黄河淤积粉土的两种复合稳定方案与性能对比

樊 亮，周圣杰，侯佳林，王 林

(1.山东省交通科学研究院 基础研究中心，济南 250014；2.山东省交通科学研究院 高速公路养护技术交通行业

重点实验室，济南 250014；3.山东省交通科学研究院 山东省新型道路材料及技术工程实验室，济南 250014)

1 研究背景

粉土作为一种过渡土，含有大量的粉粒，具有假塑性，毛细现象突出，工程性质不良，作为路基填料性能极差[1-2]。尤其是黄河岸边冲(淤)积而成的粉土，大部分由原生矿物粉粒组成，黏粒和活性二氧化硅、三氧化二铝成分少，使得水泥、石灰等无机胶结料的胶结能力大为降低[1，3]。如研究者利用二灰(石灰、粉煤灰)稳定黄河冲积粉土时，无7 d强度，且28 d的抗冻融性能很差[4-5]；亦有研究认为黏粒含量、塑性指数对低液限粉土的稳定效果有显著影响，无机结合料稳定方式较适宜于黏粒含量高、塑性指数小的低液限粉土[6]；还有研究提出利用活性激发材料辅助稳定的稳定方法[7-8]。在实际工程中，某些地方路网道路甚至采用高达10%的水泥稳定土进行基层处理，虽然提高了土体强度，但土体明显呈脆性特征，在行车荷载作用下，土体结构稳定性降低，极易形成反射裂缝。这是传统无机改良粉土弊端之一。

随着交通建设规模的不断扩大、砂石料资源日趋紧张，科学利用黄泛区粉土资源已经成为一个重要的研究方向；很多研究者和厂家陆续开发了一系列的土体固化剂，如离子类、高分子类、生物酶类等。但研究和实践证明，大部分固化剂的普适性不足，在对土体稳定方面要求一定黏粒含量的存在。如离子型固化剂产品通常适用黏粒含量大于20%或30%的土体，不同土质存在最优级配要求；高分子类固化剂产品要求25%的黏土含量或者黏土含量高的软土、高液限土；生物酶类固化剂适用于黏土和亚黏土[9-11]。很多市售固化剂对粉土的固化能力是有限的，且处理价格偏高。另有研究者提出利用沥青[12-14]、乳化沥青提高粉土的稳定性[9、12]，虽然粉土的水稳定性有了很大的提高，但是土体强度仍由无机胶凝材料决定；且施工难度大，相应的施工机械计量、撒布和拌和能力受限，目前仍停留在试验阶段。

粉土地区的大多数路基破坏由变形引起，路基强度和水稳性是变形的关键影响因素[15]。任何固化剂的开发均应以提高粉土路基的强度和水稳定性为最终目的。基于此，本文针对济南黄河北岸的淤积粉土，开发了一类无机/有机复合胶凝型的粉土用复合固化剂(简称FG固化剂)，由无机胶凝材料、多元激发剂和高分子材料优化配置而成。本文就FG固化剂带来的粉土稳定特性进行评价、表征，以期为粉土资源利用和道路建设提供科学的选用方案，为广大研究者和实践者提供参考。

2 材料与试验

2.1 粉 土

粉土样品：以德州齐河表白寺(36.85°N，116.93°E)的路表20 cm下土为试验用土，该土主要为低液限含砂粉土，并含有一部分低液限黏土成分，表1为粉土的液塑限、最佳含水率、最大干密度、粒径组成等物理指标。表1表明，粉土样品的不均匀系数为3，曲率系数为1.33，属级配不良土。

表1 粉土样品的物理指标Table 1 Physical indexes of silty soil

2.2 固化方案

从强度和水稳定性要求出发，设计2个试验方案进行粉土的稳定和效果对比。

方案1：采用FG固化剂和水泥复合稳定粉土，下称“FG方案”。基于室内优化，采用干土质量3%的FG固化剂与3%的水泥进行复合稳定粉土(下称“FG稳定土”)；其中FG固化剂为干燥粉末，与水泥进行预拌和后，与干燥粉土进行均匀拌和，加入适量比例的水，制作试件。图1为FG稳定土和粉土的击实曲线。图1表明，FG方案与粉土击实得到的最佳含水率基本相同，最大干密度则大大提高。

图1 土的击实曲线Fig.1 Compaction curves of soil specimens

方案2：采用乳化沥青和水泥复合稳定粉土，下称“AE方案”。基于已有研究结果[9]，采用乳化沥青和低剂量的水泥进行复合稳定粉土(下称“AE稳定土”)，其中乳化沥青为阴离子型乳化沥青，系试验室自制，乳化沥青的固含量(乳化沥青中除水之外的固体含量)为40%，采用剂量为干土质量的14%；水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，剂量为干土质量3%。由于乳化沥青中含水量占干土质量的8.4%，需要额外增加3.6%的自来水，以达到土最佳含水率的要求。

2.3 试验方法

2.3.1 试件成型

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中的T0843方法[16]，制作Φ50 mm×50 mm的圆柱形试件，压实度控制为95%，套袋室温养生，用于进行无侧限抗压强度和冻融试验。

2.3.2 无侧限抗压强度

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中的T0805方法[16]，对试件进行3 d、7 d、28 d的无侧限抗压强度测试；对各养生期最后一天的试件进行1 d的浸水，测试饱水状态下的抗压强度。水稳系数=饱水抗压强度/室温抗压强度。

2.3.3 冻融试验

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中的T0858方法[16]。对28 d的稳定土试件进行冻融循环试验；其中低温条件为(-18±1)℃，冻结16 h；水融条件为(20±1)℃，融化8 h；循环5次。测试冻融后的试件抗压强度和饱水试件质量变化。

试件在每次冻融循环后，由于吸附水和体积膨胀的因素，试件质量会发生变化，本文引入质量变化倍率(Rn)和质量变化率(Wn)共同表征试件的抗冻性。计算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Rn为n次冻融循环后试件质量变化倍率；Wn为n次冻融循环后试件质量变化率(%)；m0为冻融循环前试件的质量(g)；mn为n次冻融循环后试件的质量(g)。

2.3.4 大型试模与动力锥贯入(Dynamic Cone Penetration Test，DCP)试验

制备长×宽×高=4 m×1.5 m×0.25 m的木质试槽，利用22 t钢轮压路机进行碾压，控制压实度为95%；上覆40%固含量的阴离子乳化沥青进行土体养生。自然养生14 d后，按照《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450—2019)中的T0945方法[17]，进行动力锥贯入试验。根据贯入度计算稳定土的加州承载比 (California Bearing Ratio,CBR)值、回弹模量、无侧限抗压强度等，以评价其承载能力。

2.3.5 取芯试件及回弹模量试验

利用Φ150 mm的大取芯机进行试槽土体的取芯，为14 d芯样。图2为AE方案、FG方案下的稳定土芯样。参照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中附录E方法[18]进行芯样处理和测试，获取芯样试件的回弹模量。限于试槽面积，2种稳定土均仅取了3个芯样试件。

图2 试槽14 d芯样Fig.2 Core samples at 14 d age

2.3.6 微观表征

对FG固化剂、粉土、稳定土进行XRD衍射和SEM扫描电镜表征，由山东科技大学材料学院完成。

3 结果与分析

3.1 强度特点

图3为FG稳定土、AE稳定土的无侧限抗压强度与养生时间的关系曲线。图3表明，FG稳定土较AE稳定土有着更高的无侧限抗压强度，3 d抗压强度>1 MPa，且随着养生时间的增长，28 d抗压强度增长到1.6 MPa以上；AE稳定土的无侧限抗压强度也随着时间增长，但其28 d抗压强度仅在0.6 MPa左右，小于FG稳定土的抗压强度。由于2种方案均采用了3%的水泥参与稳定，这种抗压强度增长的差异显然是FG固化剂和乳化沥青带来的差别。

图3 无侧限抗压强度与养生天数的关系Fig.3 Development of unconfined compressive strength

大型试模在养生14 d后，进行现场取芯。由图2可以看出，2种稳定方案均能得到完整芯样、致密结实，尤其是FG稳定土硬度更大。图4为6个芯样的回弹模量对比，表明FG稳定土的回弹模量远远大于AE稳定土的回弹模量，前者3个样品回弹模量在1 700～4 300 MPa之间，平均值为3 327 MPa；而AE稳定土的回弹模量在100～300 MPa之间，平均值为210 MPa。

图4 芯样的回弹模量Fig.4 Resilient modulus of core samples

根据试模土体的DCP结果，得到贯入深度与锤击次数的关系曲线(图5)，该曲线直接反映出FG稳定土的承载能力远大于AE稳定土的承载能力。结合文献中的经验公式[19]，计算得到稳定土的CBR、计算回弹模量与无侧限抗压强度。表2列出了2种稳定土的DCP数据的计算结果，结果表明，FG稳定土的CBR值和UCS值为AE稳定土的CBR值和UCS值的2倍以上，承载能力优势明显。

图5 DCP贯入深度曲线Fig.5 Curves of DCP penetration depth

表2 2种稳定土DCP计算结果Table 2 DCP calculation results of soil specimens stabilized by two agents

3.2 水稳定性与抗冻融能力

水稳定性是粉土稳定中的关键性质。一般的低剂量水泥土、石灰稳定粉土很难成型，强度很低[19]；且遇水容易崩解，水稳定性很差，其水稳系数多在0.3左右[9，20 ]。AE稳定土可以提高稳定土的水稳系数，在本次2个方案对比中也体现出了优势。

图6为2种稳定土的水稳定系数与养生时间的关系曲线。图6 表明，AE稳定土在3 d时的水稳系数接近0.9，大于FG稳定土水稳系数0.728；但是随着养生时间的增长，水稳系数有所降低，7 d之后的水稳系数变化幅度趋于稳定，远小于0～7 d的变化。因此，对于2种方案的稳定土，7 d的养生是保障水稳定性的必要条件。

图6 2种稳定土的水稳系数变化Fig.6 Change of moisture stability coefficient of soils stabilized by two agents

土的冻融试验采用的是无结合料稳定材料的抗冻性评价方法，以28 d龄期的稳定土经过5个冻融循环后的饱水无侧限抗压强度与冻前饱水无侧限抗压强度之比来评价。图7为2种方案稳定土在每次冻融循环后的样品状态，图8为稳定土每次冻融循环后的质量倍率变化。

图7 稳定土冻融试验过程图片Fig.7 Pictures of freeze-thaw test process of soils stabilized by two agents

图8 冻融循环试件质量变化倍率Fig.8 Mass change curves of soils stabilized by two agents in the process of freeze-thaw cycles

图7表明在3次循环以后，AE稳定土试件出现浸泡发胀的现象，表面颗粒变得疏松，出现裂缝；而FG稳定土则表现相对稳定，在第4次循环后才出现表面损伤和微细裂缝。

从图8(a)可以看出，FG稳定土试件尽管吸水，但其质量变化倍率保持在1.02以下，试件冻融带来的结构性破坏不至于快速发展；而图8(b)中AE稳定土的质量变化倍率相对单调增长，4次循环后，质量变化倍率>1.02，容易导致试件结构性整体性破坏。最终5次循环后，AE方案和FG方案的质量变化率[16](W5)分别为-2.24%、-1.02%，说明FG方案为粉土提供了更好的抗冻性。

图9所示的冻融试件无侧限抗压强度表明，FG稳定土在5次冻融循环之后，仍能保留0.854 MPa的抗压强度，相对于未冻融试件，冻融前后抗压强度比(Bearing Damage Ratio，简写BDR)为51.2%；而此时的AE稳定土仅能保留0.247 MPa的抗压强度，试件颗粒斑驳，靠土体中的沥青颗粒粘结维持，BDR为38.6%。结合试件质量变化情况，可以说明FG固化剂的稳定方案在抗冻融能力上有着比乳化沥青的抗冻融能力更好的效果。

图9 冻融后无侧限抗压强度Fig.9 Unconfined compressive strength after freezing and thawing

3.3 稳定机理探讨

根据上文所述，从抗压强度和水稳定性上，2种方案均能形成较好的粉土稳定效果；特别是 FG稳定土在抗压强度、抗冻性方面比AE稳定土的抗压强度、抗冻性更佳，在北方寒冷地区、公路路基和低等级道路的简易罩面中有着潜在应用的优势。两者的区别与各自材料组成、土体中的分布状态和稳定机制紧密相关。

3.3.1 AE稳定土

采用乳化沥青在土壤处理中的应用很早，早期美国、长沙理工大学、长安大学等机构都做了相关沥青土的研究；在农业中乳化沥青作为土壤改良剂，起到防止水土流失、改善土壤水热情况、保温增墒、提高肥效的作用，被称为液态地膜[21-22]。这些文献中，基本上均将乳化沥青改善土体的结构作为土壤稳定的机理。粉土中由于不易形成团粒，乳化沥青的加入可以维持土壤颗粒中水分平衡，沥青颗粒提高土体颗粒之间的粘结性有利于团粒的形成，为土体提供了一定比例的沥青胶凝结构，从而达到稳定土体和提高水稳定性的效果。对水泥稳定土、粉煤灰稳定土，乳化沥青土有着更佳的水稳定性[9]。

AE稳定土的问题在于沥青的分布程度。图10为AE稳定土试件内部状态，可以看出其中的沥青分散性有限，仍保留一部分水泥稳定原土比例。正是这些原土部分在冻融循环过程中，发生软化，吸水量大(质量变化倍率升高)，造成了稳定土的结构性失稳，试件饱水抗压强度大幅度衰减，容易发生冻融破坏。这是AE稳定土冻融循环试验中质量变化大(吸水)、冻融后抗压强度低的主要原因。总体而言，AE稳定土主要靠沥青的粘结提供初期稳定和水稳定性，在水泥水化、沥青浸润分散以及荷载作用的长期过程后，才会具有一定抗压强度、稳定性、耐磨性和柔韧性，最终形成稳定的沥青土路面材料[12]。

图10 沥青在土中的分布Fig.10 Distribution of asphalt in soil

3.3.2 FG稳定土

与AE稳定土相比，FG稳定土的抗压强度更高，抗冻性更好，饱水抗压强度仍能保持在0.8 MPa以上，虽然其水稳定系数相对较低，但仍>0.5，高于普通水泥、石灰稳定的低液限含砂粉土的水稳定系数。究其原因，应为固化剂的复合胶凝效应和填充增强效应所致。

FG稳定土的机制主要源于FG固化剂的材料组成。图11表明FG固化剂中含明结晶态物质和玻璃态物质，前者在2θ=20°、34°衍射位置处出现显著的特征峰，为结晶态高分子材料；后者无显著特征峰出现，呈现玻璃态衍射特征，提高了整个XRD衍射图谱的衍射基线。

图11 FG固化剂XRD衍射图谱Fig.11 XRD diffraction pattern of FG curing agent

正是由于无定形和玻璃态矿物质的存在，为粉土体系提供了活性组成。一方面在激发剂的作用下可以形成复合胶凝效应，另一方面未反应的物质颗粒起到填充增强、改善粉土级配的作用。这些作用可以为粉土提供良好的抗压强度特性。同时，高分子结晶物质常态下容易与粉土颗粒混合，而吸收水分后则能成膜、包覆土体颗粒表面，起到粘结、吸附自由水的功能，大大提高了土体的耐水能力。

在图12的扫描电镜图中，粉土在2～5 μm比例尺，呈片状颗粒，表面光滑，界面明显(图12(a)、图12(b))；而FG稳定土在1～2 μm比例尺下，固化剂中的高分子材料成膜、粘结颗粒界面，填塞部分空隙(图12(c))，降低了内部孔隙率；同时，土颗粒表面由于胶凝作用形成新的物质，呈团簇颗粒状(图12(d))，与未反应物料起到了填充增强效果。两因素造成了FG固化剂稳定土的密度变大，最大干密度达到1.84 g/cm3。

图12 黄河粉土与FG稳定土的SEM图像Fig.12 SEM images of Yellow River silty soil and FG stabilized soil

由于FG固化剂含量较低，3%固化剂和水泥掺入，并没有在图13所示的XRD衍射图谱中明显示出新的物相成分，其主要特征峰仍为石英、方解石、长石和云母等。这一点需要进一步分析。但不管如何，FG稳定土与乳化沥青稳定土具有不同的稳定机制。

图13 粉土与FG稳定土的XRD图片Fig.13 XRD spectra of Yellow River silty soil and FG stabilized soil

4 结 论

本文针对黄河淤积粉土采用无机/有机复合材料制备固化剂进行稳定，对比研究了2种稳定方案的特点，探讨了黄河淤积粉土的稳定机理，主要得到如下结论。

(1)针对黄河淤积粉土，研制的FG固化剂可以显著、有效提高粉土的无侧限抗压强度、回弹模量和承载能力，其水稳定性良好；无侧限抗压强度>1 MPa，水稳系数>0.5。

(2)FG固化剂在抗冻融能力上有着比乳化沥青的抗冻融能力更好的效果。FG稳定土在5次冻融循环之后，仍能保留0.854 MPa的抗压强度，BDR为51.2%，质量变化率W5为-1.02%；而此时的AE稳定土仅能保留0.247 MPa的抗压强度，试件颗粒斑驳，靠土体中的沥青颗粒粘结维持，抗压强度保持率BDR为38.6%，质量变化率W5为-2.24%。

(3)XRD与SEM分析表明，由于FG固化剂提供了活性矿物质，其复合胶凝效应和填充增强保障了FG稳定土的抗压强度；高分子物质起到粘结颗粒界面、填塞孔隙的作用，降低了内部空隙率；两者使用土体的最大干密度变大；体现出与AE稳定土不同的稳定机理。

FG稳定土其他物理特性包括干缩、疲劳性能等还有待于进一步研究。