張 濤，潘 登，樂金朝

(1.河南交通職業(yè)技術學院公路學院，河南 鄭州 451400; 2.鄭州大學水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002)

0 引言

含砂低液限粉土廣泛分布于我國北方平原地區(qū)，具有塑性指數(shù)低、粘性小、壓實困難的特點，作為公路路基填筑料其工程性質(zhì)較差［1，2］。工程應用中常造成路基沉降變形、橋頭跳車、路基滑塌或水毀等病害［3，4］。因此，選用粉土作為路基填料時需要對其進行處理［5－8］。

針對豫東粉土的特殊性，對試驗路段路床采用某粉狀無機類土壤固化劑進行處理，對比分析穩(wěn)定路床的擊實特性、無側(cè)限抗壓強度、CBR、抗裂強度、干縮特性等路用性能指標，并將研究成果應用到工程試驗路段，驗證其工程應用的可行性。

1 材料性質(zhì)及試驗配比

1.1 土樣

試驗用土選自濟祁高速公路工程取土場，為褐黃色。按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)，通過試驗確定其粒徑分布及物理性質(zhì)指標，結(jié)果見表1、表2。

由試驗結(jié)果可以看出，該土樣的粉粒含量約為64.4%，砂粒含量約為25.2%，液限WL＜50%，塑性指數(shù)7 ＜Ip＜10，按照分類標準該土樣為含砂低液限粉土。

1.2 土壤固化劑

土壤固化劑在固化穩(wěn)定土壤中的作用主要為復合膠凝效應和填充增強效應。研究采用的是粉狀無機類土壤固化劑，其有效成分為水泥、摻合料、粉煤灰、CaO、活性劑等。固化劑和土壤混合后各種離子發(fā)生反應，以達到固結(jié)土壤、提高強度和水穩(wěn)定性等能力。

表1 土樣顆粒級配表

表2 土樣物理力學性質(zhì)指標

1.3 試驗配比

結(jié)合土壤固化劑的使用性能說明，總結(jié)了對路基填料已有研究成果［9，10］，設計了 3 種土壤固化劑穩(wěn)定粉土路床配比，見表3。

表3 配比方案表

2 最優(yōu)配比試驗研究

將取土場土樣經(jīng)自然風干，人工碾散過2 mm篩，擊實試驗采用重型擊實試驗法，干土法備樣(土樣不重復使用)，按照表3配比制備土樣進行室內(nèi)試驗。根據(jù)穩(wěn)定土的擊實特性、7 d 無側(cè)限抗壓強度確定最優(yōu)配比。

2.1 擊實試驗

針對原土及3 種配比穩(wěn)定土分別進行重型擊實試驗，得到干密度與含水率關系(圖1)。為更加直觀的分析其壓實特性及水敏感性，對其空氣體積率Va(圖2)進行分析。

圖1 干密度與含水量變化關系

圖2 空氣體積率與含水量關系圖

根據(jù)擊實試驗結(jié)果圖1，隨著固化劑的添加土樣的最大干密度減小，最佳含水量較原土變大;3 種配比方案的最佳含水量基本一致，最大干密度隨固化劑添加量的升高而降低。

隨著固化劑量的增加相同含水量下的空氣體積率減小;最佳含水量左側(cè)水敏感性較右側(cè)大;配比A在最佳含水量右側(cè)有一個明顯的空氣體積率回彈，沒有很好地消除粉土在高含水量下壓實困難的問題，而配比B、C 的情況較好。

2.2 7d無側(cè)限抗壓強度試驗

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)［11］進行試驗，按高速公路路床壓實度要求，對3 個配合比靜壓法制樣使壓實度為96%，進行不同齡期的無側(cè)限抗壓強度試驗。見表4。

表4 7d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果 MPa

試驗結(jié)果中，配比A 不能滿足路床設計抗壓強度要求，即要求Rc 0.95≥Rd，配比B、C 能滿足路床設計抗壓強度要求。

2.3 最優(yōu)配合比綜合分析

根據(jù)擊實試驗、空氣體積率和7 d 無側(cè)限抗壓強度試驗進行綜合評判，并考慮經(jīng)濟技術的合理性，最后分析得到配比B(6∶94)為最佳配比。

3 路用性能試驗研究

按照試驗規(guī)程［11］，對 6∶94 固化劑穩(wěn)定粉土、3%水泥穩(wěn)定粉土、粉土按照高速公路路床壓實度要求，靜壓法制樣使壓實度為96%，對其抗壓強度、CBR、抗裂強度及干縮特性等進行試驗，并進行對比分析。

3.1 無側(cè)限抗壓試驗

按照試驗規(guī)程分別進行 7、14、28、60、90、180 d的無側(cè)限抗壓強度試驗，3 種土樣的試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 無側(cè)限抗壓強度隨齡期的變化曲線

固化劑穩(wěn)定土和3%水泥穩(wěn)定土的強度特性有明顯的改善，均滿足路床設計抗壓強度要求;7 d 強度值大致相同，但固化劑穩(wěn)定土的后期強度增長較快，同期齡強度值均大于3%水泥穩(wěn)定土。固化劑穩(wěn)定粉土的28 d 強度可達180 d 強度的80%，說明固化劑穩(wěn)定土具有早強性，有利于加快施工進度。

3.2 CBR值試驗

按照試驗規(guī)程［11］，分別對3 種土樣進行 CBR試驗，結(jié)果如表5。

表5 CBR試驗結(jié)果

粉土的CBR 值不能滿足路床設計要求;固化劑穩(wěn)定土和3%水泥穩(wěn)定土能很好的改善CBR 性能，其結(jié)果均滿足路床CBR 設計要求。

3.3 劈裂試驗

按照試驗規(guī)程分別對3 種土樣進行7、14、28、60、90、180 d 的劈裂強度試驗，根據(jù)試驗結(jié)果繪制了劈裂強度隨齡期的增長曲線(見圖4)。

圖4 劈裂強度隨齡期的變化曲線

粉土的劈裂強度較低，后期增長不明顯;固化劑穩(wěn)定粉土的劈裂強度大于同期齡的3%水泥穩(wěn)定粉土，且后期劈裂強度增長較快，28 d 劈裂強度達到180 d 的50%;隨著齡期增長，固化劑穩(wěn)定粉土的劈裂強度增長趨勢逐漸變緩，但仍有穩(wěn)定的增長。

3.4 干縮試驗

按照試驗規(guī)程［11］，采用靜壓成型方法制作小梁試件，每組6 個試件，3 個測干縮量，3 個測質(zhì)量損失。干縮性能主要以干縮應變以及干縮系數(shù)兩個指標來衡量。由于粉土試樣受到破壞，無法提供可靠數(shù)據(jù)，只對固化土和3%水泥土進行試驗。

兩種土樣的干縮應變隨時間的變化曲線變化規(guī)律基本一致(圖5)，干縮應變在試驗的前120 h 干縮應變增長較快，之后逐漸趨于平穩(wěn)，在試驗進行7 d 之后，試件的干縮應變基本達到穩(wěn)定。

固化劑穩(wěn)定土較3%水泥穩(wěn)定土干縮應變大，主要是由于固化劑與試件中的水發(fā)生水化作用所引起體積收縮。施工中在保證材料強度的前提下，應盡量減少固化劑的用量，以減小混合料的自生收縮，保證材料的抗裂性能。

固化劑穩(wěn)定土干縮系數(shù)隨著時間的增長在36 h 內(nèi)達到峰值(圖6)，后隨著時間的增加趨于穩(wěn)定，與3%水泥穩(wěn)定土干縮系數(shù)基本一致。而3%水泥穩(wěn)定土的干縮系數(shù)沒有明顯整體峰值出現(xiàn)。

圖5 干縮應變隨時間的變化曲線

圖6 干縮系數(shù)隨時間的變化曲線

對比已有研究結(jié)果［12，13］，配比 6∶94 固化劑穩(wěn)定土的干縮系數(shù)相對較小，能夠滿足高速公路路用材料的性能要求。

4 試驗性工程應用

為驗證最優(yōu)配比6∶94 固化劑穩(wěn)定土實際工程路用性能，選擇濟祁高速公路(永城段)二期工程100 m 作為試驗路段，進行路床施工。

4.1 施工工藝控制

由該標段的設計圖紙可知，路床處理層厚度為36 cm，共兩層各18 cm，均采用路拌法進行施工?；旌狭习韬暇鶆蚝?，立即用平地機進行整平和整形;整形后，不應出現(xiàn)薄層補貼現(xiàn)象。碾壓順序及碾壓遍數(shù)應合理，采用光輪壓路機碾壓，膠輪壓路機收面。在保證施工質(zhì)量的前提下，盡量縮短施工碾壓成型的延遲時間，確保混合料的強度不出現(xiàn)大幅下降。碾壓完成并經(jīng)檢測合格后，應立即灑水，并蓋上專用養(yǎng)生膜進行養(yǎng)生，以保持表面濕潤。固化劑穩(wěn)定粉土的施工工藝簡單，但施工的技術含量高，每一道工序?qū)袒恋馁|(zhì)量影響都很大，所以施工過程必須嚴格監(jiān)管。

4.2 施工質(zhì)量檢測

按照公路工程施工質(zhì)量檢測的規(guī)定，對試驗段路床工程壓實度、無側(cè)限抗壓強度、CBR 等進行檢測，試驗路段各項性能指標均能滿足設計要求。檢測結(jié)果見表6。

表6 試驗路段檢測結(jié)果

5 結(jié)論

通過對固化劑穩(wěn)定含砂低液限粉土的路用性能研究，了解了穩(wěn)定粉土路床的各項性能指標，主要研究結(jié)論如下:

1)對固化劑穩(wěn)定土進行3 種配比試驗研究，確定了路床的穩(wěn)定土最佳配比為6∶94。

2)固化劑穩(wěn)定土的強度特性有明顯的改善，同期齡強度值均大于3%水泥穩(wěn)定土，滿足路床設計抗壓強度要求。

3)固化劑穩(wěn)定土的CBR 性能提高明顯，其結(jié)果滿足路床CBR 設計要求。

4)固化劑穩(wěn)定粉土的劈裂強度大于同期齡的3%水泥穩(wěn)定粉土，明顯高于粉土。

5)固化劑穩(wěn)定土較3%水泥穩(wěn)定土干縮應變大，具有自生收縮性，干縮系數(shù)相對較小，滿足高速公路路用材料的性能要求。

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