SV-LSS 固化剂稳定土性能试验研究

李朝阳，贾 磊，赵全胜，徐洪涛

(1．河北科技大学建筑工程学院，河北 石家庄 050018; 2．丰宁满族自治县旅投旅游发展有限公司，河北 承德 068350)

1 概述

景区道路在使用功能和交通特性上与普通公路有所不同，其路面应以舒适性和低养护周期为设计原则，目前景区道路的设计还没有相应的设计规范，其路面设计一般遵循CJJ 169—2012 城镇道路路面设计规范[1]。目前最常见的景区道路路面可分为沥青路面、水泥混凝土路面和砌块路面三大类，其中沥青路面、水泥混凝土路面多用于各级景区内部道路、停车服务区、观景服务区，而砌块路面则用于支路、分隔式路侧功能带、服务区、停车区、观景台等。

生态景区内大规模的水泥或沥青道路的修建，忽略了对原生环境的保护，由于水泥和沥青等建筑材料对环境的破坏作用，导致生态系统的平衡受到威胁，生态资源破碎化、景观质量降低、生物栖息地破坏、水环境污染等不良影响。风景道作为人类介入自然一个迁徙通道，是保护生态的重要纽带，其建设应避免破坏环境，尽可能融入自然。

固化土路面技术就是在这种背景下应运而出，它是利用土壤固化剂在景区规划道路土体进行硬化，在土体表面形成强度，从而能够实现景区小交通荷载车辆的行驶。土壤固化剂是一种新型节能环保工程材料，在与土壤颗粒混合后，外部压力作用使土壤颗粒间距开始缩小，在此期间发生的一系列的物理和化学反应填充了颗粒间空隙并且产生新物质凝聚土壤颗粒[2]。它与传统的固化材料相比，具有更好的路用性能，具体表现在: 固化作用持续有效、优良的抗裂性能、良好的水稳性能、优越的抗冻性能、较好的强度与刚度等[3]。土壤固化剂被美国《工程新闻》称为20 世纪的伟大发明创造之一，日本称之为21 世纪的新材料[4]。固化土路面最重要的特征就是采用天然沙土铺装，保持沙土原貌，具有高度的景观性，固化土路面与风景区整体环境达到高度一致，其设计形式和风格符合本风景区的基调，成为整个景区的绿带枢纽，把风景区整体性的串联在一起，在观光和游玩时，给游客带来更自然、绿色、舒适的体验。

随着对土壤固化剂研究的不断深入，目前，土壤固化剂在农村道路、干线公路、软基处理、旧路改造和水利工程中均得到了广泛应用[5]，取得了明显的经济、社会和环保效益。本文依托承德市丰宁永太兴疏林草原景区(一期) 环线道路项目，通过室内试验，得出不同配合比下的无侧限抗压强度、水稳系数等的变化规律，验证固化土路面对于该景区道路的适用性，并得出最优配合比，为使用单位提供依据。所得结论可为土壤固化剂的应用提供参考。

2 固化土路面的路用性能

该景区属大陆性季风气候，冬季干旱漫长，夏季短促，雨量充沛，年均降雨量507．6 mm，降雨主要集中在6 月～9 月，约占全年降雨量的80%。考虑到该景区所处环境与气候的基本特点，采用土壤固化剂固化土作为筑路材料，最终形成的固化土路面应当具备以下基本路用性能:1) 固化作用持续有效;2) 优良的抗压性能;3) 良好的水稳性;4) 优越的抗冻性能。

3 室内试验

3．1 试验材料

本试验用到的试验原材料如下:

1) 景区砂土。土样性能测试结果如下: 基土为细砂土，最佳含水量(质量分数) 10． 25%，最大干密度1．88 g/cm3。

2) 水泥。水泥选用42．5 硅酸盐水泥。

3) SV-LSS 土壤固化剂。密度1．06 g/mL，深褐色液体，pH 值7．32。

4) 水。实验室自来水作为加固土的拌和用水。

3．2 试验方案

根据CJJ/T 286—2018 土壤固化剂应用技术标准，当采用A 类土壤固化剂时，固化土试配采用三个配合比，其中以一个配合比的无机结合料掺量为基准值，另外两个配合比的无机结合料掺量比基准值分别增加和减小2%。由基土最佳含水量10．25%，根据CJJ/T 286—2018土壤固化剂应用技术标准[6]，结合实际工程经验，选取基准配合比的水泥掺量为4%，另外两个配合比的水泥掺量为2%，6%，土壤固化剂掺量为0．015%，0．025%。要想精确地确定理想配合比，仅对上述三组水泥掺量的配合比进行试验并不能达到目的，因此在查阅规范与文献的基础上，另添加5%，8%，10%，15%的水泥掺量，以求确定最优配合比。固化剂按1∶50 稀释。初步选定的具体各组配合比如表1 所示。

表1 各组配合比

对表1 中的14 组配合比进行击实试验、无侧限抗压强度试验、水稳系数试验、冻融试验等，对试验结果进行分析，综合考虑之后选出最优配合比。

4 试验结果与分析

4．1 击实试验结果分析

击实试验是模拟现场施工条件确定稳定土混合料的最大干密度和最优含水量的一种试验方法，其目的是了解土的击实特性，改善土的工程性质，提高土的抗剪强度，降低土的压缩性及渗透性，以使其满足工程的要求。

试验方法参照JTG E51—2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程[7]，通过击实试验，得到各组配合比混合料的最优含水量和最大干密度，结果如表2 所示。

表2 各组配合比最优含水量与最大干密度

4．2 无侧限抗压强度与水稳系数试验结果分析

本试验按照击实试验所得到的最大干密度和最优含水量，采用静力压实法制备圆柱体试件。根据JTG E51—2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程，制成径高比1∶1、直径×高=φ50 mm×50 mm 的圆柱形试件，并进行7 d 的标准养护。

试件成型前一天按照配合比计算所得数据准确称量土、水，按照配合比要求先加入稀释固化剂多余的水拌和均匀后装袋密封，静置焖料。第二天试件成型前加入水泥和稀释好的固化剂最终拌和，由击实试验得到每个配合比的最优含水量和最大干密度乘试模的体积得出静压成型一个试件所需要的混合料的质量，压实度取96%，准确称量固化土混合料并分3 次装入试模，静压1 min 后脱模。

脱模后的试件采用标准养生法进行养生。根据规范，测定每个试件的高度并称取试件质量，然后装入塑料袋中，排除干净袋中的空气系紧袋口放进养护室。每个配合比试件标准养生7 d，最后一天浸水[8]。

从养护室取出到达龄期的试件后，去掉塑料袋后用干布擦净附着在试件表面的水分。按照规范操作要求进行抗压试验。试验时确保试件处于荷载的中心位置，避免偏心受压，见图1，图2。

图1 试件浸水

图2 浸水试件破坏形式

通常以采用标准养生龄期7 d 最后一天浸水的稳定土试件无侧限抗压强度与不经过水中浸泡的同龄期试件的无侧限抗压强度比来评价稳定土的水稳性，所得比值则为水稳系数。水稳系数计算公式如下:

最后计算得到的水稳系数精确至1%。水稳系数试验方法参考CJ/T 486—2015 土壤固化外加剂[9]。干压试件破坏形式见图3。

图3 干压试件破坏形式

试验结果如表3，图4，图5 所示。

表3 无侧限抗压强度试验结果

图4 各配合比因素与7 d 无侧限抗压强度关系

图5 各配合比因素与水稳系数关系

从表3，图4 可以看出，当固化剂掺量一定时，稳定土的强度随着水泥掺量的增加而提高;掺入SV-LSS 土壤固化剂的水泥稳定土强度随着固化剂掺量增加而提高，且整体上升幅度较大，当固化剂掺量达到0．025%、水泥掺量为10%时，稳定土强度可达到2．65 MPa，满足设计强度2．5 MPa 的要求。这表明SV-LSS 土壤固化剂和增加水泥掺量对于提升水泥稳定土无侧限抗压强度起到了一定作用。

从表3，图5 可以看出，当固化剂掺量一定时，水泥稳定土干压强度随着水泥掺量和固化剂掺量的增加而提高，水稳系数也在提高; 水稳系数受水泥掺量影响相对于固化剂掺量更明显; 当固化剂掺量为0．025%、水泥掺量为10% 时，水泥稳定土干压强度可以达到2． 76 MPa，水稳系数可以达到96%。由此可见，SV-LSS 土壤固化剂对于提高水泥稳定土的水稳性有着一定作用。

4．3 冻融试验结果分析

抗冻融稳定性是固化土耐久性的重要表征之一，作为路面的固化土，在其长期使用过程中要承受水在冻结与融化过程中对其内部结构的损害。常用固化土材料在经过冻融循环后的饱水无侧限抗压强度和冻前饱水无侧限抗压强度之比来评价固化稳定土的抗冻性。

本试验采用96% 压实度进行试件成型，根据JTG E51—2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程中T0858—2009 测试其冻融稳定性。试验龄期为7 d。试件尺寸为φ50 mm×50 mm 的圆柱体试件，在标准养护室养生6 d 后泡水1 d。每个配合比各成型冻融试件、不冻融试件，不冻融试件直接测定无侧限抗压强度，将冻融试件置于低温试验箱内，温度控制在-18 ℃，冻结16 h，冻结后放入20 ℃水槽内融化8 h，共进行5 次循环。循环结束后测定其无侧限抗压强度。

抗冻性指标BDR(经n次冻融循环后试件的抗压强度损失) =n次冻融循环后试件的抗压强度RDC/对比试件的抗压强度RC，具体计算公式如下:

将最后一天浸水的冻融试件取出，进行若干次冻融循环，最后测定其无侧限抗压强度，见图6，图7。

图6 冻结试件

图7 冻结试件破坏形式

试验结果见表4，图8。

图8 各配合比因素与BDR 关系

表4 冻融试验结果

从表4，图8 可以看出，水泥稳定土试件在冻融循环后的抗压强度RDC下降较明显，但SV-LSS 土壤固化剂对于降低强度损失有较明显的作用; 增加水泥掺量较增加固化剂掺量对于提高BDR有更明显的效果;当固化剂掺量达到0．025%、水泥掺量达到10%时，RDC可以保持到2．52 MPa，无侧限抗压强度残留值(BDR) 可达到95%，相比于固化剂掺量为0．015%时变化幅度较大。结合试验过程与试验数据可以得出结论: 稳定土试件在经冻融循环后出现土颗粒剥落现象，质量损失比较明显，土颗粒在冻融过程中的剥落破坏了圆柱体试件的结构，使得试件冻融循环后的强度下降较明显; 此外本试验采用饱水冻融，水分结冰使试件体积增大，从内部降低了试件冻融后的无侧限抗压强度; SV-LSS 土壤固化剂可有效降低水泥稳定土经冻融循环后的强度损失。

5 结论

为探究SV-LSS 土壤固化剂对于该固化土路面的适用性，做了一系列试验研究，试验结果、数据表明，SV-LSS土壤固化剂对该景区细砂土具有一定的固化、稳定作用，得出主要结论如下:

1)SV-LSS 土壤固化剂是一种性能较优良的土壤稳定材料，与水泥稳定材料配合使用，可以增强土壤的固化效果。

2) 无侧限抗压强度方面，SV-LSS 土壤固化剂对于细砂土固化土的强度有所提升，且随着固化剂掺入量的增加而提高，当固化剂掺量为0．025%，水泥掺量为10%时，强度可达到2．65 MPa，满足设计强度2．5 MPa 的要求。

3) 水稳性方面，SV-LSS 土壤固化剂可提高细砂土固化土的水稳系数，增强水稳性，当固化剂掺量为0．025%，水泥掺量为10%时，固化土试件干压强度可以达到2．76 MPa，水稳系数可以提高到96%。

4) 抗冻融性能方面，SV-LSS 土壤固化剂改善了细砂土固化土的抗冻融性，但效果相对于水泥稳定材料较弱。当固化剂掺量为0．025%，水泥掺量为10%时，固化土试件冻融循环后的强度可以达到2．52 MPa，抗冻性指标BDR可以达到95%。

5) 确定固化土最优配合比为A2B6 组: 固化剂掺量为0．025%、水泥掺量为10%。

6) 土壤固化剂能使普通土体固化成为致密、均匀、有较高强度且耐久的板块。土壤固化剂处理过的土壤不但具有很好的抗压强度，并且具有突出的“水稳定性”及优秀的抗冻性，满足所需求的路用性能。另外，土壤固化剂无毒害且绿色环保，属于环境友好型和资源节约型的高科技新材料，可有效解决筑路材料污染问题。