市政路基低液限粉土复掺改性试验研究

彭一武

（湖南省高岭建设集团股份有限公司,湖南 长沙 410000）

未经过复掺优化改性的低液限粉土直接作为路基时，会出现垂直变形问题，目前市政路基粉土改性是优化低液限粉土路基的有效方法之一。然而由于其较差的屈服强度、较高的孔隙率、较低的剪切强度以及高压缩性，单纯掺加水泥或双掺水泥+粉煤灰，都无法有效改善粉土的力学特性。目前，对低液限粉土复掺改性技术的研究成为业界一大热点。本文探讨通过掺加膨润土来提高粉土的密实度、抗弯沉性能，通过复合掺加水泥、硅酸钠水溶液、氯化钙、石灰、纤维等实现提升粉土强度，以减少低液限粉土路基的弯沉，从而实现低液限粉土用于路基填筑。

1 试验原材料要求

1.1 试验粉土

本次研究选取的低液限粉土样品来自某市政公路路基，具体样品参数如表1所示，可以看出样品的高压缩性、级配不合理。

1.2 其他试验材料

（1）膨润土，主要成分为二氧化硅、三氧化二铝；

（2）PO42.5普通硅酸盐水泥；

（3）水玻璃：硅酸钠水溶液，密度约1.53 g/cm3，波美度50，弹性模量2.6～2.9；

（4）氯化钙溶液；

（5）生石灰，主要成分是氧化钙；

（6）长度为9 mm的聚丙烯纤维。

2 低液限粉土复掺改性试验配比设计

（1）低液限粉土密实度优化：采用强吸附、强黏结、易膨胀的膨润土以一定比例掺加到粉土中，增强其黏性，从而改善其密实度，试验选用的掺加比例分别为0%、3%、6%、9%、12%。

（2）低液限粉土强度、压缩性优化：本研究采用正交法，选用水玻璃、氯化钙、水泥、石灰及聚丙烯纤维通过复合掺加的方式改良低液限粉土强度和压缩性，具体配比如表2所示。

（3）复掺配比优化：根据上述两个试验的数据，进行粉土的复合掺加配比优化试验，获得最优配比。

表1 试验粉土的物理力学参数

表2 正交试验配比参数

3 试验结果分析

3.1 密实度改良结论

掺加的膨润土含量与对应的最佳含水率下，粉土压实后的干密度、弹性模量如图1所示。

图1 密实度改良结果

据图1可知：（1）随着膨润土掺加比例的上升，粉土的弹性模量、干密度先升后降。膨润土掺加比例达到9%时，二者达到最大值，弹性模量为50.6 MPa，干密度为1.89 g/cm3；（2）与没有掺入膨润土的低液限粉土相比，弹性模量最大值上升了36.96%，干密度最大值上升了12.5%；（3）掺入膨润土后，粉土密实度有明显改善，弹性模量也显著提高，可以明显减少粉土路基弯沉。

3.2 强度及压缩性改良结论

每个试验组样品的抗剪强度的变化（在300 kPa下97%的压实度）如图2所示，无侧限抗压强度和弹性模量的变化如图3所示，压缩系数大小变化如图4所示。

图2 抗剪强度试验结论

图3 抗压强度和弹性模量试验结果

图4 压缩系数试验结论

（1）据图2可知：①在9个试验组中，第2组样品的黏聚力最大，为304.9 kPa，而第3组样品的黏聚力最小，为168.6 kPa；②第9组样品的内摩擦角最大，为40.5 °，第4组样品的内摩擦角最小，为33.6 °；③第2组样品配比为水泥2%、水玻璃∶氯化钙=3 ∶1、石灰3%、聚丙烯纤维0.3%，而第5组样品配比为水泥3%、水玻璃∶氯化钙=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纤维0.2%，表现出更好的力学特性，黏聚力、内摩擦角比较理想。

（2）据图3可知：①在9个试验组中，抗压强度和弹性模量的变化规律相同，都和水玻璃∶氯化钙的值有关，氯化钙的比例越大，粉土样品的抗压强度、弹性模量越好；②在水玻璃∶氯化钙的值不变的情况下，水泥含量越高，粉土样品的抗压强度和弹性模量越高，可见水泥也是粉土改良的重要因素；③水玻璃、氯化钙、水泥会产生凝胶反应，能有效地填充粉土的孔隙，从而增加粉土强度，使得改良后的低液限粉土的抗压强度和弹性模量明显提升。④综上，第8组样品的粉土抗压强度、弹性模量最佳。

（3）据图4可知：①经过复合掺加处理后，试验样品的压缩系数均明显降低；②第5、7组样品的压缩系数最小，分别为0.054、0.055，其对应的石灰掺加比例为4%，说明石灰对粉土的可压缩性影响最大。

4 低液限粉土复掺改性配合比优化

根据以上试验研究可知，所选材料对于低液限粉土的性能改良均有一定帮助，但起到的作用大小不同。为了确定最佳的配比，需要基于上述试验数据运用极差法进行进一步分析。A代表水泥，B代表水玻璃-氯化钙溶液，C代表石灰、D代表聚丙烯纤维，Ki代表各个影响因子在同等水平下的和，Ki代表各个影响因子在同等水平下的均值，Ri代表每个影响因子的极差，其值越大表示影响因子的作用越大，具体的极差分析结果如表3所示。

根据表3的数据可知：（1）B可以有效提高粉土的抗剪切强度，作用最显著，其次是C、A、D；（2）各种影响因子对粉土强度、弹性模量的改良作用从大到小依次为A、B、C、D；（3）各种影响因子对粉土压缩系数的改良作用从大到小依次为C、A、B、D。

配比为A3B2C3D2时，粉土获得最佳弹性模量和压缩系数；配比为A3B3C1D1时，粉土获得最佳的内摩擦角；配比为A3B2C3D3时，粉土的压缩强度最佳。针对单个影响因子，A3出现了4次、B2出现了5次、C3出现3次、C3出现3次。由此可见，使低液限粉土性能改良效果最佳的配比为水泥4%、液体玻璃∶氯化钙=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纤维0.3%。

表3 极差分析结论数据

表4 膨润土掺入前后的物理力学参数对比

基于以上分析可知，最佳膨润土掺加比例为9%，比较配合比A3B2C3D2+9%膨润土和其他配合比的粉土的物理和机械性能，具体结果如表4所示。

根据表4的数据可知，与不添加膨润土的情况相比，掺加9%的膨润土后，粉土各项性能得到显著改善，而单独添加膨润土将导致干密度稍低，但弹性模量显著增加。简而言之，对于低液限粉土来说，获得理想改良效果的最佳配合比为4%水泥、水玻璃∶氯化钙=3 ∶1、4%石灰、0.3%聚丙烯纤维、9%膨润土。

5 结论

综上所述，没有经过适当掺加改良的低液限粉土性能无法满足市政路基施工需要，如果直接作为路基土体容易出现弯沉问题，因此需要通过适当的复掺优化市政路基粉土性能，使其达到市政路基填筑材料的施工要求。膨润土具有很强的黏结性、吸附性以及内聚性，具有显著提升低液限粉土密实度的效果，试验得出其最佳掺加比例为9%。通过正交试验和极差分析可知，低液限粉土的最佳配合比为水泥4%、水玻璃∶氯化钙=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纤维0.3%，再复掺9%的膨润土，已达到了较好的抗弯沉性能。