李慧萍 王福滿

摘 要：針對(duì)陜西神木地區(qū)石料短缺而碎石土較多的情況，采用SG- 1固化劑穩(wěn)定碎石土并進(jìn)行最佳配合比篩選試驗(yàn)，得出SG- 1固化劑穩(wěn)定碎石土的最佳摻量，然后進(jìn)行穩(wěn)定碎石土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)、抗凍性試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)等路用性能方面的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：SG- 1穩(wěn)定碎石土作為路面基層材料具有早期強(qiáng)度和模量高，水穩(wěn)定性、抗凍性和干縮性能好的特點(diǎn)，適宜在陜西神木及與其土質(zhì)相似地區(qū)的道路工程中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SG- 1固化劑；碎石土；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；路用性能

中圖分類號(hào)：U414.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Pavement Performance of Gravelly Soil Stabilized with SG- 1 Curing Agent

LI Hui- ping1， WANG Fu- man2

（1. Hulunbuir Highway Administration， Hulunbuir 021008， Inner Mongolia， China； 2. Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China）

Abstract： Combined with the fact that there is shortage of stone in Shenmu City of Shaanxi Province and gravelly soil is widely seen， gravelly soil stabilized with SG- 1 curing agent was chosen to carry out the screening test for optimal mix proportion. Optimal mixing amount of SG- 1 was obtained， and unconfined compressive strength test， splitting test， water stability test， frost resistance test and shrinkage test were conducted on the stabilized gravelly soil to study the pavement performance. The results show that as material for the base course， SG- 1 has high early strength and modulus and features excellent water stability， frost resistance and shrinkage performance， which make it suitable for Shenmu and other regions with similar soil properties.

Key words： SG- 1 curing agent； gravelly soil； unconfined compressive strength； pavement performance

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，中國(guó)道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。道路建設(shè)需要大量?jī)?yōu)質(zhì)石料，但石料的開(kāi)采不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，同時(shí)長(zhǎng)距離運(yùn)輸增加了投資成本，消耗的大量燃料也會(huì)加重空氣污染[1- 5]。陜西、山西、河南等黃土地區(qū)常年干旱少雨，山皮碎石土資源豐富，若把山皮碎石土應(yīng)用到道路建設(shè)中，既實(shí)現(xiàn)了當(dāng)?shù)夭牧系睦?，?jié)省資源，又降低了成本。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)固化劑穩(wěn)定土展開(kāi)了廣泛研究[6]。在國(guó)內(nèi)，許多道路專家也對(duì)土壤固化劑進(jìn)行研究，如梁文泉等研制出的GA型固化劑可穩(wěn)定粘土、淤泥、工業(yè)廢渣、風(fēng)化砂等[7]，耿軼君研究的EN- 1固化劑改良紅砂巖的作用機(jī)理，提出改良路面結(jié)構(gòu)的可行性[8]。

針對(duì)陜西神木周邊地區(qū)碎石土資源豐富的特點(diǎn)，采用新型SG- 1土壤固化劑對(duì)碎石土進(jìn)行固化并作為道路基層材料。對(duì)SG- 1固化碎石土材料進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定、抗凍性、干縮特性等室內(nèi)試驗(yàn)以測(cè)試其作為基層材料的路用性能。

1 原材料技術(shù)性質(zhì)

1.1 固化劑

SG- 1固化劑主要由水泥、粉煤灰、生石灰和表面活性劑等高分子材料構(gòu)成，常溫下為灰白色粉狀固體，所含有的表面活性劑具有塑化、防水以及防凍等作用，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 混合料擊實(shí)試驗(yàn)

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

在SG- 1穩(wěn)定碎石土成型試件前，必須要進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)確定最大干密度和最佳含水量。按照規(guī)范[10]先擬定固化劑的摻量為3%、4%、5%、6%、7%、8%、10%，然后對(duì)不同SG- 1摻量的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。從表4可知，混合料的最大干密度和最佳含水量隨SG- 1固化劑摻量的增加而增大，由于SG- 1固化劑成分的顆粒較小，顆粒之間的空隙小，而表面積較大，所以當(dāng)SG- 1固化劑摻量增加時(shí)，混合料容易壓實(shí)緊密且吸收更多的水，使最大干密度和最佳含水量逐漸增大。

2.2 確定固化劑最佳摻量

采用靜壓法以97%的壓實(shí)度成型Φ150 mm×150 mm圓柱體試件，取強(qiáng)度不小于2.8 MPa作為代表值進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。在考慮基層材料技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性的情況下，確定固化劑摻量為7%。

3 SG- 1穩(wěn)定碎石土路用性能試驗(yàn)

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用Φ150 mm×150 mm圓柱體試件，按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。為了使試驗(yàn)條件符合實(shí)際情況，試件以97%的壓實(shí)度成型，在濕度不小于95%和溫度為（20±2）℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)生，達(dá)到規(guī)定養(yǎng)生齡期后分別測(cè)試SG- 1穩(wěn)定碎石土7、28、60、90、180 d（最后1 d浸水）齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表6所示。

分析上述數(shù)據(jù)可知，SG- 1穩(wěn)定碎石土7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.9 MPa，而規(guī)范對(duì)石灰粉煤灰類基層材料7 d抗壓強(qiáng)度的要求是不小于0.8 MPa，因此SG- 1穩(wěn)定碎石土強(qiáng)度比規(guī)范中的規(guī)定值高出2. 1 MPa。隨著齡期的增長(zhǎng)，穩(wěn)定碎石土材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)：齡期28 d的抗壓強(qiáng)度為3. 6 MPa，比7 d的抗壓強(qiáng)度提高了24. 1%；60 d的抗壓強(qiáng)度為4.5 MPa，比7 d提高了55. 2%，比28 d提高了25%；90 d齡期的抗壓強(qiáng)度為5.0 MPa，比7 d提高了72. 4%，比28 d提高了38. 9%，比60 d提高了11. 1%；180 d的抗壓強(qiáng)度為5.4 MPa，比7 d提高了86. 2%，比28 d提高了50%，比60 d提高了20%，比90 d提高了8%。SG- 1固化劑穩(wěn)定碎石土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)

3.2 劈裂試驗(yàn)

半剛性基層材料的抗拉強(qiáng)度是路面設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)[11]，關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定，由于直接測(cè)定抗拉強(qiáng)度較為困難，可采用間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)按97%的壓實(shí)度成型試件，分別測(cè)定了7、28、90、180 d的飽水試件的劈裂強(qiáng)度，結(jié)果如表7所示。

由表7可知，SG- 1穩(wěn)定碎石土的早期劈裂強(qiáng)度較高，齡期7 d的強(qiáng)度達(dá)到0.24 MPa。隨著齡期增長(zhǎng)，固化劑穩(wěn)定碎石土的劈裂強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)：28 d的劈裂強(qiáng)度為0.33 MPa，比7 d增長(zhǎng)了37. 5%；90 d的強(qiáng)度為0.45 MPa，比28 d增長(zhǎng)了33. 3%，比7 d增長(zhǎng)了83. 3%；180 d的強(qiáng)度為0.49 MPa，比90 d增長(zhǎng)了11. 4%，比28 d增長(zhǎng)了48. 5%，比7 d增長(zhǎng)了104. 2%。SG- 1固化劑穩(wěn)定碎石土的劈裂強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)

3.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水穩(wěn)定性是指基層在水分作用下抵抗集料脫落和混合料松散的能力，對(duì)渠道防滲和路基、路面建設(shè)等有著重要的意義。采用水穩(wěn)定系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性，其數(shù)值越大水穩(wěn)定性越好。試驗(yàn)采用靜壓法以97%的壓實(shí)度成型Φ150 mm×150 mm試件，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度下養(yǎng)生28 d后，分別浸水0、2、4、6、8、10 d，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

由表8可知，隨著浸水時(shí)間的增加，固化劑穩(wěn)定土的強(qiáng)度損失逐漸增大，水穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。固化劑穩(wěn)定土沒(méi)有浸水時(shí)強(qiáng)度為4.2 MPa；浸水2 d后的抗壓強(qiáng)度為3.6 MPa，水穩(wěn)定性系數(shù)為85. 8%，強(qiáng)度損失14. 29%；浸水4 d后的強(qiáng)度為3. 3 MPa，水穩(wěn)定性系數(shù)為78. 7%，強(qiáng)度損失21. 43%；浸水6 d后的強(qiáng)度為3.1 MPa，水穩(wěn)定性系數(shù)為73.9%，強(qiáng)度損失26.19%；浸水8 d后的強(qiáng)度為3.0 MPa，水穩(wěn)定性系數(shù)為71. 5%，強(qiáng)度損失28. 57%；浸水10 d后的強(qiáng)度為2. 9 MPa，水穩(wěn)定性系數(shù)為30.96%，強(qiáng)度損失69. 1%。圖3為固化劑穩(wěn)定土強(qiáng)度損失和水穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢(shì)。

圖3 水穩(wěn)定系數(shù)和強(qiáng)度損失變化趨勢(shì)

3.4 凍融循環(huán)試驗(yàn)

抗凍性指基層抵抗多次“凍融循環(huán)”而不疲勞破壞的性質(zhì)，可采用凍融循環(huán)試驗(yàn)的抗凍系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）成型2組試件并養(yǎng)生：一組試件測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；另一組試件先在-35 ℃下冷凍24 h，之后在溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為95%的條件下放置24 h，如此循環(huán)5次，然后測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

分析數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后，固化劑穩(wěn)定土的強(qiáng)度值降低。在凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，試件

表9 抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試項(xiàng)目未凍融強(qiáng)度/MPa凍融次數(shù)凍后強(qiáng)度/MPa強(qiáng)度損失/%抗凍系數(shù)/%

試驗(yàn)值3.653.38.391.7

表面狀態(tài)較完整，只是出現(xiàn)個(gè)別顆粒脫落現(xiàn)象。在凍融前，固化劑穩(wěn)定土的強(qiáng)度為3.6 MPa，凍融循環(huán)后，強(qiáng)度為3.3 MPa，強(qiáng)度損失8.3%，抗凍系數(shù)為91.7%，抗凍效果十分顯著。

3.5 干縮性試驗(yàn)

基層材料干燥收縮是由材料內(nèi)部水分蒸發(fā)引起的宏觀體積變化，用干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)固化劑穩(wěn)定土干縮性。按規(guī)范以97%的壓實(shí)度成型150 mm×150 mm×550 mm小梁體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生6 d，浸水1 d后，擦干試件表面水分，進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表10所示。

表10 干縮試驗(yàn)結(jié)果

材料失水率/%干縮量/mm干縮應(yīng)變/10-6平均干縮系數(shù)/%

固化劑穩(wěn)定土10.471.000 71 799.759 6171.896 8×10-6

分析數(shù)據(jù)可知，固化劑穩(wěn)定土的抗干縮性能非常優(yōu)越，材料的失水率為10.47%，干縮量為1. 000 7 mm，干縮應(yīng)變?yōu)? 799.759 6×10-6。分析原因：SG- 1固化劑含有部分粉煤灰和高分子材料，一方面可以填充土體空隙，進(jìn)一步約束土顆粒，使混合料孔隙率降低，毛細(xì)孔水和吸附水?dāng)?shù)量減少；另一方面高分子材料減弱了粘土礦物的親水性，導(dǎo)致“吸附水及分子間作用力”和“層間水作用”減弱，使固化劑穩(wěn)定土的抗干縮性能提高.

4 結(jié) 語(yǔ)

（1） SG- 1固化劑穩(wěn)定土早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)快，這一特點(diǎn)在實(shí)際工程中對(duì)加快施工速度、縮短工期十分重要。

（2） SG- 1固化劑穩(wěn)定碎石土材料的劈裂強(qiáng)度較高，這對(duì)于減少路面結(jié)構(gòu)面層裂縫的產(chǎn)生，提高道路基層防水性等性能指標(biāo)非常重要。

（3） 隨著SG- 1固化劑穩(wěn)定碎石土浸水時(shí)間的增加，碎石土的水穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，強(qiáng)度損失增大，但變化的幅度越來(lái)越小，逐漸趨于穩(wěn)定，這對(duì)提高基層材料水穩(wěn)定性，確保路面發(fā)揮應(yīng)有的作用有重要意義。

（4） SG- 1固化劑穩(wěn)定碎石土的抗凍性效果十分顯著，且具有較好的溫度穩(wěn)定性。

（5） 干縮特性關(guān)系到基層材料的耐久性和水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果表明SG- 1固化劑穩(wěn)定碎石土的干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)很小，抗干縮性能較好。

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[責(zé)任編輯：譚忠華]