固廢基膠凝劑穩定土的路用性能

王笑風 楊 博 趙亞婷 王曄曄

(河南省交通規劃設計研究院股份有限公司1) 鄭州 450000) (交通運輸行業公路建設與養護技術、材料及裝備研發中心2) 鄭州 450000) (河南省固廢材料道路工程循環利用重點實驗室3) 鄭州 450000)

0 引 言

在長期的工程實踐過程中,水泥、石灰等傳統材料穩定土逐漸暴露出干縮溫縮大、易開裂、易軟化、水穩定性差等各種問題[1-3],因此被限制應用于高等級公路.考慮到上述傳統無機材料的弊端,國內外學者對土壤固化劑進行不斷改良,研發出一系列新型固化劑.Anagnostopoulos[4]研究了樹脂類固化劑穩定黏土的效果,指出在固化土體達不到最佳含水量的情況下其無側限抗壓強度(UCS)仍得到大幅提升,且與水泥復合使用固化黏土力學性能更優.岳愛敏等[5]研究了以纖維素和環氧樹脂為主要成分的固化劑穩定土的路用性能,結果表明固化土的強度和耐水性能有所提升.彭波[6]根據雙電層理論合成一種表面活性劑,可有效解決傳統無機結合料穩定土施工拌和及強度不均勻等問題.Kochetkova[7]通過試驗對比分析了三種新型高分子固化劑對路基土強度和抗變形能力的改善效果.新型土壤固化劑往往采用大分子聚合材料或有機-無機結合材料,有較好的固化效果,但也存在與土基體相容性不好、長期耐久性欠佳、施工不宜拌和均勻、運輸不便、性價比不高等諸多問題.

利用工業固廢制備新型土壤固化劑的研究逐漸興起.Yu等[8]將煤矸石、鋼渣等與水泥復配,研究發現在工業廢渣摻量大于80%時固化土的無側限抗壓強度比水泥固化土的強度值增大5倍左右.Sabat等[9]研究指出煅燒白云石粉、粉煤灰和赤泥復合改良膨脹土的UCS和承載比(CBR)均隨固化劑摻量增多而增大,且白云石粉和粉煤灰的最佳比例分別是8%和15%.沈建生等[10]以鋼渣為主要原材,配合使用脫硫石膏、礦渣等工業廢渣和激發劑制備土壤固化劑,并研究了其對軟土的固化效果,指出固化劑水化產物與水泥相似,均生成C-S-H凝膠、鈣礬石和氫氧化鈣晶體.Sharma等[11]綜述了現階段工業固廢基地聚物土壤固化劑配合比參數設計、微觀結構和固化性能等研究進展,提出工業廢渣穩定土在路基和路面基層中的潛在應用價值.

文中以赤泥、尾礦、電石渣、鈦石膏等工業廢渣為主要原料制備了一種新型土壤固化劑ISW,選擇粉質土、砂質土、黏質土和膨脹土四種不同性質的土樣,通過力學和耐久性試驗研究對比分析了自主研發的固化劑ISW與硅酸鹽水泥對不同性質土的固化作用,評價了兩種固化劑對不同土質的普適性及對固化土體路用性能的影響規律.

1 試 驗

1.1 原材料

試驗土樣取自河南境內高速公路沿線具有典型代表性的四類土,其參數見表1,其中CBR測試試件按擊實試驗確定的最大干密度和最佳含水率準備;膨脹土有荷壓力下脹縮總率為2.0%,屬于弱膨脹土[12].試驗前先將土樣烘干至恒重,破碎并過0.6 mm方孔篩,取篩下物備用.

表1 試驗土樣的基本物理性能指標

試驗采用以工業廢渣為主要原材料配制的ISW膠凝劑和P·C 32.5水泥進行土的固化試驗,水泥固化土為參照組.通過X射線熒光光譜分析(XRF)測定ISW固化劑和P·C32.5水泥的化學成分,結果見表2.所有試驗均設定兩種固化材料的摻量為4%(占土樣質量比).

表2 固化材料的化學組成 單位:%

1.2 試驗方法

1) CBR試驗 根據JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》中規定的步驟,采用多功能路面材料強度試驗機進行CBR測試.按照擊實試驗確定的最佳含水率和最大干密度,每組制備3個試件.將擊實試驗完成后的試件浸于水中四個晝夜,浸水齡期結束后計算膨脹量并測定CBR值.

2) 無側限抗壓強度試驗 測試步驟參照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行.根據擊實試驗所得土的最佳含水率和最大干密度,按98%的壓實度采用靜力壓實法制備直徑50 mm、高50 mm的試件.試件成型后,在溫度為(20±2)℃、濕度為95%的條件下養護6 d,再放入清水中浸泡24 h,然后用壓力機測試其7 d UCS值.由于標準中沒有28 d無側限抗壓強度的要求,本試驗按照以下方式進行:固化土試件成型后,在溫度為(20±2)℃、濕度為95%的條件下養護6 d,在清水中浸泡22 d后,測試其28 dUCS值.

3) 劈裂強度試驗 劈裂試驗可以有效評估固化土體的抗裂性能,試驗采用多功能路面材料強度試驗機進行測試,測試過程依據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中的規定步驟進行.

4) 水穩定性試驗 按照CJT 486—2015《土壤固化外加劑》中試驗方法測定固化土樣的水穩系數,標準養生齡期7 d最后1 d浸水的穩定土試件UCS值與不經過浸泡的同齡期試件的UCS值之比.

5) 干濕循環試驗 研究固化材料摻量變化對固化土試件養護28、90 d時抗干濕循環能力的影響.每組六個試件(50 mm×50 mm圓柱體),最終結果取平均值.試驗過程為:將試件在恒溫恒濕標準養護條件下養護至規定齡期,養生期最后一天將試件置于(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,以此為一次干濕循環,五次干濕循環后測定試件的UCS值.干濕循環系數的計算公式為

(1)

6) 凍融循環試驗 凍融循環試驗參照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中規定的試驗方法進行.低溫凍結溫度為-18℃,持續16 h;凍結試件置于(20±2)℃的水中解凍8 h,此為一次凍融循環.分別測定凍融循環5次、10次后試件的無側限抗壓強度,并按式(2)計算凍融試件的強度保留率.

(2)

2 結果與討論

2.1 承載比

表3為不同類別固化土樣的CBR測試結果.由表3可知:ISW固化劑和水泥穩定不同類別土樣的CBR值均在35%以上,遠遠超過JTG D30—2015《公路路基設計規范》中規定的上路床CBR大于8%的要求.按ISW固化土樣的CBR值從大到小排序依次為細砂土>粉質土>黏土>膨脹土,說明ISW固化劑對砂質和粉質土的固化效果更佳;而水泥固化土也存在相似的規律.但相比之下,ISW固化劑對不同性質土的適應性更好;除膨脹土之外,ISW固化不同類別土樣的CBR值均高于水泥固化土.綜合來看,ISW固化劑和水泥固化膨脹土的效果相當,但ISW固化劑相比水泥更具價格優勢,有利于在實際工程中推廣使用.

表3 不同類別固化土樣的CBR測試結果 單位:%

2.2 無側限抗壓強度

不同類型固化土樣的無側限抗壓強度見圖1.由圖1可知:采用ISW固化土時,其固化細砂土的7d強度最高,粉土次之,與上述CBR測試結果相符[13].

圖1 不同類別固化土樣UCS值的變化規律

2.3 劈裂強度

圖2為ISW和水泥固化土的劈裂強度變化規律.由圖2可知:相同齡期下ISW固化土的劈裂強度均高于水泥固化土,說明ISW固化劑對四類土樣抗裂性能的改善作用優于水泥固化土.

圖2 不同類別固化土樣劈裂強度的變化規律

2.4 水穩定性

不同類別固化土樣水穩系數的變化規律見表4.由表4可知:所有固化土樣的水穩系數均小于1,介于0.80～0.97,說明飽水固化土試件的UCS值較標準養護試件均有不同程度的降低.這是由于浸水使得土顆粒之間的粘聚力及內摩擦力減弱造成的.由于土質不同,兩種固化劑對不同類別土的水穩定性改善作用也有所差異.總體來說,ISW固化四種類型土的水穩定性排序為固化粉質土>細砂土>黏土>膨脹土;水泥固化粉土和砂土的水穩系數相當,高于固化黏土和膨脹土.這是因為黏土本身具有較強的吸水性,膨脹土更是吸水膨脹軟化、干燥收縮開裂的典型,從而容易導致結構疏松化,造成固化土體強度損失.土質相同的條件下,ISW固化土的水穩系數均大于水泥固化土,說明ISW對四種類型土體的水穩定性改善效果優于水泥固化土.

表4 不同類別固化土樣的水穩定性測試結果

2.5 抗干濕循環性能

表5為不同齡期時固化土樣的干濕循環測試結果.由表5可知:所有固化土樣的干濕循環系數均隨齡期延長而增大,說明干濕循環后固化土樣的無側限抗壓強度仍然隨齡期延長持續增長.這是因為固化土樣內部反應產物形成的空間網狀結構隨齡期延長逐漸擴展,整體結構更為致密.相同齡期時ISW固化四種土樣中,固化砂土的抗干濕循環性能最佳,90d干濕循環系數達到0.91,其次為固化粉質土>黏土>膨脹土,這與水穩系數變化規律相似(見表4),主要和土質有關;隨著齡期的延長,ISW固化粉質土和細砂土的水穩系數增長較大,增幅為11%左右,而ISW固化膨脹土的增幅較小.相同齡期時水泥固化不同類別土樣的水穩系數變化規律與ISW固化土相似,同為固化粉質土和細砂土的抗干濕循環性能較好.在相同齡期、相同土質條件下,ISW固化土的干濕循環系數均大于水泥穩定土,抗干濕循環性能更好.且相比之下,ISW固化土樣的干濕循環系數隨齡期延長增幅更大,這是由于工業廢渣中組分活性得以持續激發,從而可以進一步提升固化土體強度.

表5 不同類型固化土樣的干濕循環系數

2.6 抗凍融循環性能

不同類型固化土樣經凍融循環后的強度保留率見表6.由表6可知:所有固化土樣經凍融循環后強度均有所下降,這是結構孔隙中殘留水分反復凍融產生體積變化,導致固化土體結構逐漸疏松的結果.無論采用哪種固化劑,不同類型固化土樣的抗凍性能均表現為固化粉質土>黏土>細砂土>膨脹土,且強度保留率隨著凍融循環次數的增加而減小.具體來講,采用ISW固化劑時,固化粉質土的抗凍性較好,經5次凍融循環后的強度保留率為85.3%,10次循環后依然可以達到65.0%;固化黏土和細砂土的強度保留率雖不及固化粉土,但經10次凍融循環后仍在50%以上,說明ISW固化該兩種類型土的抗凍性良好;而ISW固化膨脹土的5次循環強度保留率相對較低,但其隨凍融循環次數增加的下降幅度較小,10次循環后強度保留率數值減小約12%,說明ISW固化膨脹土抵抗長期凍融循環的能力較強.采用水泥固化土時,5次凍融循環后試件強度保留率基本上均略低于ISW固化土;當凍融循環次數增至10次后,水泥固化土樣的強度損失較為嚴重,四種類型固化土樣的強度保留率大幅下降,其中水泥固化粉質土的強度保留率由80.2%降低至53.0%,說明水泥固化土的抗凍融穩定性欠佳.

表6 不同類型固化土樣的凍融循環測試結果

3 結 論

1) ISW固化劑和水泥對不同性質土的CBR及無側限抗壓強度的改善作用順序均為固化細砂土>粉質土>黏土>膨脹土.所有固化土樣的CBR均在35%以上;相同齡期下,ISW固化土的無側限抗壓強度更高,28d強度值超過3.3 MPa.

2) ISW固化劑可有效提升不同性質土的劈裂強度,從而改善其抗裂性能.且ISW固化土樣的劈裂強度在較長齡期內呈持續增長趨勢,尤以固化黏土的強度增幅較大.

3) 無論采用何種固化劑,不同類型固化土樣的水穩定性和抗干濕循環性能與力學性能變化規律較為一致,同樣表現為固化粉質土和細砂土的性能相對較優,固化黏土和膨脹土次之.而抗凍性能表現為固化粉質土>黏土>細砂土>膨脹土.隨著凍融循環次數的增加,水泥固化土的強度損失較為嚴重,但ISW固化土的強度保留率較高,10次循環后仍在50%以上;其中ISW固化膨脹土的長期抗凍融穩定性較好.

4) ISW固化劑對粉質土、砂質土、黏性土和膨脹土均具有相對較好的適用性,對不同性質固化土體物理力學性能和耐久性的改善效果優于硅酸鹽水泥.