固化劑改良粉砂土材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張小亮

固化劑改良粉砂土材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張小亮

（周口市公路勘察設(shè)計院，河南 周口 466000）

針對干線公路基層材料的路用性能要求，通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了固化劑改良粉砂土作為路面基層材料的力學(xué)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：粉砂土經(jīng)過固化劑和水泥綜合改良處治后，材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量隨著齡期的增加而增長，能夠滿足作為干線公路基層材料的相關(guān)技術(shù)要求。由于固化劑處治粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著延遲時間的增加而逐步降低，在現(xiàn)場碾壓施工過程中，如果將延遲時間控制在8h以內(nèi)，可以保證現(xiàn)場施工質(zhì)量。

粉砂土；固化劑；基層；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；劈裂強(qiáng)度；抗壓回彈模量

1 研究背景

河南省地處黃河、海河兩大流域，多數(shù)地區(qū)具有典型的粉砂土地質(zhì)。在周口地區(qū)，由于粉砂土分布廣泛，砂石料嚴(yán)重缺乏，在道路工程施工過程中作為基層和底基層的砂石材料基本全部需要外部調(diào)運(yùn)，使道路工程造價顯著提升。特別是目前隨著國家環(huán)境保護(hù)及公路治理政策執(zhí)行力度的加大，砂石材料的價格顯著增長，給當(dāng)?shù)毓沸藿◣砹溯^大壓力。根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，尋求合適的路面基層材料成為當(dāng)?shù)氐缆饭こ填I(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題。

由于粉砂土的顆粒比較均勻，黏性較差，其強(qiáng)度較低，且不易壓實(shí)，很難直接作為干線公路的基層和底基層材料進(jìn)行施工［1］。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，土壤固化劑能減小土壤顆粒之間的排斥力，對土壤具有較好的改良作用，已在部分公路工程中得到成功應(yīng)用，且取得了較好的施工效果，并在節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境方面具有一定的優(yōu)勢［2-5］。本文根據(jù)周口地區(qū)公路修筑的實(shí)際需要，采用水泥和固化劑對粉砂土進(jìn)行穩(wěn)定處理，探討其強(qiáng)度性能及其主要影響因素，并分析其作為干線公路底基層和基層材料的適用性和可行性，從而為合理開發(fā)利用當(dāng)?shù)胤凵巴临Y源提供一定的技術(shù)依據(jù)。

2 力學(xué)性能試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案

為了研究水泥固化劑穩(wěn)定粉砂土的力學(xué)特性，設(shè)計了兩種配合比，即水泥∶固化劑∶粉砂土的比例分別為5∶6∶89和6∶6∶88。土壤固化劑選用“路豐牌”，摻配的水泥選用強(qiáng)度等級為32.5MPa的“同力牌”復(fù)合硅酸鹽水泥。按規(guī)范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》的要求，分別進(jìn)行了不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，以及養(yǎng)護(hù)齡期分別為28d和90d抗壓回彈模量試驗(yàn)、7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度延遲試驗(yàn)。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是固化劑處治粉砂土作為道路底基層和基層材料的重要設(shè)計指標(biāo)。對于設(shè)計的兩種配合比，通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)，給出了該類材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同配合比材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期變化的關(guān)系

由圖1可知，兩種配合比的固化劑處治粉砂土在28d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都能達(dá)到5MPa以上。另外，該類材料的早期增長較快，其28d的強(qiáng)度可達(dá)180d強(qiáng)度的80%左右，具有明顯的早強(qiáng)特性。當(dāng)齡期大于28d時，固化劑處治粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍有一定的增長，但增長趨勢放緩，強(qiáng)度值逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，都能夠達(dá)到6MPa以上，符合一般干線公路的底基層和基層材料的強(qiáng)度要求。

2.3 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

道路基層材料的劈裂強(qiáng)度對其路用性能影響較大，是重要的設(shè)計指標(biāo)之一。對于設(shè)計的兩種配合比，通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)，給出了該類材料的劈裂強(qiáng)度隨齡期的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，兩種配合比的水泥固化劑穩(wěn)定粉砂土在28d齡期的劈裂強(qiáng)度都能夠達(dá)到0.8MPa以上。另外，該類材料的劈裂強(qiáng)度初期增速較快，當(dāng)齡期大于60d，其劈裂強(qiáng)度增速逐漸放緩。另外，兩種配合比的固化劑處治粉砂土7d劈裂強(qiáng)度僅為180d劈裂強(qiáng)度的25%左右，當(dāng)齡期為60d時，其劈裂強(qiáng)度可達(dá)180d劈裂強(qiáng)度的80%以上。因此，在現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)充分考慮固化劑處治粉砂土的劈裂強(qiáng)度在施工后期的增長潛力。

圖2 基層不同配合比材料的劈裂強(qiáng)度與齡期變化的關(guān)系

2.4 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果及分析

道路基層材料需要具有良好的剛度性能才能避免在車輛荷載作用下路面產(chǎn)生過大變形而造成的破壞。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度較大的6∶6∶88配合比材料進(jìn)行了28d與90d的抗壓回彈模量的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。本研究的設(shè)計參數(shù)為1 500MPa。

表1 抗壓回彈模量

由表1可知，固化劑處治粉砂土的抗壓回彈模量隨齡期的增加具有一定的增長。當(dāng)齡期為90d時，作為干線公路的基層材料，固化劑處治粉砂土的抗壓回彈模量滿足規(guī)范設(shè)計要求（1 300～1 700MPa），能作為道路基層材料進(jìn)行施工。

2.5 7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度延遲試驗(yàn)結(jié)果及分析

在現(xiàn)場施工過程中，由于受多種因素的影響，道路基層的碾壓施工往往不能按時進(jìn)行，從而對基層材料的路用性能產(chǎn)生一定影響。為此，通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了不同延遲時間對優(yōu)選配合比6∶6∶88的固化劑處治粉砂土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度延遲試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，隨著延遲時間的增加，固化劑處治粉砂土的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)延遲時間為8h時，其7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.76MPa，較無延遲條件下降低了0.58MPa，仍能滿足基層材料設(shè)計指標(biāo)的要求。為了保證施工質(zhì)量，現(xiàn)場施工的延遲時間應(yīng)控制在8h以內(nèi)。

3 結(jié)論

本文針對干線公路底基層和基層材料的力學(xué)性能要求，通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了兩種配合比的固化劑處治粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律，并對優(yōu)選的配合比進(jìn)行了抗壓回彈模量和7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度延遲試驗(yàn)。主要結(jié)論如下。

①固化劑處治粉砂土材料具有良好的早強(qiáng)性。兩種配合比材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨著齡期的增加而增大，且28d齡期材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度可達(dá)180d齡期強(qiáng)度的80%左右，60d齡期材料劈裂強(qiáng)度可達(dá)180d齡期劈裂強(qiáng)度的80%以上，能滿足干線公路底基層和基層材料的設(shè)計要求。

②對于配合比為水泥∶固化劑∶砂土=6∶6∶88的固化劑處治粉砂土材料，當(dāng)齡期為90d時，其抗壓回彈模量能夠滿足干線公路底基層和基層材料的設(shè)計要求。

③隨著延遲時間的增加，固化劑處治粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定程度的降低。如果將延遲時間控制在8h以內(nèi)，其強(qiáng)度指標(biāo)仍能滿足設(shè)計參數(shù)的要求。為了保證現(xiàn)場施工質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制基層延遲碾壓時間。

［1］王國曉，楚永紅.粉砂土路基填筑質(zhì)量控制要點(diǎn)［J］.河南科技，2010（8）：91.

［2］趙振東.路用典型砂土的低溫陶瓷固化機(jī)理應(yīng)用研究［J］.公路，2011（10）：55-58.

［3］徐平，樂金朝，馬清文，等.土壤固化劑穩(wěn)定粉質(zhì)黏土性能的試驗(yàn)研究［J］.建筑材料學(xué)報，2010（1）：57-61.

［4］謝先旭，楊雪娟.淺談土壤固化劑在公路路基施工中的應(yīng)用［J］.河南科技，2013（6）：146.

［5］張濤，潘登，樂金朝.土壤固化劑穩(wěn)定粉土路用性能試驗(yàn)研究［J］.湖南交通科技，2014（4）：4-6.

Experimental Study on Mechanical Properties of Silty Soil Mixed with Curing Agent

Zhang Xiaoliang
（Zhoukou Highway Survey&Design Institute，Zhoukou Henan 466000）

According to the pavement performance requirements of base course in arterial highway,the mechanical properties of cement and curing agent stabilized silty soil are studied through laboratory experiments.The experiment results revealed that as a base course building materials of arterial highway,the unconfined compressive strength,splitting strength and compressive modulus of cement and curing agent stabilized silty soil increase with the age rising.The unconfined compressive strength of cement and curing agent stabilized silty soil decreases with the increase of delay time,so that the delay time of field compaction should be controlled within 8 hours to ensure site construction quality.

silty soil；curing agent；base course；unconfined compressive strength；splitting strength；compressive modulus

U416.212

A

103-5168（2017）09-0125-03

2017-08-01

河南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2014K44）。

張小亮（1984-），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。