)具有良好的固化作用，并且能有效滿足“海綿型”城市建設(shè)的高要求。

1 研究方法及目標(biāo)

（1）通過(guò)查閱現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范，明確需要達(dá)到的設(shè)計(jì)指標(biāo)及試驗(yàn)檢測(cè)方法。

（2）根據(jù)選定的原材料，通過(guò)試驗(yàn)選取最佳配合比。

（3）鑒于空隙的形成機(jī)理，在確定固化土配合比的前提下，通過(guò)改變壓實(shí)度控制混合料空隙率，驗(yàn)證常見(jiàn)壓實(shí)度條件下混合料各項(xiàng)性能是否穩(wěn)定滿足道路基層的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)要求。

（4）展望蓄水型固化技術(shù)在公路基層以外的應(yīng)用前景。

2 具體研究?jī)?nèi)容

2.1 蓄水型固化土設(shè)計(jì)指標(biāo)研究

蓄水型固化土的材料組成設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)滿足水力性能和力學(xué)強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)。表征該材料水力性能的有效指標(biāo)是有效空隙率；而基層材料的力學(xué)指標(biāo)包含7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性系數(shù)以及28 d 養(yǎng)護(hù)試塊凍融5 次殘留抗壓強(qiáng)度比。

考慮到實(shí)用性，該研究將分別對(duì)90%壓實(shí)度和95%壓實(shí)度成型的蓄水型固化土材料進(jìn)行水力性能和力學(xué)強(qiáng)度分析，驗(yàn)證其是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.1.1 水力性能指標(biāo)

蓄水型固化土作為半剛性基層路面的透水基層，其主要的功能就是使?jié)B入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分能夠在每一次降水過(guò)程之后在一定時(shí)間內(nèi)排除，同時(shí)在非雨季時(shí)對(duì)雨水進(jìn)行一定程度的儲(chǔ)存，緩解城市“熱島效應(yīng)”，而實(shí)現(xiàn)上述功能要求滲水混合料具備一定的空隙率。當(dāng)前規(guī)范尚未對(duì)用作路面透水層時(shí)水穩(wěn)碎石的空隙率做出明確要求，僅在研究層面，當(dāng)控制水穩(wěn)碎石排水基層空隙率范圍為15%~25%時(shí)，通過(guò)正交化群方法，得出路面透水表層形成連通空隙的臨界空隙率為17.22%[2]這一結(jié)論，透過(guò)面層進(jìn)入基層的水已大量減少，因此相應(yīng)的空隙率要求也應(yīng)該隨之降低?？障堵士障斗譃檫B通空隙、半連通空隙和封閉空隙3 種。僅從排水角度講，起作用的是連通空隙，而半連通空隙中的水相對(duì)停滯，對(duì)排水作用不大，但是對(duì)于蓄水來(lái)說(shuō)是有效的。因此，對(duì)于蓄水型固化土，考慮其整體空隙率意義不大，僅需考慮由連通空隙及半連通空隙組成的有效空隙率即可，它的測(cè)量可通過(guò)混合料吸水量進(jìn)行反推。

由于混合料的被穩(wěn)定材料試件表面光滑，可直接測(cè)得試件體積。因此有效空隙率可按下式計(jì)算：

式中，ne——試件的有效空隙率（%）；?m——試件吸水后質(zhì)量變化量（g）；V——試件毛體積（cm3）；γw——水的密度（g/cm3）。

2.1.2 力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)

蓄水型固化土材料在組成上不僅應(yīng)該滿足其透水、蓄水的功能，由于它在路面結(jié)構(gòu)中擔(dān)當(dāng)著承上啟下的作用，并且要承受荷載的作用，因此，應(yīng)在保證滲透性的前提下滿足力學(xué)強(qiáng)度的要求。另一方面，當(dāng)面層滲入水以后，在車輛荷載作用下還要承受動(dòng)水壓力以及凍融循環(huán)作用。因此混合料應(yīng)具有良好的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及抗凍性能等物理力學(xué)性質(zhì)。

（1）蓄水型固化土7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)前規(guī)范尚未有針對(duì)蓄水型固化土排水路面基層強(qiáng)度做出明確要求。參考現(xiàn)有固化土相關(guān)規(guī)范《T/CHTS10103—2023》對(duì)一般固化土路面基層的強(qiáng)度要求，考慮到排水基層內(nèi)部存在空隙，強(qiáng)度受此影響必然有所降低，因此選取蓄水型固化土7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥2 MPa，該指標(biāo)可滿足中、輕交通等級(jí)路面基層要求。

該課題7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照現(xiàn)行《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51）中T 0805的方法執(zhí)行。

（2）蓄水型固化土水穩(wěn)定性。該研究采用的控制指標(biāo)為水穩(wěn)定性系數(shù)，綜合參考國(guó)內(nèi)固化土材料相關(guān)規(guī)范以及考慮內(nèi)部空隙將會(huì)導(dǎo)致的水穩(wěn)定性下降，要求水穩(wěn)定性系數(shù)≥75%。具體試驗(yàn)檢測(cè)方法如下：

同一配比的穩(wěn)定土制備12 個(gè)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件，6 個(gè)一組，共兩組。

一組試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期7 d，其中養(yǎng)生齡期最后一天浸于（20±2）℃的水中（飽水試驗(yàn)），另一組采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d 齡期（不浸水）。

對(duì)上述兩組試件分別開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并通過(guò)式（2）計(jì)算穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性系數(shù)。

式中，WSC——水穩(wěn)定性系數(shù)（%）；——未浸水試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）；——浸水試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）。

（3）蓄水型固化土抗凍性能。蓄水型固化土基層材料可能會(huì)長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，那么其抗凍性能會(huì)在很大程度上影響結(jié)構(gòu)層的耐久性能。在季節(jié)性冰凍地區(qū)，這一性能尤為重要。目前規(guī)范尚未對(duì)蓄水型固化土排水基層的抗凍性能做出明確規(guī)定。該研究采用的控制指標(biāo)為28 d 養(yǎng)護(hù)試塊凍融5 次殘留抗壓強(qiáng)度比，綜合參考國(guó)內(nèi)固化土材料相關(guān)規(guī)范，確定其數(shù)值為75%。

該課題抗凍性能試驗(yàn)方式參照現(xiàn)行《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51）中T 0858 的方法。

2.2 蓄水型固化土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 原材料技術(shù)要求

（1）固化劑：

①無(wú)機(jī)類固化劑。無(wú)機(jī)類土壤固化劑即由無(wú)機(jī)化合物制成的一類化學(xué)物質(zhì)，如常見(jiàn)的水泥、石灰等。其原理主要為固化劑與土顆粒中的自由水發(fā)生水解、水化反應(yīng)，通過(guò)生成Ca(OH)2、CaCO3等膠結(jié)物，將土體中自由水固定為結(jié)晶水。黏土質(zhì)礦物失水后本身存在一定硬化強(qiáng)度，加之膠結(jié)物的黏結(jié)、空隙填充作用，改良素土工程性能。

②有機(jī)類固化劑。有機(jī)類土壤固化劑的分子量較大，自然條件下一般呈液態(tài)。該類固化劑固化機(jī)理多基于物理形式，并非對(duì)土顆粒進(jìn)行改造，而是利用高分子單體發(fā)生聚合反應(yīng)，在土壤內(nèi)部形成網(wǎng)狀的三維支撐結(jié)構(gòu)，又通過(guò)水解、電離等反應(yīng)產(chǎn)生帶電基團(tuán)，這些基團(tuán)與土壤中的帶電粒子連接，將土顆粒黏結(jié)成板塊，提高土體強(qiáng)度。

③離子類固化劑。離子類固化劑其主要成分為一種或多種離子化合物，常見(jiàn)的包括鈣離子、鋁離子、鐵離子等。這些離子可使土體內(nèi)部自由水中的電荷與土粒表面電荷充分交換，壓縮土顆粒表面的雙電層厚度，同時(shí)減少土體內(nèi)部間隙的毛細(xì)管作用，從而改變土壤性質(zhì)，由“親水性”變?yōu)椤霸魉浴?，再通過(guò)機(jī)械壓實(shí)形成一種高密度的新型土壤結(jié)構(gòu)，提高具體強(qiáng)度。

該課題選用的SRR-W 蓄水型固化劑，它以高分子聚合物類固化劑為基礎(chǔ)，添加水分散環(huán)氧齊聚物以提高強(qiáng)度；添加多元醇化合物平衡土體電荷需求，使混合料呈“憎水”性，減弱水與材料的黏滯性，提高滲透系數(shù)；添加發(fā)泡劑，使材料內(nèi)部形成均勻的聯(lián)通空隙，實(shí)現(xiàn)透水－蓄水性能。

（2）水泥。混合料的拌和、運(yùn)輸、攤鋪以及碾壓，整個(gè)流程一般不少于2 h，因此在選用水泥時(shí)，應(yīng)選用終凝時(shí)間較長(zhǎng)的水泥種類；由于固化劑的固化機(jī)理，需選用硅酸鹽水泥，并滿足以下要求：

①水泥初凝時(shí)間應(yīng)大于2 h，終凝時(shí)間應(yīng)在6~10 h。

②水泥的其余技術(shù)要求應(yīng)符合現(xiàn)行《通用硅酸鹽水泥》（GB175）的有關(guān)規(guī)定。

該課題所采用的水泥為海螺牌425 水泥。

（3）被穩(wěn)定材料。該課題被穩(wěn)定材料為細(xì)粒土，無(wú)需進(jìn)行級(jí)配研究。參考《高聚物穩(wěn)定細(xì)粒土基層施工技術(shù)指南》（T/CHTS 10102—2022）中對(duì)被穩(wěn)定材料的技術(shù)要求，該課題選用的是塑性指數(shù)大于17 的細(xì)粒土。

（4）石灰。石灰在蓄水型固化土材料中的作用不為增加材料強(qiáng)度或穩(wěn)定性等性能，而是當(dāng)被穩(wěn)定材料塑性指數(shù)＞17 時(shí)，需通過(guò)悶灰進(jìn)行鈣化處理，使水泥、固化劑和被穩(wěn)定材料能均勻拌和。

該課題所采用的石灰為粒徑不大于9.5 mm 的Ⅱ級(jí)石灰。

2.2.2 配合比設(shè)計(jì)

（1）初步配合比設(shè)計(jì)。不考慮壓實(shí)度影響的前提下，配合比的選取可參照《高聚物穩(wěn)定細(xì)粒土基層施工技術(shù)指南》（T/CHTS 10102—2022）技術(shù)要求進(jìn)行，具體如下：

無(wú)機(jī)結(jié)合料劑量和固化劑摻量可參照下表規(guī)定的范圍選取，且不宜少于5 個(gè)無(wú)機(jī)結(jié)合料劑量和2 個(gè)固化劑摻量。

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51）中T 0804 擊實(shí)試驗(yàn)方法，確定最大、中間和最小2個(gè)無(wú)機(jī)結(jié)合料劑量條件下混合料的最大干密度和最佳含水率，其他兩種無(wú)機(jī)結(jié)合料劑量的最佳含水率根據(jù)內(nèi)插法確定。

固化劑的添加對(duì)含水率的影響非常小，因此，在確定最大干密度和最佳含水率時(shí)不考慮添加固化劑。

根據(jù)最佳含水率、最大干密度及壓實(shí)度要求成型標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)定不同無(wú)機(jī)結(jié)合料劑量和固化劑摻量條件下混合料的7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，確定滿足設(shè)計(jì)要求的無(wú)機(jī)結(jié)合料劑量和固化劑摻量。

對(duì)于滿足強(qiáng)度要求的混合料試件應(yīng)開(kāi)展水穩(wěn)定性和抗凍性能試驗(yàn)；當(dāng)所有試件不滿足要求時(shí)，應(yīng)調(diào)整配合比重新試驗(yàn)。

配合比設(shè)計(jì)流程如圖1。

圖1 配合比設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)所選原料及配合比設(shè)計(jì)流程，確定研究的最佳設(shè)計(jì)配合比為表1。

表1 最佳設(shè)計(jì)配合比

（2）壓實(shí)度影響。根據(jù)《高聚物穩(wěn)定細(xì)粒土基層施工技術(shù)指南》（T/CHTS 10102—2022），固化土基層壓實(shí)度要求一般在90%~95%之間，選取90%及95%兩個(gè)壓實(shí)度下成型的試件分別進(jìn)行水力性能和力學(xué)強(qiáng)度性能的研究，得到以下試驗(yàn)結(jié)果，如表2~3：

表2 90%壓實(shí)度

表3 95%壓實(shí)度

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)室大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)施工工況，在規(guī)范的壓實(shí)度條件下蓄水型固化土力學(xué)強(qiáng)度均能滿足公路基層設(shè)計(jì)值，且均具備較好的蓄水性能，蓄水性能的大小隨壓實(shí)度增大而降低。通過(guò)上文的分析就蓄水型土壤固化技術(shù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定進(jìn)行了優(yōu)化，可以為相關(guān)檢測(cè)提供依據(jù)。同時(shí)，還提出了一套配合比方案，通過(guò)驗(yàn)證，該方案能夠滿足公路排水基層的應(yīng)用要求。蓄水型土壤固化技術(shù)不僅可用于排水路面基層、護(hù)坡、停車場(chǎng)、公園等城市建設(shè)方面，在防塵治沙、固土培植等領(lǐng)域更有著巨大的潛在市場(chǎng)。