土壤固化剂在道路路基工程中的试验应用

( 中交一公局第六工程有限公司, 天津塘沽 300456)

摘 要: 该文结合天津港南港路土壤固化剂固化土路基试验段施工实际, 通过固化土和

石灰土室内无侧限抗压强度、回弹模量、CBR 值以及现场弯沉、回弹模量、CBR 值的试验对比

检测, 分析阐述了土壤固化剂的固化原理、力学性能及工程适应性。

关键词: 土壤固化剂; 路基; 无侧限抗压强度; 弯沉; 回弹模量; CBR 值; 试验应用

收稿日期: 2009- 03- 31

作者简介: 蒋永能, 男, 大学本科, 工程师. E- mail: jiangy ongneng@ sina. com

天津港南港路是进出天津港南疆港的主干道, 是

天津港进出口散货的主运输通道, 交通流量大, 重载车 辆多。在南港路设置了200 m 长的土壤固化剂固化 土路基试验段, 目的在于实测土壤固化剂固化土层和 传统石灰稳定土层的各项工程指标, 取得真实可靠的 数据, 通过数据统计和对比分析, 并经过持续观测, 初 步了解土壤固化剂的固化性能和工程适应性, 了解固 化土路基的实际工程性能, 为在港区推广应用土壤固 化剂提供技术和实践支持。 1 土壤固化剂简述

试验路采用路邦EN- 1 土壤固化剂, 该产品是酸

基高分子化学固化剂, 具有高氧化性能, 为浓缩液, 单 位体积含硫量1 mg/ m3 , 外观为黑色、透明粘状液, 沸 点大于282 e , pH 值1. 05, 毛体积密度1. 75 g/ cm3 , 能完全溶于水, 基本上不可燃不可爆, 对环境基本无不 良影响。与水稀释后, 可与土壤中矿物质及土壤颗粒 发生溶解、结晶、吸收、扩散、再结晶的链式化学反应, 从而将土体凝结成如下特点的板体结构: 1) 提高路基 结构密实度, 增强路基承载能力; 2) 增强路基的强度, 改善路基的结构; 3) 减少或不用传统硬凝性稳定剂, 解决传统方法道路脆化问题; 4) 显著降低路基弯沉, 提高路基的回弹模量; 5) 提高路基的温度稳定性, 在 - 50~ + 70 e 间能有效减少路基的收缩、膨胀, 有效 减少收缩裂缝, 降低结构的间隙率。

路邦EN- 1 土壤固化剂固化原理可从以下几个 方面阐析。

( 1) 置换土颗粒表面的结合水, 减薄土颗粒表面 的结合水膜, 使土体更加容易压实。路邦EN - 1 中含 有活性磺化油, 是一种阴离子表面活化剂, 有磺酸基和 羟基组成/ 亲水头0, 也有由碳原子和氢原子组成的/ 疏

水尾0, 土壤固化剂加入土壤中后, 由于磺化油的SO2- 3

与土颗粒表面的金属阳离子结合, 原本有很大活性的 金属阳离子被固定下来, 阻止了金属阳离子与水结合 成可溶体; 磺化油与土颗粒结合后, 其疏水尾从土壤颗 粒中被排除, 围绕着土壤颗粒或在粘土之间形成一个 油面层。这样, 土壤中的结合水就被疏水尾排除, 结合 水膜减薄, 土颗粒更加容易压密, 同时疏水尾包裹土壤 颗粒, 阻止水分进入土壤颗粒体系中, 使压实后的土体 水稳定性和抗冻性能大大提高。

( 2) 与土壤内阳离子进行离子交换, 形成稳定网 状结构, 增加土体强度和稳定性。构成粘土的矿物是 以SiO2 为骨架的板状或针状结晶, 通常其表面会带有 Na+ 和K+ 等离子, 固化剂遇水后与这些离子进行置 换, 使得粘土胶团表面N电位降低, 胶团所吸附的双电 层减薄, 电解质浓度增强、颗粒趋于凝聚, 清除了土壤 内的液相和气相, 生成了高分子网状结构, 同时在颗粒 表面形成了一层憎水膜, 有效保护了土体的稳定性, 高 分子网状结构进一步填充空隙, 同时与针状结晶相互 交叉, 形成链装和网状结构而紧密结合, 从而提高了土 基的强度、耐水性和抗冻性。

( 3) 激发土壤活性, 增加土壤强度。土壤成分复

杂, 含有大量的SiO2、Al2 O3、CaO 等物质, 当加入固化 剂与其充分搅拌后, 固化剂中某些成分与这些活性成 分反应生成胶凝物质, 发挥粘土潜在活性, 增强了这种 网状结构, 使之成为一种具有较高强度的整体。 ( 4) 与盐渍地区中Cl- 反应生成氯盐, 增加早期 259

第30 卷 第1期

2 0 1 0 年2 月中 外 公 路

强度。盐渍地区土壤中含有大量Cl- , Cl- 可以与固化 剂水化产生的可溶性Al2O3、CaO 结合, 迅速形成氯 盐, 从而提高固化土的早期强度。

( 5) 与土颗粒表面离子发生各种物理、化学作用, 产生巨大的凝聚力, 形成强大的由化学键连接的网络, 增加土壤的抗压强度。土颗粒表面存在多种经风化作

用形成的离子, 包括铁、铝、镁、钙、钠、钾等阳离子和硅 酸、铝酸、铝硅酸、碳酸、硫酸和磷酸等阴离子以及多种 复盐, 土颗粒表面和土层内部还存在以各种形式吸附 或结合的水, 也不同程度含有一些有机物质。在土壤 固化剂中, 由于加入了一些能与土颗粒表面离子反应, 又能自身形成不溶于水的高分子膜的有机高分子聚合 物, 含有能与土颗粒表面阳离子反应的羧基等官能团, 以及在室温下能发生交联反应的基团, 如羧酸盐、磺酸

盐等, 使得路邦土壤固化剂与土壤中金属阳离子发生

溶解、结晶、吸收、扩散、再结晶链式化学反应, 从而使 压实后的土基形成密实稳定的板体。 2 试验段和对比段路基处理方案和原 材料

2. 1 试验段路基处理方案

( 1) 改建范围内路基处理层设计为:

从上至下依次是, 15 cm 固化剂固化水泥石灰土

( 2% 水泥, 3%石灰) + 20 cm 固化剂固化石灰土( 5% 石灰) + 20 cm 固化剂固化石灰土( 4% 石灰) + 土工格 栅+ 20 cm 碎石垫层+ 50 cm 渣石。 ( 2) 拓宽范围内路基处理层设计为:

从上至下依次是, 20 cm 固化剂固化水泥石灰土

( 2% 水泥, 3%石灰) + 20 cm 固化剂固化石灰土( 5% 石灰) + 土工格栅+ 20 cm 固化剂固化石灰土( 4% 石 灰) + 30 cm 碎石垫层+ 50 cm 渣石。 2. 2 对比段路基处理方案

( 1) 改建范围内路基处理层设计为:

从上至下依次是, 15 cm 碎石灰土( 50% 碎石, 50% 的10% 石灰土) + 20 cm10%石灰土+ 20 cm10% 石灰土+ 土工格栅+ 20 cm 碎石垫层+ 50 cm 渣石。 ( 2) 拓宽范围内路基处理层设计为:

从上至下依次是, 20 cm10% 石灰土+ 20 cm10% 石灰土+ 土工格栅+ 20 cm10% 石灰土+ 30 cm 碎石 垫层+ 50 cm 渣石。 2. 3 原材料

( 1) 土: 低液限粉土, 粒径不大于15 mm, 有机质 含量不超过5%。

( 2) 路邦土壤固化剂: 掺入剂量为0. 014% , 即浓 缩液/ 干混合料= 0. 014% 。

( 3) 水泥: P. O. 32. 5 水泥, 终凝时间大于6 h。 ( 4) 石灰: Ó级灰, 70% 有效钙镁含量, 使用前充 分消解。

( 5) 水: pH 值为6~ 8 的洁净水。 3 室内试验 3. 1 击实试验

选取3 个土样进行试验, 试验结果见表1。 表1 固化土重型击实试验结果 配比土样 最佳

含水量/ % 最大干密度/ ( g # cm- 3)

固化土1( 4% 石灰) 11. 3 1. 861

固化土2( 5% 石灰) 14. 0 1. 825

固化土3( 2%水泥, 3%石灰) 13. 0 1. 873 3. 2 室内无侧限抗压强度试验

对不同固化土进行无侧限抗压强度试验, 试验结 果见表2。

表2 固化土无侧限抗压强度试验结果 配比土样 含水量/ %

压实度/ % 强度/ MPa

固化土1( 4%石灰) 11. 3 \\90 0. 82 固化土2( 5%石灰) 14. 0 \\90 0. 90

固化土3( 2%水泥, 3%石灰) 13. 0 \\93 1. 25 从表2 可以看出, 固化土7 d 无侧限抗压强度最 小为0. 82 MPa, 大于JTG D50- 20065公路沥青路面 设计规范6中石灰稳定类作为基层或底基层关于7 d

无侧限抗压强度的要求, 随着试件压实度的增大, 试件 无侧限抗压强度提高很快, 因此, 施工时提高压实度标 准能有效提高固化土的强度。 3. 3 室内回弹模量及CBR 值

利用试验段配比进行室内承载比试验, 每种配比 取4 个试样试验, 试验结果见表3。

各种配比固化土CB R 值均在9% 以上, 满足公路 路基规范对CB R 值的要求。

利用不同配比进行室内回弹模量试验, 试验结果 见表4。

26 0 中 外 公 路 第30 卷 表3 承载比试验结果 配比

贯入杆面 积/ cm2 贯入量/ mm

CB R 值/ %

固化土1 ( 4%石灰)

19. 635 2. 5 10. 33 19. 635 5. 0 9. 10 固化土2 ( 5%石灰)

19. 635 2. 5 11. 00 19. 635 5. 0 9. 76 固化土3( 2% 水泥, 3%石灰)

19. 635 2. 5 15. 58 19. 635 5. 0 15. 10

注: 养生6 d, 浸水24 h 进行CBR 试验。 表4 回弹模量试验结果 级数

回弹模量/ MPa 固化土1 ( 4%石灰) 固化土2 ( 5%石灰) 固化土3( 2% 水泥, 3%石灰)

1 50. 930 129. 285 163. 504 2 81. 127 216. 315 217. 770 3 101. 968 300. 553 379. 628 4 125. 594 376. 721 476. 729 5 135. 778 447. 671 573. 567 注: 龄期为14 d。

表4 回弹模量试验结果表明, 试验路所采用的固 化土室内回弹模量均大于135 MPa, 满足JTG F10- 20065公路路基施工技术规范6对回弹模量的要求。 4 试验段和对比段路基现场测试结果

现场检测指标定为: 弯沉、回弹模量、CBR 值。 4. 1 试验段和对比段第一层检测结果

对比段在碎石层上铺筑20 cm 厚10% 石灰土, 试

验段在碎石层上铺筑20 cm 厚固化土( 4%石灰) , 铺筑 完成后养生3 d 进行指标测试。检测结果见表5、6。 表5 试验段、对比段第一层弯沉检测结果0. 01 mm 对比段

点数异常值取用弯沉值 固化土

点数异常值取用弯沉值 1 304. 9 1 195. 1 2 225. 5 2 134. 6 3 251. 8 3 109. 2 4 273. 7 4 127. 0 5 165. 5 5 127. 3 6 170. 1 6 123. 5 续表5

7 178. 1 7 144. 0

8 211. 4 8 157. 4 9 222. 6 9 175. 4 10 251. 6 10 168. 4 11 226. 8 11 162. 4 12 224. 1 12 148. 4 13 221. 4 13 156. 7 14 220. 5 14 158. 2 15 151. 6 16 140. 6 17 113. 6 18 134. 6 19 139. 2

平均值258. 72 平均值145. 标准差61. 43 标准差21. 代表值381. 57 代表值188. 93

从表5 可以看出, 固化土( 4% 石灰) 处理层弯沉明 显低于石灰土处理层, 石灰土层变异性大, 固化土( 4% 石灰) 层变异性小, 说明采用土壤固化剂的固化土比传 统石灰土的弯沉值大大降低, 整体性更均匀, 强度 增加。

表6 试验段、对比段第一层回弹模量、CBR值检测结果 对比段 点数

回弹模量/ MPa CBR 值/ % 固化土 点数

回弹模量/ MPa CBR 值/ %

1 24. 26 50 1 68. 30. 0 2 44. 82 37 2 73. 34 33. 6 3 30. 06 46 3 94. 09 26. 4 4 45. 33 42. 9 4 71. 3 32. 9 5 38. 92 81. 4 5 72. 59 41. 4 6 28. 32 50. 7 6 47. 09 17. 1 7 38. 21 44. 3 7 71. 44 25. 7 8 32. 12 50. 8 8 38. 55 25. 0 9 14. 72 60. 2 9 74. 14 25. 0 10 30. 55 45. 2 10 61. 26 21. 0 11 59. 22 36. 0

12 74. 23 32. 0 13 65. 44 35. 6 14 78. 59 32. 6 15 85. 01 37. 8

平均值32. 73 50. 85 平均值70. 00 30. 14 标准差9. 43 12. 36 标准差13. 76 6. 65

2010 年 第1 期 蒋永能:土壤固化剂在道路路基工程中的试验应用 261 从表6 可以看出, 石灰土回弹模量只有32. 73

MPa, 固化土( 4%石灰) 回弹模量为70. 00 MPa, 固化 土( 4%石灰) 处理层回弹模量远大于石灰土, 说明固化 土( 4%石灰) 整体强度大于石灰土。固化土( 4%石灰) 处理层现场CB R 值比石灰土小, 说明固化土( 4% 石 灰) 的现场CBR 值指标不如石灰土。 4. 2 试验段和对比段第二层检测结果

在第一层养生4 d 后继续铺筑第二层, 对比段仍 然为20 cm 厚10% 石灰土, 试验段采用20 cm 厚固化 土( 5%石灰) , 铺筑完成养生1 d 后进行指标检测。检 测结果见表7、8。

表7 试验段、对比段第二层弯沉检测结果0. 01 mm 对比段

点数异常值取用弯沉值 固化土

点数异常值取用弯沉值 1 166. 9 1 183. 7 2 158. 7 2 158. 6 3 162. 0 3 1. 0 4 170. 8 4 295. 6 5 177. 9 5 222. 4 6 187. 5 6 298. 9 7 193. 9 7 241. 6 8 255. 7 8 180. 5 9 311. 7 9 139. 4 10 156. 5 11 155. 4 12 200. 1 13 204. 5 14 1. 7

平均值198. 34 平均值183. 03 标准差51. 标准差30. 32 代表值301. 63 代表值243. 68

从表7 可以看出, 固化土( 5% 石灰) 处理层弯沉明 显低于石灰土处理层, 石灰土层变异性大, 固化土( 5% 石灰) 层变异性小, 固化土( 5% 石灰) 路基强度相对石 灰土路基有一定的提高, 但较第一层固化土( 4%石灰)

弯沉有所增大, 说明采用短期养生强度增加不多, 应保 证足够的养生时间。

从表8 可以看出, 固化土( 5% 石灰) 路基回弹模量 值比石灰土的要大, 说明固化土( 5%石灰) 整体强度更 高, 但相对于第一层回弹模量有所降低, 是由于养生时 间不足造成的。固化土( 5% 石灰) 的CBR 值小于石 灰土。

表8 试验段、对比段第二层回弹模量、CBR值检测结果 对比段 点数

回弹模量/ MPa CBR 值/ % 固化土 点数

回弹模量/ MPa CBR 值/ %

1 . 88 55. 2 1 76. 59 52. 9 2 56. 75 . 0 2 . 31 48. 6 3 55. 51 28. 9 3 56. 37 40. 0 4 23. 59 44. 7 4 58. 95 22. 9 5 55. 41 27. 4 5 56. 69 28. 6 6 52. 85 38. 9 6 63. 13 24. 3 7 45. 56 62. 4 7 57. 18 24. 3 8 40. 26 34. 8 8 51. 81 39. 3 9 45. 01 31. 7 9 55. 81 24. 1

平均值47. 76 43. 11 平均值60. 09 33. 标准差10. 78 14. 24 标准差7. 23 11. 58 4. 3 试验段和对比段第三层检测结果

在第二层养生2 d 后继续铺筑第三层, 对比段为 20 cm 厚10%石灰土( 非拓宽部分为15 cm 厚碎石灰 土) , 试验段采用20 cm 厚固化土( 5% 石灰) 和15 cm 厚固化土( 2%水泥, 3%石灰) , 铺筑完成养生2 d 后进 行指标检测。检测结果见表9、1 0。

表9 试验段、对比段第三层弯沉检测结果0. 01 mm 对比段

点数异常值取用弯沉值 固化土

点数异常值取用弯沉值 1 200. 7 1 116. 5 2 188. 8 2 118. 5

3 229. 4 3 122. 6 4 174. 2 4 119. 5 5 149. 1 5 108. 0 6 173. 5 6 119. 0 7 176. 9 7 116. 5 8 1. 5 8 128. 7 9 135. 3 9 96. 4 10 219. 5 10 150. 6 11 130. 0 11 207. 5 12 136. 3 12 117. 5 13 182. 5 13 174. 2 14 185. 2 14 152. 9 15 342. 3 15 155. 6

平均值174. 71 平均值133. 60 标准差30. 71 标准差29. 18 代表值235. 05 代表值191. 97 26 2 中 外 公 路 第30 卷

从表9 可以看出, 固化土( 2% 水泥, 3%石灰) 处理 层弯沉明显低于石灰土处理层, 较第二层固化土( 5% 石灰) 弯沉也有所降低, 说明随着养生期的增加固化土 的强度增长明显。

表10 试验段、对比段第三层回弹模量、CBR 值检测结果 对比段 点数

回弹模量/ MPa CBR 值/ % 固化土 点数

回弹模量/ MPa CBR 值/ %

1 51. 72 19 1 90. 41 22 2 60. 31 15 2 . 55 22 3 42. 83 21 3 74. 18 4 90. 66 25 4 88. 60 20 5 71. 65 26 5 76. 59 26 6 71. 23 22 6 . 31 17 7 57. 38 25 7 86. 37 20 8 56. 80 25 8 88. 95 13 9 74. 50 30 9 76. 69 16 10 75. 80 26 10 93. 13 17

平均值65. 29 23. 40 平均值80. 41 19. 10 标准差14. 00 4. 25 标准差10. 40 3. 70

从表10 可以看出, 固化土( 2% 水泥, 3% 石灰) 路 基回弹模量值比石灰土的要大, 说明固化土( 2%水泥, 3%石灰) 整体强度高于石灰土, 比第二层回弹模量也 大。同时固化土( 2% 水泥, 3% 石灰) 的CBR 值仍然小 于石灰土。

从3 层试验检测中可发现, 固化土的CBR 值始终 小于石灰土, 综合现场实际情况, 分析如下: ( 1) 固化土采用水稀释浓缩液加入到土中, 造成 施工时固化土的含水量达到16% ~ 18% , 而石灰土的 实际含水量在14%左右, 含水量的增加对现场固化土 的CB R 值会产生不利影响。

( 2) CBR 值主要反映土体本身的承载性质, 而施 工现场反映的是结构层的整体强度和承载性能, 两者 反映的是不同概念和性质, 因此不必过分关注 CB R 值。

4. 4 压实度对比检测评价

经实际对比检测, 固化土达到97% 的压实度要

求, 只需用YZ18 振动压路机振动碾压3 遍即可, 而石 灰土要达到同样的压实度要求, 碾压十分困难, 甚至达 不到。说明土壤固化剂明显改善了混合料的压实性

能, 提高了混合料的施工压实性能, 更有利于施工质量 的控制。

5 对比检测结论

( 1) 在\\90% 的压实度下, 固化土的弯沉、回弹模 量、7 d 无侧限抗压强度均达到了各等级公路路面基 层或底基层的要求, 因而固化剂能广泛应用于各等级 公路路基和路面工程中。

( 2) 各种配合比固化土的CB R 值都大于9% , 满 足公路路基规范对CBR 值的要求。

( 3) 现场实测固化土层的弯沉均明显小于石灰土 层, 达到了路面基层或底基层的弯沉指标要求。 ( 4) 现场实测固化土层回弹模量明显高于石灰土 层, 说明固化土层的强度好于石灰土层。

( 5) 当养生期过短时, 固化土层的弯沉比石灰土

降低不明显, 同时回弹模量值增加也不多, 但当养生期 达到3 d 以上时, 如第一层固化土( 4% 石灰) , 其检测 指标明显优于石灰土, 说明固化剂固化土需要一定的 养生期来保证其强度的正常增长。

( 6) 路邦固化剂能显著改善土体的压实性能, 提

高压实度, 缩小土体的结构间隙, 这对防止工后沉降和 增加土体整体结构性能十分有益。

( 7) 对于固化土, 应重点检测或评定指标为: 压实

度、7 d 无侧限抗压强度、弯沉、回弹模量。设计时应 根据这些指标确定土壤固化剂的最佳掺入量。固化土 可采用纯土壤固化剂固化, 也可以掺入水泥、石灰等传 统稳定剂联合固化, 设计、施工单位可灵活选择和 搭配。

( 8) 土壤固化剂固化土施工工艺与传统路拌和厂

拌法施工工艺基本相同, 不需要额外增加特殊设备, 具 有较好的工程适应性。 参考文献:

[ 1] JTJ 059- 95 公路路基路面现场测试规程[ S] . [ 2] GB/ T 50123- 1999 土工试验方法标准[ S] .

[ 3] JTJ 034- 2000 公路路面基层施工技术规范[ S] .

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