土壤固化劑加固紅黏土路基的試驗(yàn)研究

陳永輝，苗世軍，靳一軍，劉 正

（中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安710000）

1 研究背景

在我國(guó)，公路建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常使用的基層是無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層，它的穩(wěn)定性和強(qiáng)度對(duì)于公路的建設(shè)都非常穩(wěn)定，在我國(guó)被最為廣泛地使用。但是在我國(guó)的部分地區(qū)，砂石料是非常缺乏的，雖然也可以使用無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層，但是砂石料的運(yùn)輸成本是非常昂貴的，長(zhǎng)距離的運(yùn)輸不僅會(huì)提高公路建設(shè)的成本，還會(huì)因?yàn)榻ㄔO(shè)過(guò)程中砂石料的開(kāi)采而造成環(huán)境破壞，因此很多地方都在使用黏土基層進(jìn)行公路建設(shè)，但是隨之而來(lái)的是邊坡失穩(wěn)和路基不均勻沉降的問(wèn)題，因此解決黏土路基的問(wèn)題刻不容緩。在國(guó)內(nèi)外的研究中，使用土壤固化劑能夠很好地固定土壤，改變黏土的膨脹性能和塑性指數(shù)，這對(duì)于提升黏土路基的穩(wěn)定性有很大的幫助。本文中為改良黏土的性能，使用離子土壤固化劑對(duì)黏土進(jìn)行了改造，使之能夠成為黏土路基的合格材料。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

此次試驗(yàn)的材料為土壤固化劑和紅黏土。土壤固化劑選用的是ISS離子固化劑，在使用的過(guò)程中直接根據(jù)使用的量用水進(jìn)行稀釋。黏土選用的是本地的原裝土，取土樣的深度不超過(guò)4 cm，測(cè)定的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 測(cè)定的紅黏土的物理學(xué)參數(shù)

2.2 配合比設(shè)計(jì)

紅黏土的結(jié)合水膜對(duì)于紅黏土的特性有著很大的影響，通過(guò)ISS對(duì)紅黏土進(jìn)行改性就是通過(guò)降低紅黏土結(jié)合水膜的厚度實(shí)現(xiàn)的。塑性指數(shù)在一定程度上反映著土壤的親水性能，塑性指數(shù)的值越高，紅黏土的結(jié)合水膜越厚，所以在進(jìn)行定性定量測(cè)定的過(guò)程中只需要對(duì)黏土的塑性指數(shù)進(jìn)行測(cè)定即可。在進(jìn)行液塑性試驗(yàn)時(shí)，將ISS固化劑和水混合后，摻入紅黏土樣本中，密封48 h，然后測(cè)定相關(guān)數(shù)據(jù)。

不同配合比下的固化紅黏土液塑性試驗(yàn)結(jié)果具體如表2所示。

表2 不同配合比下的固化紅黏土液塑性試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下的結(jié)論：①在ISS∶水=1∶200（體積）時(shí)，紅黏土的塑性指數(shù)達(dá)到了最低；②與沒(méi)有加入ISS的紅黏土相比，加入ISS固化劑的紅黏土的塑性指數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的降低，其最大的降低幅度為4.74%；③就目前的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，塑性指數(shù)并沒(méi)有與ISS摻入的濃度呈現(xiàn)出正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)ISS的濃度不斷增大時(shí)，紅黏土的塑性指數(shù)反而增大。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案參照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》和JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，在設(shè)計(jì)配合比下，將其制作為試件，并對(duì)其進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中紅黏土試件各項(xiàng)系數(shù)的變化。同時(shí)對(duì)紅黏土試件的的收縮性能與剪切強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，這些數(shù)據(jù)的獲取在一定程度上能夠綜合評(píng)定ISS固化劑在固化紅黏土方面的性能。

2.4 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

以下試驗(yàn)結(jié)果，沒(méi)有特殊說(shuō)明的，都是在最佳配合比環(huán)境下實(shí)施的，也就是ISS∶水=1∶200（體積）。

2.4.1擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在最佳配比環(huán)境下，制備出含水率不同的試件，然后密封24 h獲得的，試件的含水率無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)的掌控，只能根據(jù)實(shí)際的測(cè)定進(jìn)行分析。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理后可以得到相關(guān)結(jié)論，具體如表3和表4所示。

表3 素紅黏土的含水率和干密度

表4 固化紅黏土的含水率和干密度

從上面的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：固化紅黏土的最大干密度相比于素紅黏土，出現(xiàn)了比較大的增長(zhǎng)；其原因是在紅黏土中摻入ISS固化劑以后，降低了紅黏土顆粒之間的結(jié)合水膜厚度。

2.4.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是在擊實(shí)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在獲得最大干密度后，在這個(gè)基礎(chǔ)上制備一組不加固化劑的試件，另一組則加固化劑，進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。在獲得試件后，分別將試件放入到濕度95%，溫度20℃的養(yǎng)生箱進(jìn)行7 d、14 d和28 d的養(yǎng)護(hù)。獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 固化紅黏土在各齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)可以得到的結(jié)論是：與素紅黏土相比，加入ISS的固化紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有了明顯的提升；隨著試件齡期的不斷增加，固化紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也在不斷地增強(qiáng)。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是隨著時(shí)間的推長(zhǎng)，ISS固化劑與土壤顆粒發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也越來(lái)越深入，剛開(kāi)始只是和土壤顆粒的表面進(jìn)行了反應(yīng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)后，ISS能夠不斷地浸入到土壤顆粒內(nèi)部，從而發(fā)生離子化學(xué)反應(yīng)，不斷提升強(qiáng)度。

2.4.3 ISS固化劑對(duì)收縮性能的影響

在最佳配合比下，按照最大干密度和最佳含水率來(lái)制作試件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 固化紅黏土的收縮性能

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：加入ISS的固化紅黏土比素紅黏土的的縮限增大，體縮和豎向收縮率都有所降低。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是ISS固化劑使得黏土顆粒的結(jié)合水膜厚度降低，其表面結(jié)合的水就變少了，就出現(xiàn)了以上的現(xiàn)象。

2.4.4 ISS固化劑對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

采用快剪法進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，在最佳配合比下，按照最大干密度和最佳含水率來(lái)制作試件，獲得的數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 紅黏土的直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)可以得知固化紅黏土的粘聚力有所提升，內(nèi)摩擦角有所降低，但是變化不大。這主要是ISS的加入改變了黏土顆粒表面的水結(jié)合力，增強(qiáng)了其粘聚力。ISS固化劑使黏土顆粒的表面結(jié)合水膜變薄，使得顆?？梢栽谂帕忻嫔线M(jìn)行滑動(dòng)，所以內(nèi)摩擦角的變化不大。

3 結(jié)論

在經(jīng)過(guò)以上的試驗(yàn)之后，可以得到以下的結(jié)論：ISS固化劑的摻入能夠有效地降低紅黏土的塑性指數(shù)，但是兩種并沒(méi)有呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系；在此次的試驗(yàn)中ISS固化劑的最佳摻入比為ISS∶水=1∶200（體積）；加入ISS固化劑的紅黏土增強(qiáng)了最大干密度，降低了最佳含水率，提高了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；加入ISS固化劑的紅黏土增大了縮限，體縮和豎向收縮率降低?？傊尤隝SS的固化紅黏土可以作為公路的地基，并具有很好的性能。