尚高鵬， 秦小軍， 劉路路

(1. 甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 蘭州 730030； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 徐州 221116)

粉土路基廣泛分布于中國(guó)東南沿海和內(nèi)陸大部分地區(qū)，作為處于黏性土跟砂性土間的一類(lèi)土，在干燥情形下較易揚(yáng)塵，遇水時(shí)易變成液體狀，毛細(xì)水具有較大的上升高度，難以壓實(shí)且作為路基填土性能極差，竣工完經(jīng)受行車(chē)荷載的壓力，易造成路面變形、開(kāi)裂與失穩(wěn)等問(wèn)題[1-2]。在實(shí)際工程中，一般會(huì)放棄不符合路用性能要求的粉土。然而，通常這類(lèi)地區(qū)缺少優(yōu)質(zhì)路基填料，換填處理會(huì)耗費(fèi)大量人力、時(shí)間以及土地資源[3]。因此，開(kāi)展粉土加固技術(shù)，不僅可以提高粉土資源高效利用，還能滿(mǎn)足我國(guó)巖土工程建設(shè)綠色發(fā)展的迫切需要。

張艷美等[4]指出粉土抗管涌能力差，飽和狀態(tài)時(shí)受振動(dòng)荷載作用易發(fā)生液化。粉土工程特性可通過(guò)摻入水泥、石灰、粉煤灰等無(wú)機(jī)材料得到顯著改善，但其抗裂性并無(wú)顯著效果，通常表現(xiàn)為脆性破壞，在路面呈現(xiàn)出縱向、橫向裂紋。崔偉等[5]采用石灰、水泥、水玻璃、黏土等材料提高了低液限粉土短期強(qiáng)度，但未研究其長(zhǎng)期耐久性與開(kāi)裂特性。趙昊宇等[6]指出水泥土形成的堿性環(huán)境，降低了土體的持水能力和營(yíng)養(yǎng)含量，影響鋼結(jié)構(gòu)、混凝土等地下構(gòu)筑物的服役壽命，不符合國(guó)家的“雙碳”戰(zhàn)略需求。朱志鐸等[7]指出水泥土、石灰土具有顯著的脆性特征，在交通循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性易發(fā)生破壞，缺乏抑制土體開(kāi)裂的加筋材料。因此，研發(fā)新型、高效、環(huán)境友好的粉土加固材料符合國(guó)家“十四五”規(guī)劃的綠色與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略大計(jì)。

目前，纖維加筋技術(shù)在膨脹土、軟土、水泥土、鹽漬土等的強(qiáng)度、承載力、韌性等方面已表現(xiàn)良好的優(yōu)點(diǎn)[6-8]。再生聚酯纖維具有強(qiáng)度高、韌度強(qiáng)、抗老化、耐磨、成本低等良好性能，主要來(lái)源于廢舊聚酯瓶[9]。長(zhǎng)期堆放的廢舊聚酯瓶會(huì)造成嚴(yán)重的“白色污染”，不符合國(guó)家可持續(xù)與綠色發(fā)展戰(zhàn)略。在當(dāng)前的環(huán)保要求下，發(fā)展再生聚酯纖維具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，符合巖土工程可持續(xù)發(fā)展的要求。

因此，現(xiàn)采用可再生聚酯纖維與無(wú)機(jī)固化劑對(duì)路基粉土進(jìn)行改良，分析其承載特性、抗壓特性、回彈特性以及微觀機(jī)理演化特性，研究結(jié)果可提高我國(guó)粉土加固的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)廢舊聚酯瓶多途徑資源化利用，減輕因處治不當(dāng)所造成的環(huán)境污染。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)粉土。試驗(yàn)用土取自某公路施工現(xiàn)場(chǎng)，其顆粒分布曲線如圖1所示。表1為土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)。土樣液限含水率wL<50%，塑性指數(shù)IP小于10，屬于低液限粉土[土工試驗(yàn)規(guī)程(SL 237—1999)]。

表1 粉土物理指標(biāo)Table 1 Physical indexes of silt

圖1 粉土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle size curve of silt

(2)再生聚酯纖維。再生聚酯纖維(renewable polyester fiber)，來(lái)自于某紡織廠，密度1.31～1.37 g/cm3，抗拉強(qiáng)度(束狀單絲)為200～400 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為140.6%～154.7%。

(3)石灰、粉煤灰、石膏。表2為生石灰基本物理指標(biāo)。對(duì)石灰的含量以及化學(xué)成分用X射線熒光光譜儀進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如表3所示，此生石灰屬于鈣質(zhì)III級(jí)生石灰，可提供堿性環(huán)境。

表2 生石灰基本物理指標(biāo)Table 2 Basic physical indexes of quicklime

表3 生石灰化學(xué)成分分析Table 3 Chemical composition analysis of quicklime

相比水泥，粉煤灰價(jià)格便宜，并且粉煤灰加固土的凍融循環(huán)能力要強(qiáng)于水泥[10]。表4為粉煤灰主要指標(biāo)。采用再生建筑石膏粉，主要成分為半水硫酸鈣(CaSO4·1/2H2O)。

表4 粉煤灰主要指標(biāo)Table 4 Main index of fly ash

1.2 試驗(yàn)方案

當(dāng)生石灰:煤灰=1∶2時(shí)，粉煤灰在加固軟土方面能達(dá)到最好效果[10]。本文參考林彤[8]的土體加固方案，摻入3%(質(zhì)量比=石膏質(zhì)量)建筑石膏粉(CaSO4·1/2H2O)作為外摻劑，提高土樣的早期強(qiáng)度。生石灰與粉煤灰的質(zhì)量比(質(zhì)量比=外加劑質(zhì)量/試樣總質(zhì)量)分別為4%與8%。

參考文獻(xiàn)[11-12]的方法，本文選用纖維摻量(質(zhì)量比=纖維質(zhì)量/試樣總質(zhì)量)為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.7%，纖維長(zhǎng)度為6、9、12、15、17 mm。表5為改良土力學(xué)特性的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)的土樣含水率均為改良土的最優(yōu)含水率。

表5 物理力學(xué)特性試驗(yàn)方案Table 5 Physical and mechanical property test scheme

1.3 試驗(yàn)方法

(1)CBR試驗(yàn)。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程JTG 3430—2020》[13]有關(guān)規(guī)定開(kāi)展，南京土壤儀器廠CBR-2型試筒高度與直徑分別為170 mm與152 mm。

(2)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程JTG 3430—2020》開(kāi)展，YSH-2型無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)備軸向應(yīng)變速度為1%[14]。試樣高度與直徑分別為100 mm與50 mm。

(3)回彈模量試驗(yàn)。參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程JTG 3430—2020》開(kāi)展。儀器采用HM-1型回彈模量?jī)x，基于千分表彈性形變對(duì)回彈模量進(jìn)行計(jì)算。

(4)SEM測(cè)試。根據(jù)靜壓的方法來(lái)制作改良粉土和粉土試樣品，具體規(guī)格為直徑50 mm、高度100 mm，密封后在標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)室放置28 d，滿(mǎn)足養(yǎng)護(hù)時(shí)所需的條件進(jìn)行觀察，從中取出新鮮的斷面(約1 cm2)，將所制備的樣品在低溫下冷凍，放置在SEM下進(jìn)行掃描。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)特性研究

2.1.1 CBR

CBR作為一個(gè)重要的評(píng)價(jià)路基填料路用性能的指標(biāo)，反映路基材料的抗局部剪切能力[15]。圖2為不同壓實(shí)度下再生聚酯纖維下改良土CBR變化。1 d養(yǎng)護(hù)齡期下，纖維改良土的CBR跟素改良土的CBR基本相當(dāng)；7 d養(yǎng)護(hù)齡期后，改良土CBR隨纖維摻量的增加而有不同程度的增加，在0.2%纖維摻量時(shí)，試樣CBR最高，當(dāng)超過(guò)該纖維摻量值時(shí)，CBR將下降。養(yǎng)護(hù)齡期影響著纖維改良土CBR，在7 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，土體的CBR會(huì)有小幅度的增長(zhǎng)，但CBR小于28%；在28 d養(yǎng)護(hù)齡期后，土體的CBR會(huì)有大幅度的增長(zhǎng)，在98%壓實(shí)度下，0.2%纖維摻量改良土的CBR為45%，符合公路路基填料的規(guī)定。

圖2 再生聚酯纖維改良土CBR變化Fig.2 Change of CBR value of reclaimed polyester fiber improved soil

2.1.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3為94%、96%與98%壓實(shí)度下再生聚酯纖維改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化。可以看出：纖維改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量增加而增加，0.2%纖維改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為最高，當(dāng)纖維摻量超過(guò)0.2%時(shí)，改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。圖4為無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)改良土試樣破壞形態(tài)，可以明顯看出，隨著纖維摻量增加，改良土破壞形態(tài)由“脆性破壞”向“塑性破壞”發(fā)展，且破壞面逐漸上移。養(yǎng)護(hù)齡期會(huì)影響纖維改良土強(qiáng)度。1 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)[圖4 (a)]，不同纖維摻量改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差不大，且與素改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(170 kPa)相當(dāng)。然而，劉松玉等[16]得出1 d齡期木質(zhì)素改良路基粉土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為100 kPa；28 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)[圖4 (e)]，土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大幅度增長(zhǎng)，96%壓實(shí)度下，0.2%纖維摻量改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅約362%。此外，隨著壓實(shí)度增加，纖維改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度差ΔUCS28-1與ΔUCS7-1逐漸增加，最大差值分別達(dá)到913 kPa與661 kPa。文獻(xiàn)[17-19]采用不同的纖維改良黏土發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維摻量超過(guò)3%～4%會(huì)造成土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。對(duì)于路基粉土而言，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)纖維摻量約為0.2%。

圖3 改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化Fig.3 Change of unconfined compressive strength of improved soil

圖4 28 d養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)改良土試樣破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of improved soil sample in unconfined compression test at 28 days curing age

2.1.3 回彈模量

土體回彈模量是表征路基填料力學(xué)特性的一個(gè)重要指標(biāo)[20-21]。圖5為不同壓實(shí)度下纖維改良土回彈模量變化。一般路基粉土在94%或96%壓實(shí)度下的回彈模量值皆小于20 MPa，不能滿(mǎn)足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[22]的規(guī)定?；貜椖Ａ吭诶w維改良路基粉土中得到有效的增長(zhǎng)，0～7 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，關(guān)于94%壓實(shí)度改良土，其回彈模量只有在0.2%與0.3%纖維摻量的改良土可以滿(mǎn)足交通公路土基路基填料規(guī)定，不過(guò)，在28 d養(yǎng)護(hù)齡期后，回彈模量在各纖維摻量改良土下皆符合規(guī)范的規(guī)定。與前述UCS和CBR變化相同，改良土回彈模量隨纖維摻量的增加而增加，回彈模量在摻量高于0.2%時(shí)有所下降，進(jìn)一步說(shuō)明0.2%纖維摻量的路基粉土的改良效果更好。

圖5 不同壓實(shí)度下纖維改良土回彈模量變化Fig.5 Change of resilience modulus of fiber improved soil under different compaction degree

2.2 微觀結(jié)構(gòu)演化

粉土微顆粒表面近似光滑，在粉土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)中存在較多的大孔隙，顆粒具有明顯的邊界、邊緣不規(guī)則、棱角分明，部分粉土顆粒直徑大于孔隙直徑，本文選取的粉土微觀結(jié)構(gòu)與沖積粉土結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但沖積粉土存在較多20～50μm粉粒級(jí)別的石英顆粒[23]。當(dāng)摻加劑添(粉煤灰、石灰與石膏)加至粉土中，試樣養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7 d，改良土中仍存在較多的大小孔隙，粉土顆粒表面以及顆粒之間開(kāi)始出現(xiàn)某種膠狀物質(zhì)，包裹或連接土顆粒(圖6)，纖維與顆粒間接觸存在一定的孔隙，不密實(shí)。14 d養(yǎng)護(hù)齡期改良土的微觀結(jié)構(gòu)明顯比純粉土密實(shí)，纖維與顆粒間接觸存在一定的孔隙(圖7)，大量膠結(jié)物質(zhì)連接粉土顆粒，填充顆粒間孔隙。28 d養(yǎng)護(hù)齡期改良土內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)的包裹與填充作用更加顯著，土顆粒間接觸更加緊密，形成更加穩(wěn)定、致密結(jié)構(gòu)(圖8)。

圖6 改良土試樣SEM照片(7 d養(yǎng)護(hù)齡期)Fig.6 SEM photo of improved soil sample (7-day curing age)

圖7 改良土試樣SEM照片(14 d養(yǎng)護(hù)齡期)Fig.7 SEM photo of improved soil sample (14 days curing age)

圖8 改良土試樣SEM照片(28 d養(yǎng)護(hù)齡期)Fig.8 SEM photo of improved soil sample (28 days curing age)

由于膠結(jié)物質(zhì)的包裹粉土顆粒，以及鈣礬石連接粉土顆粒作用[24]，其團(tuán)聚體數(shù)量與顆粒直徑明顯增加，土顆粒比表面積減小，顆粒之間孔隙由膠結(jié)物質(zhì)填充，改良土的密實(shí)度得到增加。因此，改良土粒徑與最大干密度增加，力學(xué)與路用性能指標(biāo)提高，而塑性指數(shù)降低。此外，改良土在纖維摻量過(guò)大的情況下出現(xiàn)力學(xué)特性降低的現(xiàn)象可能是由于土體內(nèi)局部存在纖維抱團(tuán)、纖維過(guò)于集中，過(guò)多纖維與土顆粒接觸面出現(xiàn)滑動(dòng)，缺少土顆粒的骨架作用，造成其強(qiáng)度和CBR等指標(biāo)降低，但要定量評(píng)估改良土的物質(zhì)改變、微觀結(jié)構(gòu)，仍需要開(kāi)展其他分析試驗(yàn)。

3 結(jié)論

(1)路基粉土的路用性能可由再生聚酯纖維與無(wú)機(jī)固化劑有效提高，在經(jīng)過(guò)28 d的養(yǎng)護(hù)后，其CBR以及回彈模量皆能符合公路路基設(shè)計(jì)的規(guī)定。其中，回彈模量大于40 MPa，28 d齡期養(yǎng)護(hù)后，98%壓實(shí)度下，0.2%纖維摻量改良土的CBR達(dá)到45%。

(2)改良粉土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量以及齡期的增加而增長(zhǎng)，且在摻量超過(guò)0.2%時(shí)，其強(qiáng)度開(kāi)始有降低趨勢(shì)，最大值可達(dá)到約900 kPa。對(duì)于路基粉土，可再生聚酯下纖維的最優(yōu)摻量約為0.2%。

(3)改良粉土顆粒間孔隙得到不同程度的填充，形成的微觀結(jié)構(gòu)較素土更為致密。纖維在土體中相互交錯(cuò)分布，進(jìn)而產(chǎn)生“交織”作用，分布的纖維能夠使纖維土呈現(xiàn)出“裂而不斷”的狀態(tài)，展現(xiàn)了較好的土體殘余抗拉強(qiáng)度，最大程度地抑制纖維土裂隙發(fā)展。