EFS固化不同土质道路基层水稳定性与经济性研究*

丁永明，张春东，苗 华，姚 勇，陈代果

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

传统道路工程建设中多采用石灰、水泥、工业矿渣、砂及其混合物改良土壤，但当道路基层结构出现损坏时，会导致基层出现凹槽、低洼等情况，影响道路工程质量。近年来，国内外越来越重视道路基层强度、渗透性、耐久性等性能，对土壤固化剂的研究日益增加[1-3]。周伟等[4]通过添加水泥基固化材料对淤泥进行固化处理，研究表明淤泥经过水泥基固化处理后可作为路基填料，解决疏浚工程底泥资源化利用问题。徐洪华等[5]采用泡沫轻质土作为路基填料，针对珠澳口岸人工岛路基泡沫轻质土设计要求，利用正交试验得出满足设计要求的泡沫轻质土配合比。程胜伟等[6]采用生石灰对湿软填土进行处理，并进行现场填筑碾压试验，得到不同天然含水率下的生石灰掺量范围，对现场施工进行了有效指导。随着环保力度的加大，对石料、河砂、山砂等自然资源的开采进行严格限制，土壤固化剂作为道路基层建设材料，是易得、环保、经济实用的替代材料，具有现实意义[7-9]。

土壤固化剂可稳定土壤中的水，使土壤更易于压实，可形成整体结构，提高土壤稳定性与强度，确保道路基层坚固、稳定，有效延长道路寿命，节省后期维修成本，减轻养护压力，提高综合效益[10-12]。EFS土壤固化剂作为新型固化施工材料，具有用量少、强度高、施工速度快、施工工艺简单等特点，可节省传统建筑材料用量，适用于道路工程、场地硬化工程、废弃物处理工程等[13]。在实际应用过程中，基料选择、固化材料掺料及掺量不同会产生不同的基层固化效果。因此，本文以黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土为基料，加入EFS土壤固化剂，设计固化配合比方案，通过水稳定性试验研究，结合经济性分析，寻求适合道路基层填料的土质，以期提出施工建议，为道路基层固化研究和工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 土样采集

本试验采集不同性质的4类土体，分别为黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土，如图1所示。参考SL 237—1999《土工试验规程》和JTG E40—2007《公路土工试验规程》有关要求，采用烘干法分别对4类土体进行了天然含水率检测，结果表明黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土天然含水率分别为4.60%，0.18%，7.08%，7.97%。采用液、塑限联合测定法对4类土体液、塑限进行了检测，结果如表1所示。

图1 4类土体现场取样

表1 4种土体液、塑限检测结果

EFS土壤固化剂作用于土体后，可大幅度提高土体水稳定性，改变土体亲水性能，同时增强土体抗压、抗折强度及抗渗透能力，该固化剂属于有机类固化剂，酱黑色液体，安全无污染[14-15]，经检测，固化剂含固量为32.78%，密度为1.15g/mL，pH值为8.16，呈碱性，加入拌合水混合均匀后使用。

本试验采用P·O 42.5水泥，根据“手握成团，落地成花”的传统经验，在黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土天然含水率的基础上，分别增加1.5%，2.0%，2.0%，1.5%。

1.2 固化土配合比设计

根据CJJ/T 286—2018《土壤固化剂应用技术标准》和CJ/T 486—2015《土壤固化外加剂》有关要求，进行固化土配合比设计，固化土混合料配合比采用质量比，外掺水泥和EFS土壤固化剂，掺量依据固化土混合料质量计算。经试配，4类固化土均采用5% P·O 42.5水泥+0.02% EFS土壤固化剂的配合比。

1.3 试件制作与养护

4类固化土无侧限抗压强度试验参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的规定进行，试件成型时设定压实度为96%，按照混合料整体密度为2 200kg/m3计算各试件混合料用量，装入直径100mm、高100mm的模具中，使用DT-227型路面材料强度试验仪，采用静力压实法制备试件，如图2所示。使用LQ-T150D型电动脱膜器，将所有试件从模具内脱出后称重。将试件装入塑料袋中，贴好标签，将袋内空气排除干净，扎紧袋口，将包好的试件置于标准养护室铁架上，在试件表面涂抹1层防水膜，避免被水直接冲刷。

2 水稳定性分析

水稳定性系数是标准养护6d+泡水1d的固化土试件与标准养护7d的固化土试件无侧限抗压强度平均值之比。泡水1d后将试件取出，使用软布吸去试件表面水分后再次称重，观察土体变化情况。观察、称重可知4类固化土均能达到较好的水稳定性，浸泡时无崩解，泡水前后质量变化较小，吸水量较少。

水稳定性试验结果如表2所示，由表2可知，4类固化土质量变化较小，黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土试件平均吸水量分别为22.10，107.60，21.70，40.60g，风化砂土试件平均吸水量最少，黑砂土、黄砂土、盖山土试件平均吸水量分别为风化砂土试件的1.02，4.96，1.87倍；黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土试件标准养护6d+泡水1d无侧限抗压强度平均值分别为2.13，3.39，3.90，2.61MPa，标准养护7d无侧限抗压强度平均值分别为2.32，3.63，4.20，2.77MPa，风化砂土试件饱水无侧限抗压强度最大，较黑砂土、黄砂土、盖山土试件分别高83.10%，15.04%，49.43%；黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土试件均具有良好的水稳定性，水稳定性系数分别为91.81%，93.46%，92.85%，94.38%，均满足《土壤固化剂应用技术标准》要求，分别高出规范限值14.76%，16.83%，16.06%，17.98%；黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土试件无侧限抗压强度损失率分别为8.19%，6.61%，7.14%，5.78%，强度损失较小。

表2 水稳定性试验结果

图2 无侧限抗压强度试件

通过EFS溶液与土颗粒表面离子的交换作用，改善了土颗粒表面电荷性质，打开了土颗粒与水分子之间的“电化键”，从而释放出束缚在吸附层和扩散层的结合水，减小了土颗粒表面的吸附水膜厚度，并降低了电势，使土颗粒进一步靠近封闭土团之间的孔隙。离子交换后，包裹在黏粒表面的疏水基团使土体对水的敏感性减弱，水分子难与土颗粒结合，降低了吸水性，可将土壤由亲水性变为疏水性。水泥与土体搅拌后，骨料之间的空隙被填充，被水泥包裹的土颗粒充分接触，混合料胶结为整体，形成一定结构强度，使土易于压实，形成强度较高、结构稳定的整体板块。

3 经济性分析

3.1 材料用量计算

参考已有文献，认为不同固化土施工工艺差别较小，所需机械设备基本相同。因此，进行经济性分析时，仅需考虑单位体积材料费用[16]。计算得到配合比方案下的材料用量，如表3所示。实际施工时，考虑拌合后的固化土在运输、摊铺碾压过程中的水分散失，现场含水率应适当增加。

表3 材料用量 kg·m-3

3.2 材料费用对比

黑砂土与盖山土属于丢弃土，风化砂土单价为180元/m3，黄砂土单价为170元/m3，EFS土壤固化剂单价为181.5元/kg，水泥单价为480元/t，以1m3道路基层材料用量为例，对材料费用进行分析，结果如表4所示。由表4可知，采用黄砂土、风化砂土的道路基层材料费用分别为302.44，312.44元，较传统做法费用分别高31.50%，35.84%；在材料费用中，基土费用占比较高，黄砂土、风化砂土费用分别占总费用的56.21%，57.61%；采用黑砂土、盖山土的道路基层材料费用均为132.20元，均较传统做法费用低42.52%。

表4 材料费用对比 元

应综合考虑水稳定性、力学性能、经济性，选择合适的道路基层固化土。《土壤固化剂应用技术标准》中要求道路上基层强度≥2.5MPa，由本研究结果可知，黄砂土、风化砂土、盖山土试件满足该要求，结合经济性对比结果，优选盖山土作为道路上基层用土。《土壤固化剂应用技术标准》中要求道路下基层强度≥1.5MPa，由本研究结果可知，黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土试件均满足该要求，结合经济性对比结果，优选黑砂土作为道路下基层用土。

4 结语

1)对4类不同土质的EFS固化土进行水稳定性试验，结果表明黑砂土、黄砂土、风化砂土、盖山土试件平均吸水量分别为22.10，107.60，21.70，40.60g，标准养护6d+泡水1d无侧限抗压强度平均值分别为2.13，3.39，3.90，2.61MPa，标准养护7d无侧限抗压强度平均值分别为2.32，3.63，4.20，2.77MPa，水稳定性系数分别为91.81%，93.46%，92.85%，94.38%，无侧限抗压强度损失率分别为8.19%，6.61%，7.14%，5.78%，各试件水稳定性较好，强度损失较小，可保证道路承载能力。

2)EFS土壤固化剂可降低水对道路侵蚀、损害及老化的影响。

3)综合考虑水稳定性试验结果与经济性对比结果，同种配合比(5% P·O 42.5水泥+0.02% EFS土壤固化剂)下，优选盖山土作为道路上基层用土，优选黑砂土作为道路下基层用土。