SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土與水泥穩(wěn)定碎石土的力學(xué)性能與路用性能對比分析

王志軍，董學(xué)超，趙風(fēng)華

(1.呼和浩特機場建設(shè)管理投資有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064； 3.錫林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，內(nèi)蒙古 太仆寺旗 027000)

0 引 言

在建設(shè)公路的過程中需要消耗大量的石料，而石料大多來自開采山石，這無疑會破壞原有的自然生態(tài)；另一方面，長距離運輸石料也會增加公路的造價。中國西北地區(qū)干燥多雨，人口稀少，擁有豐富的土壤資源，在此地建設(shè)道路可直接利用土壤，不僅實現(xiàn)了當(dāng)?shù)氐仄さ闹苯永?，還減少了建設(shè)成本[1-4]。20世紀(jì)80年代，歐、美、日等發(fā)達國家和地區(qū)開始研究環(huán)境友好型的工程建設(shè)外摻劑，土壤固化劑就是其中的一種[5]。雖然中國在固化劑方面的研究起步較晚，但是如今也研究出了很多成果。沈陽大學(xué)李貞研究的生物酵素酶土壤固化技術(shù)將純天然的蛋白酶加入土壤中進行固化，既無毒無害，又有效地加固了土壤[6]；楊青等人研究了酸堿固化劑，針對有金屬離子的土壤(例如紅黏土等)利用磺酸形成的親水和疏水基團加固[7]；浙江師范大學(xué)羅小花采用具有強氧化和高溶解性能的離子固化劑，使土壤中的礦物成分結(jié)晶，達到固化的作用[8]。

SG-1型土壤固化劑是一種復(fù)合材料，通過多種無機結(jié)合料的共同作用可以提高土工技術(shù)性能，降低工程造價[9-11]。將土壤固化劑加入土壤中，可使土壤從親水變?yōu)槭杷?，土壤?nèi)的吸附水被完全消除，有效改善無機土壤的化學(xué)和物理性質(zhì)，可大大提高路基壓實度、密度、承載能力和集聚力，也降低了土壤對水分的敏感性，使土壤成為不透水性材料。鑒于碎石土在陜西地區(qū)存量豐富，依托陜西省神木縣重點村道工程，采用新型SG-1型土壤固化劑直接固化土壤，并將其作為基層材料。作為對照試驗，筆者在相同條件下對土壤固化劑穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定碎石土進行各種室內(nèi)試驗，通過對比每項試驗的結(jié)果，從而定性判斷其路用性能或力學(xué)性能能否達到使用要求[12-20]。

1 原材料選取

1.1 固化劑

SG-1土壤固化劑為灰白色粉狀物質(zhì)，主要由水泥熟料、生石灰、粉煤灰等無機結(jié)合料和高分子聚合物組成。其中，所含的表面活性劑具有增塑、防凍和防水的作用。其檢測結(jié)果見表1。

表1 SG-1土壤固化劑工作性檢測結(jié)果

1.2 碎石土

試驗用土的液限為20.3%，塑限為14.6%，塑性指數(shù)為5.7%，屬于黏土質(zhì)礫 GC。碎石土取自項目工地周邊，首先篩分碎石土，得到級配組成。土顆粒分析結(jié)果見表2。

表2 碎石土篩分結(jié)果

2 確定摻量

固化劑和水泥分別為2種穩(wěn)定土的膠結(jié)材料，為二者強度形成的關(guān)鍵因素。為了能得到二者的最佳摻量，分別按照表3的摻量進行擊實試驗。

表3 擊實試驗結(jié)果

從表3可知，隨著摻加量的不斷增加，2種穩(wěn)定土的最佳含水量不斷提高，而最大干密度逐漸減小。由于2種膠結(jié)物成分均為粉狀小顆粒，因此孔隙率很小，其比表面積相對較大，所以當(dāng)SG-1固化劑和水泥的摻量增加時，穩(wěn)定土易于壓實，并會吸收更多的水，使最佳含水量逐漸增大。

通過測定在不同摻量下的7 d無側(cè)限抗壓強度，可以發(fā)現(xiàn)無側(cè)限抗壓強度隨著摻量的增加逐漸提高。但是摻量的增加也會提高造價，只有使用相同的摻量得出的試驗結(jié)果才有可比性。綜合考慮之下，確定固化劑與水泥的劑量均為7%。

3 力學(xué)性能試驗

3.1 無側(cè)限抗壓強度檢測及分析

成型養(yǎng)生上述2種穩(wěn)定土的試件，每種各5個試件，將其分別養(yǎng)生7、28、60、90、180 d以后做無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果見表4、5。

表4 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

根據(jù)表5的試驗結(jié)果，2種材料的 7 d無側(cè)限抗壓強度均到達2.9 MPa，滿足規(guī)范要求。通過繼續(xù)分析可知，隨著齡期的增加，二者無側(cè)限抗壓強度均持續(xù)增大：齡期為14 d時，SG-1固化劑穩(wěn)定碎石土的抗壓強度比7 d提高了10.3%，而水泥穩(wěn)定碎石土提高了17.2%，可見水泥穩(wěn)定碎石土在這一時期的強度增長速度比SG-1型碎石土快；齡期為28 d時，前者比14 d的強度增長了12.5%，后者增長了11.8%；齡期為60 d時，前者比28 d的強度增長了25%，后者增長了23.6%；齡期為90 d時，前者比60 d的強度增長了11.1%，后者增長了12.8%；齡期為180 d時，前者比90 d時增長了8.0%，后者增長了3.8%。由此可見，雖然同齡期時水泥穩(wěn)定碎石土的強度更高，但最終二者強度大致相同；其次，二者的增長速度都是先快后慢；最后，齡期為28～180 d時，SG-1型碎石土的增長速度高于水泥穩(wěn)定碎石土。將表5的數(shù)據(jù)繪制成走勢圖可直觀地看出二者的差別，如圖1所示。

表5 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

圖1 無側(cè)限抗壓強度與齡期之間的關(guān)系

3.2 抗壓回彈模量檢測及分析

分別測定試件的7、28、90 d抗壓回彈模量，結(jié)果見表6。

表6 抗壓回彈模量試驗結(jié)果

通過分析表6數(shù)據(jù)得到：7～28 d，前者增長了290 MPa，增幅為42.9%；后者增長了357 MPa，增幅為47.0%。28～90 d，前者增長了432 MPa，增幅為44.7%；后者增長了408 MPa，增幅為36.5%。7～90 d，前者共增長了722 MPa，增幅為106.8%；后者共增長了765 MPa，增幅為100.7%?？偟膩碚f，二者抗壓回彈模量的性能較為接近，增幅明顯。

齡期相等時， SG-1 型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的抗壓回彈模量比水泥穩(wěn)定碎石土小。原因為水泥的水化反應(yīng)非?？焖?、劇烈，生成大量的膠結(jié)物質(zhì)，比其他膠結(jié)物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物更多，所以在相同的摻量下，SG-1型土壤固化劑中還含有其他成分，產(chǎn)生的反應(yīng)物相對較少，因此SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的模量稍低，但最終的抗壓回彈模量滿足要求。

4 路用性能試驗

4.1 水穩(wěn)定性試驗及結(jié)果分析

將成型試件按照試驗規(guī)范養(yǎng)生后，分別浸水0、2、4、6、8、10 d，測定各浸水時間后的強度，并計算出水穩(wěn)定性系數(shù)與強度損失，結(jié)果見表7。

表7 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

從表7可以看出，當(dāng)浸水的時間不斷變長，SG-1型固化劑穩(wěn)定碎石土與水泥穩(wěn)定碎石土的水穩(wěn)定系數(shù)都呈持續(xù)下降的趨勢，強度損失都呈持續(xù)增加的趨勢。平行比較二者，在相同浸水時間下，SG-1 型固化劑穩(wěn)定碎石土的水穩(wěn)定性優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石土。這是因為固化劑中含有高分子聚合物材料，比土更加具有親水性，因此降低了試件的吸水速度，保證了試件的水穩(wěn)定性。兩者最終的抗壓強度接近，驗證了SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的水穩(wěn)定性達到要求。 圖2為二者的強度損失和水穩(wěn)定系數(shù)走勢。

圖2 水穩(wěn)定系數(shù)和強度損失變化趨勢

4.2 干縮試驗方法與結(jié)果分析

降低材料含水量往往會使材料的體積出現(xiàn)一定程度的收縮，而基層過量的收縮會使道路在使用過程中出現(xiàn)較多的病害。因此，按照試驗規(guī)程測定其干縮的應(yīng)變量和平均干縮系數(shù)，評定基層的干縮性能，具體結(jié)果見表8。

表8 干縮試驗結(jié)果

分析表8試驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)雖然SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的失水率較高，但是其干縮量比水泥穩(wěn)定碎石土少了14.5%，說明其收縮性小，抗干縮能力強。分析成因，二者的摻量雖然相同，但是固化劑中的粉煤灰以及高分子聚合物材料具有很強的吸附土顆粒中水分的能力。宏觀而言，其水分并沒有流失太多，而是轉(zhuǎn)化為其他形式儲存下來，因此其對于收縮的影響不大。

4.3 抗凍性試驗及結(jié)果分析

將2種材料分別成型2組試件，按照規(guī)范要求養(yǎng)生28 d，最后一天放入水中。測定其中一組的無側(cè)限抗壓強度，另一組進行5次凍融循環(huán)，然后測定無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果見表9。

表9 凍融循環(huán)試驗結(jié)果

分析表8，經(jīng)過5次凍融循環(huán)試驗后，SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的強度損失為8.3%，抗凍性系數(shù)為91.7%；而水泥穩(wěn)定碎石土經(jīng)過5次凍融循環(huán)試驗后，強度損失為15.8%，抗凍性系數(shù)為84.2%。經(jīng)過凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的強度比水泥穩(wěn)定碎石土高，因此評定使用固化劑后碎石土的抗凍性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石土。

4.4 抗沖刷試驗及結(jié)果分析

雨水沖刷會使基層粒料剝落，并在車輛的作用下產(chǎn)生唧漿，帶出細(xì)小顆粒，因此抗沖刷性能也是評定基層性能的一項重要指標(biāo)。將2種材料按照規(guī)范成型試件后進行抗沖刷試驗，并計算出各沖刷質(zhì)量損失，結(jié)果見表10。

表10 抗沖刷試驗結(jié)果

從表9的抗沖刷試驗結(jié)果可知，SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的抗沖刷性優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石土。2種碎石土材料最大的區(qū)別在于膠凝材料不同。SG-型碎石土采用固化劑來穩(wěn)定天然的碎石土，其中高分子聚合物通過一系列物理化學(xué)作用逐漸形成一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并在石灰、水泥和粉煤灰反應(yīng)的作用下固定，從而使土顆粒運動受限；而水泥穩(wěn)定碎石土通過水泥凝結(jié)硬化的作用使碎石土穩(wěn)定。根據(jù)試驗所得結(jié)果，SG-1型土壤固化劑附著在土粒上的性能優(yōu)于水泥。

4.5 耐磨性試驗及結(jié)果分析

SG-1固化土擁有較好的耐磨性能，而規(guī)范中并沒有提到如何判定基層的耐磨性，因此筆者擬用水泥混凝土中的相關(guān)方法來檢測二者的耐磨性。為準(zhǔn)確測定耐磨性能，筆者在試驗過程中選用的齡期為180 d，按照規(guī)范中的T0567—2005要求進行耐磨試驗，結(jié)果如表11所示。

表11 耐磨性試驗結(jié)果

從表10可以直觀地看出，180 d齡期的SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的耐磨性能更好。分析其原因，還是在于膠凝物質(zhì)不同。SG-1型土壤固化劑的膠凝性能形成的結(jié)構(gòu)體比水泥形成的水泥石結(jié)構(gòu)更加緊密、穩(wěn)固。因此齡期為180 d時，SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的耐磨性優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石土。

5 效益分析

單位體積(壓實后)下2種材料的造價為：SG-1型土壤固化劑穩(wěn)定碎石土的單價為145.7元，而水泥穩(wěn)定碎石土的單價為166.2元。因此在經(jīng)濟效益方面，SG-1型碎石土高與水泥穩(wěn)定碎石土，具有較好的發(fā)展前景。

6 結(jié) 語

本文借陜西省神木縣重點村道工程進行創(chuàng)新研究，以SG-1型土壤固化劑和水泥分別形成的穩(wěn)定碎石土，進行了原材料檢測、力學(xué)性能、路用性能以及效益分析。通過上述試驗，可以得出以下結(jié)論。

(1)SG-1型土壤因化劑穩(wěn)定碎石土的無側(cè)限抗壓強度及抗壓回彈模量與水泥穩(wěn)定碎石土接近。SG-1型土壤固化劑碎石土的前期強度形成較快，并且增長速度較快，有利于前期快速施工并快速形成強度，縮短工期。

(2)SG-1型碎石土由于其特有的高分子聚合物具有親水性，使得其水穩(wěn)定性優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石土。其強度損失雖然不斷增大，但是增幅卻不斷減小，最終趨于穩(wěn)定，提高了基層的水穩(wěn)定性，可以延長路面使用壽命。

(3)SG-1型碎石土的干縮性小于水泥穩(wěn)定碎石土，因此其作為基層產(chǎn)生的病害較少。

(4)SG-1型碎石土的抗凍性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石土，避免了基層出現(xiàn)凍脹翻漿病害。同時抗沖刷性能和耐磨性能均優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石土，保證了基層的耐久性。

(5)SG-1 型碎石土單位體積材料價格低于水泥穩(wěn)定碎石土，可以節(jié)約大量的成本。

(6)SG-1型土壤固化劑由于含有獨特的高分子聚合物，與水泥、粉煤灰、石灰等材料發(fā)生物理化學(xué)作用，對土顆粒的約束能力強于水泥，即形成更加密實的土體。