史曉強

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，沈陽 110136)

土壤作為工程中來源最廣泛、最經濟的原材料，其因強度低、穩(wěn)定性差等缺陷，在公路工程應用中受到限制[1-4]。傳統(tǒng)的土壤改性主要通過添加水泥、石灰、粉煤灰、二灰土等無機穩(wěn)定類材料來實現，但隨著交通量日益增大、國家對環(huán)保的日益重視，水泥、石灰等無機穩(wěn)定類材料的缺陷日益凸顯：①生產過程中開采大量黏土礦物，產生大量有毒氣體和粉塵顆粒，影響生態(tài)安全；②水泥在提升土壤強度的同時，阻斷土體內部孔隙連通，不利于維持土體內部的干燥狀態(tài)；③石灰穩(wěn)定土強度低、水穩(wěn)定性差，受雨水沖刷易出現翻漿、唧泥、不均勻沉降等病害，嚴重影響公路工程的安全性[5-7]。因此，尋求一種性能優(yōu)異、環(huán)境友好的新型土壤固化劑成為解決工程土壤問題的關鍵。

抗疏力固化劑為新型土壤固化材料，起源于瑞士，其主要由水劑C444和粉劑SD兩部分組成，可加速黏性土壤再石化進程?？故枇袒夹g在國外土工領域已使用四十多年，其成品經多家檢測單位認定為環(huán)保產品，用于公路工程中具有施工方便、工效高、進度快、造價低等優(yōu)點。20世紀80年代抗疏力固化劑引入我國，因其優(yōu)良性能廣受關注。劉俊[8]利用抗疏力固化技術對重慶紅黏土進行處理，有效提高了土壤的力學性能、水穩(wěn)定性和耐久性能。張虎元等[9-10]將抗疏力固化劑摻入黃土中，并與水泥、石灰等傳統(tǒng)無機材料進行對比，結果發(fā)現抗疏力固化黃土斥水性最優(yōu)、通透性最好。郭曉宏等[11]研究結果表明，抗疏力固化劑顯著降低中、高膨脹土的自由膨脹率和線膨脹率。楊永東等[12]以抗疏力固化土為豎向增強體構件復合地基，結合Ansys有限元分析軟件對復合地基進行數值分析，結果表明抗疏力固化土構建的復合地基滿足規(guī)范要求?？故枇袒夹g雖然已有較為豐富的研究，但研究內容主要集中在抗疏力固化劑對單一土壤性能的改善，抗疏力固化劑對不同類型土壤適用性和路用性能的研究較少，限制了抗疏力固化劑的進一步推廣應用。

基于此，本文選取黃土、紅黏土、膨脹土3種工程性質不良土壤，通過無側限抗壓強度試驗、間接抗拉強度試驗、干縮試驗、吸水特性試驗，對比分析抗疏力固化劑固化不同類型土壤路用性能的差異性，為抗疏力固化劑在全國推廣應用提供理論依據。

1 試驗部分

1.1 原材料

1.1.1 抗疏力固化劑

抗疏力固化劑選用北京抗疏力科技有限公司生產的水劑C444和粉劑SD。水劑C444是一種電離子溶液，呈淡黃色，pH值為6，具有揮發(fā)性，在高溫下易燃燒。粉劑SD是一種高分子有機粉末，呈灰白色。

1.1.2 土樣

在貴陽地區(qū)選取黃土、紅黏土、膨脹土，掃除表面浮土，取1.5～2.0 m深、無裂縫的土樣。依據《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)，對3種土樣進行干燥、粉碎，通過2 mm篩，并測試土樣的物理力學性能，黃土、紅黏土、膨脹土物理力學性能指標如表1所示。

表1 黃土、紅黏土、膨脹土物理力學性能指標

1.2 制樣及測試方法

設置水劑C444摻量為 0.7‰、0.9‰、1.1‰，粉劑SD摻量為1.4%、1.8%、2.2%(占混合料總質量的百分比)，抗疏力固化土試驗方案如表2所示。

表2 抗疏力固化土試驗方案

將抗疏力固化劑分別與黃土、紅黏土、膨脹土拌和均勻，依據《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)進行擊實試驗，確定抗疏力固化土的最佳含水率和最大干密度。依據擊實試驗結果，選用靜壓成型法，壓實度為97%，成型φ50 mm×h50 mm的圓柱體試件和50 mm×50 mm×200 mm的長方體試件，每組成型6個平行試樣。試件成型后用塑料袋包裹，置于自然環(huán)境中進行養(yǎng)生。養(yǎng)生3 d后，取長方體試件飽水24 h，參考《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)測量試件隨齡期增長所產生的干縮變形，并根據式(1)和式(2)計算試件干縮應變εi和干縮系數αi。

(1)

(2)

式中，i為齡期，d；εi為第i天試件的干縮應變；l為試件的初始長度，mm；αi為第i天試件的干縮系數，%；wi為第i天試件的失水率，%。

養(yǎng)生7 d后，取圓柱體試件測量無側限抗壓強度和間接抗拉強度；養(yǎng)生28 d后，取圓柱體試件分別測量抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的質量m0，然后浸入水中24 h(水面高度高于試件頂面2.5 cm)，再測量其質量m1，根據式(3)計算試件的吸水率Q。

(3)

式中，Q為試件的吸水率，%；m0為試件浸水前質量，g；m1為試件浸水24 h后質量，g。

2 結果與討論

2.1 無側限抗壓強度

不同抗疏力固化劑摻量下，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的7 d無側限抗壓強度如圖1所示。

圖1 7 d無側限抗壓強度

由圖1可知，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的7 d無側限抗壓強度均隨著抗疏力固化劑摻量的增加而增大。當C444摻量增至0.9‰、SD摻量增加至1.8%時，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的7 d無側限抗壓強度分別提高了30.4%、11.8%和14.4%。這可能歸因于抗疏力固化劑摻量增加，C444中大量帶電離子與土壤顆粒周圍電荷中和，降低結合水膜的厚度，增強土壤顆粒間的分子作用力，使土體更致密，進而提高無側限抗壓強度，而SD與土壤拌和均勻后，及時對土壤顆粒進行包裹，增強了土體的穩(wěn)定性，提高了無側限抗壓強度。

抗疏力固化不同類型土壤的無側限抗壓強度差異性較大?？故枇袒S土的無側限抗壓強度最優(yōu)，其次為紅黏土，膨脹土無側限抗壓強度最差，但均滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)施工要求。除此之外，抗疏力固化劑摻量的變化對黃土的7 d無側限抗壓強度影響更為顯著，其次為膨脹土，紅黏土對抗疏力固化劑摻量變化的敏感性較小。當C444摻量以0.2‰的幅度增加時，抗疏力固化黃土的7 d無側限抗壓強度分別提高了30.4%、29.0%，抗疏力固化膨脹土的7 d無側限抗壓強度分別提高了14.4%、16.8%，抗疏力固化紅黏土的 7 d 無側限抗壓強度分別提高了11.8%、13.8%。

2.2 間接抗拉強度

不同抗疏力固化劑摻量下抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的間接抗拉強度如圖2所示。

由圖2可知，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的間接抗拉強度與7 d無側限抗壓強度的規(guī)律類似，均隨著抗疏力固化劑摻量的增加而增大。當C444摻量為0.7‰、SD摻量為1.4%時，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的間接抗拉強度分別為0.47 MPa、0.41 MPa和0.31 MPa；當C444摻量增至1.1‰、SD摻量增至2.2%時，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的間接抗拉強度分別提高了117.0%、85.4%和103.2%。

圖2 間接抗拉強度

抗疏力固化黃土的間接抗拉強度最優(yōu)，其次為紅黏土，抗疏力固化劑對膨脹土的固化效果最差，這與無側限抗壓強度的結論一致。當C444摻量為0.9‰、SD摻量為1.8%時，相較抗疏力固化膨脹土，抗疏力固化紅黏土的間接抗拉強度提高了23.4%，抗疏力固化黃土的間接抗拉強度提高了61.7%。這是由于黃土、紅黏土、膨脹土的顆粒組成和礦物成分差異較大。黃土、紅黏土中存在大量的黏土礦物，如水云母、高嶺石等，而膨脹土含有大量親水礦物，如蒙脫石。大量親水礦物的存在，導致抗疏力固化劑對土壤顆粒周圍水膜作用效果減弱，土壤顆粒間的引力減弱，導致抗疏力固化膨脹土的無側限抗壓強度和間接抗拉強度較低。同時，黃土、紅黏土的顆粒組成以粒徑<0.005 mm的黏粒為主，膨脹土的顆粒粒徑主要為0.005～0.05 mm?？故枇袒瘎┲饕ㄟ^降低黏土顆粒周圍結合水膜厚度以提高土體強度，因而抗疏力固化黃土、紅黏土的無側限抗壓強度和間接抗拉強度優(yōu)于抗疏力固化膨脹土。

2.3 收縮性能

依據《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)，將飽水的長方體試件置于干縮室內(溫度為20 ℃±1 ℃，相對濕度為60%±5%)，選用千分表測量試件長度隨齡期增加的變化量，并分別計算抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮應變和干縮系數，抗疏力固化劑摻量對抗疏力固化土干縮應變的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著抗疏力固化劑摻量的增加，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮應變均逐漸降低。干縮試驗進行至28 d時，相較于C-H-1、C-N-1、C-P-1的試件，C-H-2、C-N-2、C-P-2試件的干縮應變分別降低了16.7%、23.1%和24.1%。半剛性材料的干縮變形原理可概括為毛細管張力作用、吸附水和分子間作用、礦物凝膠層間水作用和碳化收縮4個方面的綜合作用，而毛細管張力作用是半剛性材料干縮變形的主要原因，主導早期干縮變形[13-15]。隨著抗疏力固化劑摻量的增加，土壤顆粒周圍結合水膜厚度降低，土體結構更為致密，內部毛細孔隙數量減少，使得毛細管張力作用減弱，抗疏力固化土干縮變形減小。

對比分析圖3(a)、(b)、(c)可知，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮應變曲線均可分為3個變化階段：階段Ⅰ，干縮試驗前期(1～3 d)，試件干縮應變曲線近似直線增長，這是由于試件表面的大量自由水在溫度、濕度等環(huán)境因素的作用下大量蒸發(fā)，失水迅速，試件干縮變形量增大；階段Ⅱ，干縮試驗中期(4～13 d)，試件干縮應變曲線增長速率減慢，逐漸趨于平緩，這是由于試件表面自由水在試驗前期已蒸發(fā)殆盡，此階段主要為試件內部的自由水蒸發(fā)，但由于混合料的包裹，失水速率緩慢，試件干縮變形增長緩慢；階段Ⅲ，干縮試驗后期(14～28 d)，試件干縮應變曲線趨于平緩，此階段混合料內部水分已蒸發(fā)殆盡，試件失水率趨于定值，干縮變形逐漸穩(wěn)定。

(a) 抗疏力固化黃土

(a) 干縮應變

抗疏力固化土的干縮應變和干縮系數對比分析如圖4所示。

由圖4可知，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的收縮性能表現存在差異性。抗疏力固化黃土干縮應變最小，其次為紅黏土，抗疏力固化膨脹土的干縮應變最大。相比C-N-2試件，C-H-2和C-P-2試件的28 d干縮系數分別降低了21.7%和30.0%。這是因為干縮試驗過程中，抗疏力固化膨脹土雖然干縮變形量較大，但失水迅速，干縮系數較小。因此，選用干縮應變或干縮系數作為半剛性材料干縮抗裂性能的評價指標仍需進一步研究。

2.4 吸水特性

抗疏力固化土的吸水率對比分析如圖5所示。

圖5 抗疏力固化土的吸水率對比分析

由圖5可知，隨著抗疏力固化劑摻量的增加，抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的吸水率均顯著降低。當C444摻量為0.7‰、SD摻量為1.4%時，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的吸水率分別為1.1%、1.4%和2.6%；當C444摻量增至0.9‰、SD摻量增至1.8%時，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的吸水率分別為0.8%、1.2%和2.3%。這是由于隨著抗疏力固化劑摻量的增加，土壤顆粒表面結合水的水膜厚度降低，土體內部毛細孔隙數量減少，毛細水作用力減弱，同時SD及時包裹在土壤顆粒表面，避免水分進一步侵入。

抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的吸水率存在差異性。當C444摻量為1.1‰、SD摻量為2.2%時，抗疏力固化黃土、紅黏土和膨脹土的吸水率分別為0.6%、0.9%和2.1%。

3 結論

(1) 抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的無側限抗壓強度、間接抗拉強度整體變化呈現相似性，均隨著抗疏力固化劑摻量的增加而增大?？故枇袒S土的無側限抗壓強度、間接抗拉強度最高，紅黏土次之，膨脹土最低，但均滿足規(guī)范要求。

(2) 抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮應變曲線均可分為3個變化階段：干縮試驗前期(1～3 d)，干縮應變增長迅速；干縮試驗中期(4～13 d)，干縮應變增長速率減慢，逐漸趨于平緩；干縮試驗后期(14～28 d)，干縮應變趨于穩(wěn)定。

(3) 抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的干縮抗裂性能差異較大。相比C-N-2試件，C-H-2試件的28 d干縮系數降低了21.7%，C-P-2試件的28 d干縮系數降低了30.0%。

(4) 抗疏力固化黃土、紅黏土、膨脹土的吸水率均隨抗疏力固化劑摻量的增加而降低?？故枇袒S土的吸水特性最優(yōu)，紅黏土次之，膨脹土最低。