低液限粉土路基复掺改良试验研究

张明敏

(怀化市公路路政管理支队， 湖南 怀化 418000)

低液限粉土直接应用于路面底基层容易产生弯沉问题，对粉土进行改性是当前处理低液限粉土地基的主要手段之一。但由于低液限粉土具有孔隙率高、级配不良、抗剪强度低、压缩性大等特性，单掺水泥或双掺水泥+粉煤灰等均不能达到预期改良效果。因此，对低液限粉土进行复掺改性试验成为工程界的热门课题。张笑峰等采用正交试验法，对不同粉煤灰、石灰、纤维掺量及纤维长度下改良粉土进行对比试验，根据试验结果建立了最佳配比的经验公式。姜冲等以水玻璃模数为变量，分析2.6～2.9和3.1～3.4两种模数下粉土改良效果，发现3.1～3.4模数下改良土早期强度更大，而2.6～2.9模数下土强度的改良效果更佳。封喜波分析不同掺入比下石灰、水泥对粉土强度的改良效果，认为改良低液限粉土时石灰最佳掺量为6%、水泥为4%。李志涛等开展纯石灰和石灰水泥混合物改良低液限粉土试验研究，通过对比得出纯石灰改良效果更佳，其最佳掺量为7%。该文采用掺膨润土改良粉土密实度低、级配不良的特性，选择水泥、水玻璃、氯化钙、石灰及纤维复掺改良粉土低强度、压缩性大的特性，对低液限粉土减小底基层弯沉值进行复掺改性对比试验，为低液限路基底基层加固材料选取提供参考。

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验粉土取自某高速公路路基，根据室内试验结果(见表1)判断其为级配不良、中等压缩的低液限粉土。

表1 试验粉土的物理力学参数

其他试验材料：1) 膨润土。其主要化学成分包括SiO2、Al2O3。2) 水泥。采用普通硅酸盐水泥，标号为PO42.5。3) 水玻璃。其波美度为50，比重约为1.52 g/cm3,模数为2.6～2.9。4) 氯化钙。采用无水氯化钙颗粒，溶于水后形成溶液再掺入粉土。5) 石灰。采用生石灰，其主要成分为氧化钙。6) 纤维。采用聚丙烯纤维，长度 9 mm。

1.2 试验配比设计

试验共分为3个部分：1) 密实度改良试验。该试验的外掺料为膨润土，其具有良好的膨胀性、吸附性和黏结性，能增强粉土颗粒之间的黏结性能，提高粉土的整体密实度。膨润土掺比分别为0、3%、6%、9%和12%。2) 强度和压缩性改良试验。该试验采用水泥、水玻璃、氯化钙、石灰及聚丙烯纤维复掺进行正交改良，试验配比见表2。3) 通过上述2项试验结果进行配比改良试验，得到最佳配比。

表2 正交试验配比

2 试验结果分析

2.1 密实度改良结果

不同膨润土掺量在最佳含水率下的击实干密度和回弹模量见图1。

图1 密实度改良结果

从图1可以看出：随着膨润土掺量的增加，改良粉土的回弹模量和干密度呈先增大后减小的变化趋势，膨润土掺量为9%时回弹模量和干密度达到最大值，分别为50.6 MPa和1.89 g/cm3；与未掺入膨润土时相比，最大回弹模量从36.8 MPa增加至50.6 MPa，增幅36.96%，干密度从1.68 g/cm3增至1.89 g/cm3，增幅6.18%。掺入膨润土后，粉土的密实度明显提高，回弹模量也有较大幅度提升，对于减小底基层弯沉值具有重要作用。由于膨润土颗粒较细，其高离子吸附性和黏结性能保证膨润土进入粉土孔隙中并紧紧吸附于粉土颗粒表面，从而使粉土密实度提高，回弹模量增大。

2.2 强度及压缩性改良结果

各试验组的抗剪强度参数(300 kPa下压实度97%)变化情况见图2，无侧限抗压强度和回弹模量变化情况见图3，压缩系数变化情况见图4。

图2 抗剪强度试验结果

图3 抗压强度和回弹模量试验结果

图4 压缩系数试验结果

从图2可以看出：9组试验中，试验组2的黏聚力最大，达303. 8kPa，试验组3的黏聚力最小，仅为167.5 kPa；试验组9的内摩擦角最大，为40.5°，试验组4的内摩擦角最小，为33.6°。综合来讲，试验组2(水泥2%，水玻璃∶氯化钙=3∶1，石灰3%，聚丙烯纤维0.3%)和试验组5(水泥3%，水玻璃：氯化钙=3∶1，石灰4%，聚丙烯纤维0.2%)的性能最佳，此时黏聚力和内摩擦角达到较高水平。

从图3可看出：9组试验中，抗压强度和回弹模量呈同一变化特征，即随着水玻璃：氯化钙比值的变化而变化，水玻璃：氯化钙的比值从2∶1增至3∶1时抗压强度和回弹模量逐渐增加，水玻璃∶氯化钙的比值从3∶1下降至3∶2时抗压强度和回弹模量有所减小，表明改良粉土的强度和回弹模量主要取决于水玻璃∶氯化钙的取值。在同一水玻璃∶氯化钙比值下，水泥含量越高，强度和回弹模量越大，表明除水玻璃∶氯化钙取值外，水泥也是影响改良粉土的重要因素。这是因为水泥、水玻璃和氯化钙在改良过程中会发生反应生成一定的凝胶产物，能对粉土的孔隙进行有效填充，同时由于胶凝物的强胶结能力使改良粉土的强度和模量均大幅提升。采用试验组8的配合比时，强度和回弹模量表现最佳。

从图4可看出：与低液限粉土的压缩系数相比，复掺各材料后各试验组的压缩系数均大幅下降，其中试验组5、7的压缩系数值最小，分别为0.054和0.055。这两组试验的石灰掺量均为4%，表明石灰对粉土压缩性的影响最大，其次为水泥。这是因为石灰属于气硬性胶凝材料，具有保水性好等特点，通过反应生成的水硬物质强度高、水稳定性好，故压缩系数更小。

2.3 配合比优化

根据上文分析，水泥、水玻璃-氯化钙溶液、石灰及聚丙烯纤维对低液限粉土各项指标的改善均有一定贡献，但贡献情况各不相同，为确定其最佳改良配比，对试验数据进行极差分析。分别用A、B、C、D表示水泥、水玻璃-氯化钙溶液、石灰及聚丙烯纤维，用Ki表示各因素在相同水平下的和，ki表示各因素在相同水平下的平均值，Ri表示各因素的极差，其值越大，对指标的影响程度越大。极差分析结果见表3。从表3可看出：水玻璃-氯化钙溶液B对改良粉土抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)的影响最大，其次为石灰C、水泥A和聚丙烯纤维D；各因素对抗压强度和回弹模量改良效果的影响程度依次为水泥A、水玻璃-氯化钙溶液B、石灰C和聚丙烯纤维D；各因素对压缩系数改良效果的影响程度依次为石灰C、水泥A、水玻璃-氯化钙溶液B和聚丙烯纤维D。回弹模量和压缩系数的最佳配比均为A3B2C3D2，黏聚力、内摩擦角、抗压强度的最佳配比分别为A2B2C2D2、A3B3C1D1和A3B2C3D3。从单个因素来看，A3被选择4次，B2被选择5次，C3、D3分别被选择3次。综上，确定低液限粉土的最佳改良掺比为水泥4%+水玻璃∶氯化钙=3∶1+石灰4%+聚丙烯纤维0.3%。

表3 极差分析结果

结合上文分析得到的膨润土最佳掺量为9%，对A3B2C3D2+9%膨润土和A3B2C3D2+不加膨润土的改良粉土的物理力学性能进行对比，结果见表4。从表4可看出：与不掺膨润土时相比，掺加9%膨润土后，改良粉土的最大干密度、黏聚力、内摩擦角、抗压强度、回弹模量均有所提升；与只掺加膨润土时相比，干密度略有降低，但回弹模量大幅提升。综上，确定低液限粉土的最佳复掺配比为水泥4%+水玻璃∶氯化钙=3∶1+石灰4%+聚丙烯纤维0.3%+膨润土9%。

表4 膨润土掺入前后的物理力学参数对比

3 结论

(1) 膨润土具有高强离子吸附性和黏结性，对低液限粉土的密实度具有良好的改良效果，其最佳掺量为9%。

(2) 低液限粉土的最佳改良掺配比列为水泥4%+水玻璃∶氯化钙=3∶1+石灰4%+聚丙烯纤维0.3%。

(3) 掺入9%膨润土后，粉土的抗弯沉性能更佳。低液限粉土的最佳复掺配比为水泥4%+水玻璃∶氯化钙=3∶1+石灰4%+聚丙烯纤维0.3%+膨润土9%。