SG-1型土壤固化剂稳定碎石土与水泥稳定碎石土的力学性能与路用性能对比分析

王志军，董学超，赵风华

(1.呼和浩特机场建设管理投资有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010； 2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064； 3.锡林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，内蒙古 太仆寺旗 027000)

0 引 言

在建设公路的过程中需要消耗大量的石料，而石料大多来自开采山石，这无疑会破坏原有的自然生态；另一方面，长距离运输石料也会增加公路的造价。中国西北地区干燥多雨，人口稀少，拥有丰富的土壤资源，在此地建设道路可直接利用土壤，不仅实现了当地地皮的直接利用，还减少了建设成本[1-4]。20世纪80年代，欧、美、日等发达国家和地区开始研究环境友好型的工程建设外掺剂，土壤固化剂就是其中的一种[5]。虽然中国在固化剂方面的研究起步较晚，但是如今也研究出了很多成果。沈阳大学李贞研究的生物酵素酶土壤固化技术将纯天然的蛋白酶加入土壤中进行固化，既无毒无害，又有效地加固了土壤[6]；杨青等人研究了酸碱固化剂，针对有金属离子的土壤(例如红黏土等)利用磺酸形成的亲水和疏水基团加固[7]；浙江师范大学罗小花采用具有强氧化和高溶解性能的离子固化剂，使土壤中的矿物成分结晶，达到固化的作用[8]。

SG-1型土壤固化剂是一种复合材料，通过多种无机结合料的共同作用可以提高土工技术性能，降低工程造价[9-11]。将土壤固化剂加入土壤中，可使土壤从亲水变为疏水，土壤内的吸附水被完全消除，有效改善无机土壤的化学和物理性质，可大大提高路基压实度、密度、承载能力和集聚力，也降低了土壤对水分的敏感性，使土壤成为不透水性材料。鉴于碎石土在陕西地区存量丰富，依托陕西省神木县重点村道工程，采用新型SG-1型土壤固化剂直接固化土壤，并将其作为基层材料。作为对照试验，笔者在相同条件下对土壤固化剂稳定土和水泥稳定碎石土进行各种室内试验，通过对比每项试验的结果，从而定性判断其路用性能或力学性能能否达到使用要求[12-20]。

1 原材料选取

1.1 固化剂

SG-1土壤固化剂为灰白色粉状物质，主要由水泥熟料、生石灰、粉煤灰等无机结合料和高分子聚合物组成。其中，所含的表面活性剂具有增塑、防冻和防水的作用。其检测结果见表1。

表1 SG-1土壤固化剂工作性检测结果

1.2 碎石土

试验用土的液限为20.3%，塑限为14.6%，塑性指数为5.7%，属于黏土质砾 GC。碎石土取自项目工地周边，首先筛分碎石土，得到级配组成。土颗粒分析结果见表2。

表2 碎石土筛分结果

2 确定掺量

固化剂和水泥分别为2种稳定土的胶结材料，为二者强度形成的关键因素。为了能得到二者的最佳掺量，分别按照表3的掺量进行击实试验。

表3 击实试验结果

从表3可知，随着掺加量的不断增加，2种稳定土的最佳含水量不断提高，而最大干密度逐渐减小。由于2种胶结物成分均为粉状小颗粒，因此孔隙率很小，其比表面积相对较大，所以当SG-1固化剂和水泥的掺量增加时，稳定土易于压实，并会吸收更多的水，使最佳含水量逐渐增大。

通过测定在不同掺量下的7 d无侧限抗压强度，可以发现无侧限抗压强度随着掺量的增加逐渐提高。但是掺量的增加也会提高造价，只有使用相同的掺量得出的试验结果才有可比性。综合考虑之下，确定固化剂与水泥的剂量均为7%。

3 力学性能试验

3.1 无侧限抗压强度检测及分析

成型养生上述2种稳定土的试件，每种各5个试件，将其分别养生7、28、60、90、180 d以后做无侧限抗压强度试验，结果见表4、5。

表4 无侧限抗压强度试验结果

根据表5的试验结果，2种材料的 7 d无侧限抗压强度均到达2.9 MPa，满足规范要求。通过继续分析可知，随着龄期的增加，二者无侧限抗压强度均持续增大：龄期为14 d时，SG-1固化剂稳定碎石土的抗压强度比7 d提高了10.3%，而水泥稳定碎石土提高了17.2%，可见水泥稳定碎石土在这一时期的强度增长速度比SG-1型碎石土快；龄期为28 d时，前者比14 d的强度增长了12.5%，后者增长了11.8%；龄期为60 d时，前者比28 d的强度增长了25%，后者增长了23.6%；龄期为90 d时，前者比60 d的强度增长了11.1%，后者增长了12.8%；龄期为180 d时，前者比90 d时增长了8.0%，后者增长了3.8%。由此可见，虽然同龄期时水泥稳定碎石土的强度更高，但最终二者强度大致相同；其次，二者的增长速度都是先快后慢；最后，龄期为28～180 d时，SG-1型碎石土的增长速度高于水泥稳定碎石土。将表5的数据绘制成走势图可直观地看出二者的差别，如图1所示。

表5 无侧限抗压强度试验结果

图1 无侧限抗压强度与龄期之间的关系

3.2 抗压回弹模量检测及分析

分别测定试件的7、28、90 d抗压回弹模量，结果见表6。

表6 抗压回弹模量试验结果

通过分析表6数据得到：7～28 d，前者增长了290 MPa，增幅为42.9%；后者增长了357 MPa，增幅为47.0%。28～90 d，前者增长了432 MPa，增幅为44.7%；后者增长了408 MPa，增幅为36.5%。7～90 d，前者共增长了722 MPa，增幅为106.8%；后者共增长了765 MPa，增幅为100.7%。总的来说，二者抗压回弹模量的性能较为接近，增幅明显。

龄期相等时， SG-1 型土壤固化剂稳定碎石土的抗压回弹模量比水泥稳定碎石土小。原因为水泥的水化反应非常快速、剧烈，生成大量的胶结物质，比其他胶结物质反应产物更多，所以在相同的掺量下，SG-1型土壤固化剂中还含有其他成分，产生的反应物相对较少，因此SG-1型土壤固化剂稳定碎石土的模量稍低，但最终的抗压回弹模量满足要求。

4 路用性能试验

4.1 水稳定性试验及结果分析

将成型试件按照试验规范养生后，分别浸水0、2、4、6、8、10 d，测定各浸水时间后的强度，并计算出水稳定性系数与强度损失，结果见表7。

表7 水稳定性试验结果

从表7可以看出，当浸水的时间不断变长，SG-1型固化剂稳定碎石土与水泥稳定碎石土的水稳定系数都呈持续下降的趋势，强度损失都呈持续增加的趋势。平行比较二者，在相同浸水时间下，SG-1 型固化剂稳定碎石土的水稳定性优于水泥稳定碎石土。这是因为固化剂中含有高分子聚合物材料，比土更加具有亲水性，因此降低了试件的吸水速度，保证了试件的水稳定性。两者最终的抗压强度接近，验证了SG-1型土壤固化剂稳定碎石土的水稳定性达到要求。 图2为二者的强度损失和水稳定系数走势。

图2 水稳定系数和强度损失变化趋势

4.2 干缩试验方法与结果分析

降低材料含水量往往会使材料的体积出现一定程度的收缩，而基层过量的收缩会使道路在使用过程中出现较多的病害。因此，按照试验规程测定其干缩的应变量和平均干缩系数，评定基层的干缩性能，具体结果见表8。

表8 干缩试验结果

分析表8试验数据，可以发现虽然SG-1型土壤固化剂稳定碎石土的失水率较高，但是其干缩量比水泥稳定碎石土少了14.5%，说明其收缩性小，抗干缩能力强。分析成因，二者的掺量虽然相同，但是固化剂中的粉煤灰以及高分子聚合物材料具有很强的吸附土颗粒中水分的能力。宏观而言，其水分并没有流失太多，而是转化为其他形式储存下来，因此其对于收缩的影响不大。

4.3 抗冻性试验及结果分析

将2种材料分别成型2组试件，按照规范要求养生28 d，最后一天放入水中。测定其中一组的无侧限抗压强度，另一组进行5次冻融循环，然后测定无侧限抗压强度，试验结果见表9。

表9 冻融循环试验结果

分析表8，经过5次冻融循环试验后，SG-1型土壤固化剂稳定碎石土的强度损失为8.3%，抗冻性系数为91.7%；而水泥稳定碎石土经过5次冻融循环试验后，强度损失为15.8%，抗冻性系数为84.2%。经过冻融循环试验，发现SG-1型土壤固化剂稳定碎石土的强度比水泥稳定碎石土高，因此评定使用固化剂后碎石土的抗冻性能优于水泥稳定碎石土。

4.4 抗冲刷试验及结果分析

雨水冲刷会使基层粒料剥落，并在车辆的作用下产生唧浆，带出细小颗粒，因此抗冲刷性能也是评定基层性能的一项重要指标。将2种材料按照规范成型试件后进行抗冲刷试验，并计算出各冲刷质量损失，结果见表10。

表10 抗冲刷试验结果

从表9的抗冲刷试验结果可知，SG-1型土壤固化剂稳定碎石土的抗冲刷性优于水泥稳定碎石土。2种碎石土材料最大的区别在于胶凝材料不同。SG-型碎石土采用固化剂来稳定天然的碎石土，其中高分子聚合物通过一系列物理化学作用逐渐形成一种空间网状结构，并在石灰、水泥和粉煤灰反应的作用下固定，从而使土颗粒运动受限；而水泥稳定碎石土通过水泥凝结硬化的作用使碎石土稳定。根据试验所得结果，SG-1型土壤固化剂附着在土粒上的性能优于水泥。

4.5 耐磨性试验及结果分析

SG-1固化土拥有较好的耐磨性能，而规范中并没有提到如何判定基层的耐磨性，因此笔者拟用水泥混凝土中的相关方法来检测二者的耐磨性。为准确测定耐磨性能，笔者在试验过程中选用的龄期为180 d，按照规范中的T0567—2005要求进行耐磨试验，结果如表11所示。

表11 耐磨性试验结果

从表10可以直观地看出，180 d龄期的SG-1型土壤固化剂稳定碎石土的耐磨性能更好。分析其原因，还是在于胶凝物质不同。SG-1型土壤固化剂的胶凝性能形成的结构体比水泥形成的水泥石结构更加紧密、稳固。因此龄期为180 d时，SG-1型土壤固化剂稳定碎石土的耐磨性优于水泥稳定碎石土。

5 效益分析

单位体积(压实后)下2种材料的造价为：SG-1型土壤固化剂稳定碎石土的单价为145.7元，而水泥稳定碎石土的单价为166.2元。因此在经济效益方面，SG-1型碎石土高与水泥稳定碎石土，具有较好的发展前景。

6 结 语

本文借陕西省神木县重点村道工程进行创新研究，以SG-1型土壤固化剂和水泥分别形成的稳定碎石土，进行了原材料检测、力学性能、路用性能以及效益分析。通过上述试验，可以得出以下结论。

(1)SG-1型土壤因化剂稳定碎石土的无侧限抗压强度及抗压回弹模量与水泥稳定碎石土接近。SG-1型土壤固化剂碎石土的前期强度形成较快，并且增长速度较快，有利于前期快速施工并快速形成强度，缩短工期。

(2)SG-1型碎石土由于其特有的高分子聚合物具有亲水性，使得其水稳定性优于水泥稳定碎石土。其强度损失虽然不断增大，但是增幅却不断减小，最终趋于稳定，提高了基层的水稳定性，可以延长路面使用寿命。

(3)SG-1型碎石土的干缩性小于水泥稳定碎石土，因此其作为基层产生的病害较少。

(4)SG-1型碎石土的抗冻性能优于水泥稳定碎石土，避免了基层出现冻胀翻浆病害。同时抗冲刷性能和耐磨性能均优于水泥稳定碎石土，保证了基层的耐久性。

(5)SG-1 型碎石土单位体积材料价格低于水泥稳定碎石土，可以节约大量的成本。

(6)SG-1型土壤固化剂由于含有独特的高分子聚合物，与水泥、粉煤灰、石灰等材料发生物理化学作用，对土颗粒的约束能力强于水泥，即形成更加密实的土体。