摘要：文章基于實(shí)用工程案例，借助實(shí)驗(yàn)室應(yīng)變片法實(shí)驗(yàn)分析的方式，對(duì)土凝巖固化劑改性土的溫縮機(jī)能開展專題實(shí)驗(yàn)分析，以期為同類路基工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：路基工程;基土改性;固化劑;溫縮機(jī)能;室內(nèi)實(shí)驗(yàn);分析探究

中圖分類號(hào)：U416. 211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 019

文章編號(hào)：1673 - 4874（2019）12 - 0065 - 04

0 引言

公路過線軟弱粉質(zhì)黏土地質(zhì)區(qū)域，出于基土強(qiáng)化治理的需要，經(jīng)常應(yīng)用固化劑對(duì)軟弱土開展強(qiáng)化改性治理。土凝巖固化劑是當(dāng)前頗受行業(yè)青睞的一種由工業(yè)廢棄物加工制成的粉末狀無機(jī)材料，某公路工程在過線軟弱粉質(zhì)黏土地質(zhì)區(qū)域時(shí)，其基土強(qiáng)化治理就選擇應(yīng)用了土凝巖固化劑基土強(qiáng)化改性技術(shù)。本研究借助實(shí)驗(yàn)室應(yīng)變片法實(shí)驗(yàn)分析的方式，對(duì)土凝巖固化劑改性土的溫縮機(jī)能開展專題實(shí)驗(yàn)分析探究，為同類路基工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的軟弱基土改性治理工程。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

土樣取自地表以下1 m深度左右，本研究選用的是適合于粉質(zhì)黏土的土凝巖型固化劑，無機(jī)粉末狀，由工業(yè)廢棄物加工制成。其相關(guān)性能指標(biāo)可詳見表1～2。

試樣梁式規(guī)格為200 mm×50 mm×50 mm，在7d齡期，置于105℃的烘箱中進(jìn)行長達(dá)10～12 h的烘干處理?；诎咐齾^(qū)域年均地表溫度最高可達(dá)到40℃以上、最低會(huì)降到-20℃左右，因此本實(shí)驗(yàn)把高低溫交變實(shí)驗(yàn)箱溫度控制設(shè)定在- 20℃～40℃。本研究基于應(yīng)變片法，分別選擇土凝巖含量（2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.%）當(dāng)作變量，借助最可靠且最便捷的高低溫交變?cè)囼?yàn)箱與靜態(tài)應(yīng)變儀，對(duì)土凝巖固化劑改性土實(shí)施溫度聚縮性實(shí)驗(yàn)。

選用應(yīng)變片法進(jìn)行試驗(yàn)：溫縮實(shí)驗(yàn)選用的試樣為與干縮試樣一致的梁式試樣，所待測(cè)試樣全部采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)償件，將應(yīng)變片粘貼到待測(cè)試樣上，再將長度等同的屏蔽線與應(yīng)變片相連接，將組接好的測(cè)試試樣與補(bǔ)償件均置于已提前設(shè)置好的高低溫交變實(shí)驗(yàn)箱中，試樣放置均選用橫臥式（見圖1），試樣底部墊置能夠自行移動(dòng)的光滑玻璃棒。按照既定順序?qū)⑦@些應(yīng)變片相對(duì)應(yīng)的引線以1/4橋法（試驗(yàn)室中周邊環(huán)境較適中，通常選取1/4橋法）與靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行相連（具體可詳見圖2）。接下來對(duì)應(yīng)變儀通道的平衡性進(jìn)行逐一測(cè)量，測(cè)量30 min后，將各測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)進(jìn)行歸零重設(shè)，接通電源并運(yùn)行高低溫交變實(shí)驗(yàn)箱，以10℃的溫度差為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，通過計(jì)算機(jī)對(duì)讀數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，以確保與實(shí)驗(yàn)溫控程序相協(xié)調(diào)。

溫縮常數(shù)：

2 實(shí)驗(yàn)循環(huán)溫度演變關(guān)系

溫度聚縮是改性土中的氣相、液相及固相在降溫升過程中的互相作用使改性土出現(xiàn)的體積聚縮，所以溫度是溫度聚縮的重點(diǎn)要素。為更充分準(zhǔn)確地探討改性土的溫縮應(yīng)變，本研究對(duì)改性土內(nèi)部溫度選用環(huán)境智能測(cè)量數(shù)據(jù)收集儀實(shí)施實(shí)時(shí)測(cè)量，所得數(shù)據(jù)成果如圖3所示。

圖3（a）是設(shè)定溫度及溫度變化示意圖，此圖揭示實(shí)驗(yàn)開始直至一個(gè)循環(huán)結(jié)束所需的時(shí)間與溫度，起始循環(huán)45.5 h之后的各循環(huán)時(shí)間要求為42 h。圖3（b）揭示的是數(shù)個(gè)循環(huán)實(shí)驗(yàn)下，內(nèi)部溫度與時(shí)間的變化情況。測(cè)試結(jié)果顯示，相較于外界溫度，內(nèi)部溫度演變延遲大約0.5 h。由于在40℃及- 20℃擁有共同接連，因此數(shù)個(gè)循環(huán)下時(shí)間會(huì)降低3.5 h，并且在實(shí)驗(yàn)中實(shí)施數(shù)個(gè)溫度循環(huán)。

3 土凝巖改性土溫縮規(guī)律分析

3.1 土凝巖改性土溫縮應(yīng)變分析

本實(shí)驗(yàn)基于第2至第6個(gè)溫度循環(huán)的條件，對(duì)比同條件混凝土改性土的溫縮應(yīng)變，對(duì)土凝巖穩(wěn)態(tài)粉質(zhì)黏土的溫縮應(yīng)變特性實(shí)施分析：

圖4曲線揭示，6個(gè)溫度循環(huán)下，土凝巖改性土溫縮應(yīng)變與混凝土改性土的溫縮應(yīng)變存在較大差異，下面經(jīng)過圖5對(duì)兩者溫縮應(yīng)變差異進(jìn)行詳細(xì)分析。

由圖5（a）可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，基于第2與第3個(gè)溫度循環(huán)下，在土凝巖新型固化劑含量為2%、4%的低溫區(qū)域，土凝巖的溫縮應(yīng)變不是很大，但在高溫區(qū)域卻很大，這個(gè)現(xiàn)象與混凝土改性土的溫縮應(yīng)變正好相反。土凝巖新型固化劑含量6%則與混凝土含量6%的改性土整體類似，但從溫縮應(yīng)變數(shù)值上看，混凝土較大一些。當(dāng)含量達(dá)到8%時(shí)則發(fā)生低溫聚縮，而在高溫時(shí)出現(xiàn)膨脹，其中膨脹值較聚縮值略大。隨含量繼續(xù)增加到10%時(shí)則一直處于膨脹狀態(tài)。由此可見，這與混凝土改性土類似，呈正相反的“螺旋式”演變。

在對(duì)圖5進(jìn)行全面對(duì)比與細(xì)致分析后，可進(jìn)一步了解到，在溫縮應(yīng)變方面，兩者存在很大差異，即所謂的正相反態(tài)勢(shì)。導(dǎo)致此結(jié)果形成的根本原因是當(dāng)溫度多次循環(huán)后，土凝巖固化劑與粉質(zhì)黏土出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)時(shí)與含量2%、4%的溫縮應(yīng)變態(tài)勢(shì)相似，含量8%的溫縮應(yīng)變?cè)诘蜏嘏c冰點(diǎn)環(huán)境下仍表現(xiàn)出顯著的聚縮特征，在20℃左右發(fā)生膨脹演變，達(dá)到含量10%時(shí)則是整體膨脹狀態(tài)。據(jù)此可見，土凝巖含量過大，溫度的變化通常會(huì)對(duì)土凝巖新型改性土的溫縮應(yīng)變有相對(duì)較大的影響。

綜上所述，土凝巖改性土的溫縮應(yīng)變較混凝土改性土的溫縮應(yīng)變低，其中，含量2%、4%、6%與對(duì)應(yīng)含量的混凝土改性土溫縮演變正相反，可與混凝土在不同周邊環(huán)境中做選取選用。如在溫度梯度變化較小的區(qū)域可選取含土凝巖含量6%的改性土較優(yōu);溫度梯度差別相對(duì)較大溫度但最高溫度不超過40℃的區(qū)域，因?yàn)楦邷貢r(shí)土凝巖礦物發(fā)生膨脹，可降低溫縮演變，所以可選取土凝巖含量8%當(dāng)作改良粉質(zhì)黏土的固化劑，能有效減緩路基土體的聚縮裂隙問題，有利于增強(qiáng)路基整體的穩(wěn)定性。

3.2 土凝巖改性土的溫縮常數(shù)分析

溫度聚縮是致使改性土開裂的原因之一，但一般條件下改性土在正常溫度范圍內(nèi)不致出現(xiàn)溫縮裂隙。而在溫差相對(duì)較大的區(qū)域，尤其是在季節(jié)性凍土區(qū)域，外露的改性土基層容易出現(xiàn)相對(duì)較大的溫度聚縮而致使開裂。溫縮常數(shù)是衡量溫縮機(jī)能的重點(diǎn)指標(biāo)，但達(dá)到一定溫度循環(huán)后溫縮常數(shù)趨向于平穩(wěn)。因此本研究選擇在第4至第6個(gè)溫度循環(huán)下采用專業(yè)方法及相關(guān)手段對(duì)土凝巖新型固化劑改性土的溫縮常數(shù)進(jìn)行以下探討分析：

圖6（a）是第4個(gè)溫度循環(huán)下土凝巖新型改性土溫縮常數(shù)演變曲線，含量2%、4%與6%的溫縮常數(shù)較平穩(wěn)，在低溫區(qū)域溫縮常數(shù)相對(duì)較大，與混凝土改性土類似并在高溫區(qū)域溫縮常數(shù)均達(dá)到極值。由數(shù)據(jù)可看到含量6%的土凝巖改性土溫縮常數(shù)相對(duì)較小，并且較優(yōu)。含量8%的土凝巖改性土溫縮常數(shù)處在負(fù)值區(qū)，對(duì)特定溫度梯度相對(duì)較大并且高溫相對(duì)較大區(qū)域可選用，能從根本上確保路基土長期處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6（b）直觀反映了在第5與第6個(gè)溫度循環(huán)下的土凝巖新型改性土溫縮常數(shù)演變情況，隨溫度循環(huán)數(shù)的增加，溫縮常數(shù)接近穩(wěn)定狀態(tài)。在溫度升高階段的低溫區(qū)域溫縮常數(shù)相對(duì)較大，而在溫度降低的低溫區(qū)域溫縮常數(shù)不是很大，但超過30℃時(shí)達(dá)到溫縮常數(shù)極值。

土凝巖改性土是一種典型的新型礦物，是由土凝巖礦物和粉質(zhì)黏土經(jīng)一系列反應(yīng)而生成的，因此土凝巖改性土的溫度聚縮是土凝巖與新生礦物聚縮的綜合作用。其基礎(chǔ)材料粉質(zhì)黏土擁有相對(duì)較大脹縮性，但土凝巖卻不大，由此也就能使新生礦物的溫度脹縮性大大降低?？偠灾聊龓r改性土的熱脹性是在各構(gòu)成單元共同作用下所形成的一種綜合效應(yīng)。

4 結(jié)語

本研究借助實(shí)驗(yàn)室應(yīng)變片法實(shí)驗(yàn)分析的方式，對(duì)土凝巖固化劑改性土的溫縮機(jī)能開展專題實(shí)驗(yàn)分析探究。主要收獲及結(jié)論如下：

（1）含量8%的土凝巖新型改性土在低溫出現(xiàn)聚縮，相對(duì)較大溫度下出現(xiàn)膨脹，但達(dá)到30℃時(shí)溫縮常數(shù)達(dá)成極值。隨著溫度的進(jìn)一步攀升，溫縮常數(shù)反倒降低。含量為2%、4%與6%的土凝巖改性土的溫縮常數(shù)相對(duì)平穩(wěn)，在低溫區(qū)域的溫縮常數(shù)相對(duì)較大。土凝巖含量為8%時(shí)的改性土溫縮常數(shù)演變幅度相對(duì)較為明顯，在溫度循環(huán)頻次不斷增加的情況下，溫縮常數(shù)也逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）含量6%與8%的土凝巖新型改性土擁有相對(duì)較大的性價(jià)比。在溫度梯度相對(duì)平穩(wěn)的區(qū)域，建議選取土凝巖含量為6%的改性土較優(yōu)。溫度梯度差別相對(duì)較大而最高溫度不超過40℃的區(qū)域，因?yàn)楦邷赝聊龓r礦物發(fā)生膨脹，可降低溫縮演變，因此可選取土凝巖8%作為改性土基層與底基層改性土的含量。

（3）改性土存在著顯著的溫度效應(yīng)，不同溫度會(huì)令改性土內(nèi)部孔隙構(gòu)造出現(xiàn)不同程度的演變，最終致使溫縮裂縫出現(xiàn)。這種固化劑在改善本區(qū)粉質(zhì)黏土性質(zhì)方面發(fā)揮了不可忽視的重大作用，其不僅能使溫縮應(yīng)變處于要求范圍之內(nèi)，還能減小溫縮常數(shù)。從整體來看，這種新型固化劑既符合國家大力倡導(dǎo)的節(jié)能減排要求，也實(shí)現(xiàn)了廢料資源的高效配置與使用，改善了路基土體性能，對(duì)于道路交通建設(shè)工程而言可謂是意義重大。

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作者簡(jiǎn)介：秦尤剛（1979-），工程師，從事公路橋梁施工養(yǎng)護(hù)管理工作。