杜衍慶，王新岐

（1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300051；2.長安大學(xué)，陜西　西安 710064；3.天津市基礎(chǔ)設(shè)施耐久性企業(yè)重點實驗室，天津市 300051）

0　引言

高液限土是指液限高于 50% 的細粒土[1]，根據(jù)塑性指數(shù)的不同又分為高液限黏土（CH）和高液限粉土（M H）。高液限黏土具有液限高、天然含水率高、持水能力強、強度低、水穩(wěn)定性差等不良性質(zhì)，若直接用于填筑路基，會引起不均勻沉降、開裂、滑坡等病害[2]。目前，工程上常采用石灰、水泥、粉煤灰等無機結(jié)合料改良高液限黏土用作路基填料，并對改良后的高液限黏土的力學(xué)性質(zhì)開展了較多的試驗研究[3-6]。然而，鮮有采用高效土壤固化劑固化處理高液限黏土并對其路用性能開展研究的成果。

針對天津東麗區(qū)的高液限黏土，在深入研究水硬性材料——GURS固化劑作用機理的基礎(chǔ)上，對固化高液限黏土的路用性能進行試驗研究。

1　高液限黏土固化作用機理分析

GURS系列固化劑對高液限黏土有類似水泥的凝結(jié)硬化作用，使泥漿中的水、土顆粒、固化劑充分凝結(jié)硬化形成穩(wěn)定、密實的結(jié)構(gòu)，其固化作用機理可總結(jié)為三個階段，詳述如下：

（1）攪拌共溶階段

GURS系列固化劑各組分粒徑僅0.02～5.00 um，經(jīng)攪拌溶合后，固化劑以液態(tài)的形式溶入高液限黏土，各組分尋找各自的對象發(fā)生反應(yīng)。為保證固化劑組分與土顆粒充分溶合，要求高液限黏土達到最佳攪拌含水量。

（2）反應(yīng)階段

GURS固化劑以液態(tài)形式溶入高液限黏土后，固化劑組分中所存在的凝結(jié)劑、水硬性材料、活性激發(fā)劑與泥漿中土顆粒、水分、金屬離子、有機質(zhì)等組分發(fā)生五大反應(yīng)。

a.水化、火山灰反應(yīng)。GURS系列固化劑某些組分與土顆粒之間自由水發(fā)生水化、火山灰反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、矽酸鹽類水化物等膠凝性水化產(chǎn)物，使得自由水向礦物結(jié)合水轉(zhuǎn)化。經(jīng)水化反應(yīng)生成的結(jié)晶體使高液限黏土體積增加，利用固化材料水化產(chǎn)物的膠結(jié)、填充作用使得顆粒之間更加緊密。在電子顯微鏡下可以看到土壤顆粒被水化凝膠包圍，在土壤粒子間形成牢固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體（見圖1a），從而提高密實度。

b.置換水反應(yīng)。在進行水化、火山灰反應(yīng)的同時，GURS固化劑某些組分將結(jié)合過多的水分，生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）針狀結(jié)晶體（見圖1b），針狀結(jié)晶體穿插在土顆?？障吨行纬晒羌埽行У奶畛渫翀F粒間的空隙，使固化土致密。

圖1　固化高液限黏土的截面SEM照片

c.離子交換作用。GURS固化劑中的鈣鹽、鎂鹽溶解后，Ga2+、M g2+與土壤顆粒所吸附的Na+發(fā)生交換反應(yīng)，并中和土顆粒表面電荷，降低黏土膠團表面ζ電位，膠團吸附的雙電層減薄，電解質(zhì)濃度增強、顆粒凝聚，消除高液限黏土中的液相和氣相，引起土顆粒的絮凝。

圖2為摻加GURS-501固化劑前、后黏性土粒度分布曲線。由圖2可知，未摻加固化劑，土顆粒粒度集中在2～5 μm，隨著固化劑的摻入，粒度逐漸增加至5～20 μm。

圖2　黏性土粒度分布曲線

d.土顆粒吸附作用。結(jié)合水膜的打破，使土顆粒對GURS中的各組分進行物理、化學(xué)吸附，土顆粒將GURS中的某些組分吸附在表面，降低表面自由能，同時土體顆粒與固化劑之間形成化學(xué)鍵，在顆粒表面形成憎水膜，有效地保護土體的穩(wěn)定性，該過程不可逆，通過固化處理的土由“親水性”變成“憎水性”。吸附固化劑的土顆粒進一步與水化物凝膠發(fā)生反應(yīng)，同時與針狀結(jié)晶相互交叉，形成鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而緊密結(jié)合，從而提高了固化土的強度、耐水性和抗凍性。

e.固化劑與土顆粒間的活性反應(yīng)。土顆粒含有大量的活性Si O2、Al2O3、CaO等物質(zhì)，當(dāng)加入固化劑充分攪拌后，在激發(fā)劑的作用下，固化劑和部分土壤顆粒參加化學(xué)反應(yīng)，固化劑中某些成分與土顆粒中的活性成分反應(yīng)生成膠凝性物質(zhì)，發(fā)揮黏土潛在活性，增強已形成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的密度，提高固化土強度和耐久性。

（3）凝結(jié)硬化排斥階段

隨著GURS系列固化劑與泥漿之間反應(yīng)的深入，自由水減少、水化物凝膠析出、活化土顆粒凝聚、結(jié)晶纖維延伸，各種反應(yīng)產(chǎn)物相互交錯凝結(jié)硬化，形成致密、穩(wěn)定的團粒構(gòu)造，使高液限黏土成優(yōu)質(zhì)的路用土壤。

2　固化高液限黏土路用性能試驗研究

2.1　原狀土物理性質(zhì)

基于以上固化作用機理，在天津市東麗區(qū)取高液限原狀黏土摻加GURS-501固化劑進行固化試驗，并實測固化高液限黏土路用性能。原狀高液限黏土的物理指標(biāo)見表1，天然含水量為53%～59%，塑性指數(shù)在28～32之間，干縮性大、對水敏感，不滿足工程土條件。

表1　天津東麗區(qū)高液限黏土物理指標(biāo)

2.2　固化高液限黏土力學(xué)性能試驗

2.2.1無側(cè)限抗壓強度性能研究

為研究GURS系列固化劑固化高液限黏土的強度規(guī)律，對試驗土樣分別摻加2%、3%、4%、5%、6%、8%、10%的GURS-501固化劑，制備50×50 mm的試件，并測定7 d、14 d、28 d無側(cè)限抗壓強度。

本次試驗考慮高液限黏土屬于泥狀物，很難與干粉GURS-501固化劑充分拌和。因此，在現(xiàn)場取樣土自然含水量條件下，適當(dāng)加水（較液限含水量大5%～10%）之后摻入GURS-501固化劑并充分拌和，養(yǎng)護后測定無側(cè)限抗壓強度結(jié)果見圖3。

由圖3可知：

（1）雖然東麗土含水量大于液限5%～10%，但GURS-501固化劑對東麗土仍然具有很好的固化效果，7 d無側(cè)限抗壓強度達3.2 MPa，14 d無側(cè)限抗壓強度達3.4 MPa，28 d無側(cè)限抗壓強度達4.4 MPa，滿足公路底基層的強度要求。

圖3　不同固化劑摻量固化高液限黏土抗壓強度曲

（2）當(dāng)固化劑摻量小于6%，無側(cè)限抗壓強度隨固化劑摻量增加呈線性增大，而當(dāng)固化劑摻量大于6%，隨著固化劑摻量的增加，固化土強度增加并不明顯，甚至有所下降，說明GURS固化高液限黏土有其最佳摻量，對于大于液限5%～10%的東麗土最佳固化劑摻量為6%，具體工程應(yīng)根據(jù)高液限黏土的含水量進行配合比設(shè)計，確定最佳摻量。

（3）固化高液限黏土7 d無側(cè)限抗壓強度為28 d的70%～75%，說明固化土早期強度很高。從不同齡期強度增長情況來看，14 d無側(cè)限抗壓強度較7 d增加了5%～10%，28 d無側(cè)限抗壓強度較14 d增加了20%～30%，分析原因在于固化土早期強度的形成主要來自固化劑五大反應(yīng)的作用，而后期強度則除五大反應(yīng)之外，來自高液限黏土中與固化劑無法反應(yīng)的自由水的排出或蒸發(fā)。

2.2.2含水量與強度關(guān)系

土壓實的傳統(tǒng)理念是土在最佳含水量時進行壓實，土顆粒周邊的自由水充分排除、土顆粒靠近，干密度達到最大。但這種理念并不適用于高液限黏土。為了固化高液限黏土，結(jié)合室內(nèi)試驗，提出最佳攪拌含水量（OSM C）的概念。最佳攪拌含水量是指能使高液限黏土與固化劑充分攪拌，并使其凝結(jié)硬化后強度最大的含水量。

根據(jù)前述東麗土強度試驗研究可看出，當(dāng)高液限黏土含水量大于液限5%～10%、固化劑摻量在2%～4%時，固化土強度滿足工程要求，為此，進一步對東麗固化高液限黏土與含水量關(guān)系進行試驗研究，以尋求東麗土最佳攪拌含水量。以東麗土為固化對象，土樣液限為53.2%，無側(cè)限抗壓強度與含水量關(guān)系曲線見圖4。

圖4　不同固化劑摻量條件下無側(cè)限抗壓強度-含水量關(guān)系曲線

由圖4可知：

（1）在含水量大于液限的條件下，7 d無側(cè)限抗壓強度先隨含水量的增加而增加，達到最大后，強度逐漸減小。其中，固化劑摻量為2%時，含水量較液限含水量增加7%（含水量為60.25%），強度最大；固化劑摻量為5%時，含水量較液限含水量增加9%（含水量為62.2%），強度最大。

（2）固化劑摻量2%（5%）的固化高液限黏土最佳攪拌含水量為較液限增加7%（9%）時的含水量，可見隨著固化劑摻量的增加最佳攪拌含水量有所增大。工程使用應(yīng)根據(jù)固化高液限黏土需達到的強度要求及其物理性質(zhì)進行最佳攪拌試驗予以確定。

2.2.3CBR試驗

為進一步明確GURS固化高液限黏土替代傳統(tǒng)道路路基的可能，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）制作152×120 mm試件，養(yǎng)護6 d，浸水24 h后進行CBR試驗，承載比試驗結(jié)果見表2。由表2可看出，高液限黏土摻加2%、4%GURS-501固化劑后CBR均滿足道路路基對CBR的要求。

表2　承載比試驗結(jié)果

2.3　固化高液限黏土水穩(wěn)性試驗

水泥、石灰等無機結(jié)合料穩(wěn)定土在長期浸水條件下強度大幅衰減（見圖5a），嚴重影響工程的使用壽命。因此，水泥土、石灰土以及水泥石灰土僅可作為低等級道路的底基層，為了探討GURS固化高液限黏土作為道路基層或底基層的可能性，應(yīng)對其水穩(wěn)性進一步研究。

圖5　摻加固化劑土與摻加水泥石灰浸水后效果對比

試驗參考巖石力學(xué)中關(guān)于巖石水穩(wěn)系數(shù)的測定方法，對固化高液限黏土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護7d、28d后在水中充分浸泡不同時間進行抗壓強度試驗，計算其水穩(wěn)系數(shù)和強度損失，預(yù)測其變化規(guī)律。試件統(tǒng)一較液限含水量增加7%，無側(cè)限抗壓強度及穩(wěn)定系數(shù)測試結(jié)果見表3。

表3　固化高液限黏土水穩(wěn)性能測試結(jié)果

由表3可知：

（1）固化高液限黏土養(yǎng)護7 d后，隨著浸泡時間的增加強度并未衰減，略有增大，并隨著固化劑摻量的增加，增幅變大，這與GURS固化劑在水環(huán)境下仍然能進行反應(yīng)有關(guān)，7 d養(yǎng)護齡期后一定時間內(nèi)強度形成仍然在繼續(xù)，說明固化高液限黏土有較好的水穩(wěn)性能。

（2）固化高液限黏土養(yǎng)護28 d后，隨著浸泡時間的增加強度有所衰減，但幅度很小，而且隨著固化劑摻量的增加，強度減少量逐漸降低，說明固化劑摻量的增加可提高水穩(wěn)定性。

（3）固化高液限黏土在不同浸泡條件下水穩(wěn)系數(shù)在0.9～1.0之間，且隨著固化劑摻量的增加，水穩(wěn)系數(shù)逐步增大，摻量達5%時水穩(wěn)系數(shù)接近1，說明固化高液限黏土有較好的水穩(wěn)性。

2.4　固化高液限黏土干縮性能試驗

將東麗土在最佳攪拌含水量下制備50 mm×50 mm×200 mm試件，進行固化高液限黏土干縮性能測試。為了模擬固化高液限黏土的施工條件，測試溫度要求20±1℃，濕度要求60±5%，利用SH-100收縮儀測試高低溫交變濕熱試驗條件下固化高液限黏土的干縮情況。不同固化劑摻量下固化高液限黏土干縮試驗測試結(jié)果見圖6。

圖6　固化高液限黏土干縮試驗結(jié)果

由圖6可知：

（1）固化高液限黏土的干縮應(yīng)變在1～13 d時間內(nèi)增長迅速，之后趨于平緩，當(dāng)失水率達到最大值時，干縮應(yīng)變趨于4 000×10-6左右并穩(wěn)定。

（2）固化高液限黏土的平均干縮系數(shù)為200×10-6～400×10-6，在養(yǎng)生初期變化較大，在養(yǎng)生14 d后趨于穩(wěn)定，平均干縮系數(shù)受固化劑摻量的影響較大，與水泥、石灰土干縮系數(shù)變化顯著不同，隨著固化劑摻量的增加，干縮系數(shù)逐漸減小，這是因為GURS固化劑有很強的結(jié)合能力，在一定含水量條件下（最佳攪拌含水量），固化劑與高液限黏土凝結(jié)硬化能力和抗變形能力更強。

2.5　固化高液限黏土凍融循環(huán)性能試驗

固化高液限黏土在反復(fù)凍融循環(huán)后的強度變化對于其使用壽命至關(guān)重要，將不同固化劑摻量固化高液限黏土試件在室內(nèi)養(yǎng)生28 d后進行凍融循環(huán)試驗，不同固化劑摻量的固化高液限黏土凍融循環(huán)后強度測試結(jié)果見表4。

表4　固化高液限黏土凍融循環(huán)測試結(jié)果

分析表4數(shù)據(jù)可以得出：

（1）固化高液限黏土經(jīng)5次凍融循環(huán)后，無側(cè)限抗壓強度約為正常養(yǎng)生試件的67%～81%，且隨著固化劑摻量的增加，強度損失率逐漸減小，摻入GURS-501固化劑提高了高液限黏土的抗凍融性能。

（2）當(dāng)GURS固化劑摻量大于5%時，固化高液限黏土在凍融循環(huán)后強度損失率小于25%，因此，從考慮凍融循環(huán)角度，建議固化劑摻量不低于5%。

3　結(jié)論

本文針對工程中經(jīng)常遇到的含水量大于塑限、接近液限的高液限黏土固化技術(shù)進行系統(tǒng)研究，在分析GURS系列固化劑對高液限黏土固化作用機理的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗研究采用GURS-501固化劑處理的高液限黏土的路用性能，探求固化高液限黏土最佳途徑。本文研究得出的結(jié)論如下：

（1）GURS系列固化劑對高液限黏土的固化作用機理可總結(jié)為攪拌共溶、反應(yīng)、凝結(jié)硬化排斥三個階段。

（2）采用GURS-501固化劑處理后的固化高液限黏土，滿足公路底基層強度以及道路路基CBR的要求。

（3）固化高液限黏土含水量較液限大5%～10%存在最佳攪拌含水量（OSM C），最佳攪拌含水量隨著固化劑摻量的增加有所增大。

（4）固化高液限黏土在不同浸泡條件下水穩(wěn)系數(shù)在0.9～1.0之間，且隨著固化劑摻量的增加，水穩(wěn)系數(shù)逐步增大，摻量達5%時水穩(wěn)系數(shù)接近1，說明固化高液限黏土有較好的水穩(wěn)性。

（5）固化高液限黏土的干縮應(yīng)變在1～13 d內(nèi)增長迅速，之后趨于平緩，當(dāng)失水率達到最大值時，干縮應(yīng)變趨于4 000×10-6左右并穩(wěn)定。

（6）當(dāng)GURS固化劑摻量大于5%時，固化高液限黏土在凍融循環(huán)后強度損失率小于25%，因此，從考慮凍融循環(huán)角度，建議固化劑摻量不低于5%。