探讨水玻璃和硫酸铝治理高液限土路基的可行性

周源

（益阳远程公路建设有限公司，湖南益阳 413000）

高液限土壤由于其天然含水量高、液限高、细颗粒含量高等热点，当高液限土用作路基的填筑材料时，其对含水量控制、强度、水稳定性等指标都有较大影响。公路使用过程中，往往会出现干湿交替现象，从而造成地基沉降不均匀、路基边坡坍塌、路面开裂等问题。为改善路面裂缝、坍塌、沉降等病害，在公路施工中要求高液限土路基塑性指数低于细粒土的26%，高液限低于50%，否则不可作为填筑材料，同时在施工中必须对高液限土处理后方可进行填筑作业。

1 高液限土的基本物理性质指标

本文以某高速公路为实验，在K28＋600 段、深度2.0m 中取样所用的高液限土，粒径＜0.075mm 的颗粒含量为89.6%。基本物理特性指标如表1 所示。

表1 高液限土的基本物理性质指标表

2 添加剂的选择

2.1 在选用添加剂时，要注意以下三点：

（1）采用离子活性剂；

（2）采用胶结材料；

（3）添加剂的水稳定性要高。

结合上述三种特性，初步确定了以硅酸钠、硫酸铝为主要添加剂。

2.2 水玻璃的化学式为Na2O·nSiO2，n 为水玻璃的模量。硫酸铝作为一种凝胶颗粒，可附着在土壤的表面，提高粘着力，在填筑中可有效填充到空隙中并有效粘合，保证施工质量。

2.3 按5：1 的比例将硅酸钠与硫酸铝固体充分混合，使水玻璃与硫酸铝的比例达10：1。

3 改进实验

3.26ml 水玻璃溶液，干土的质量比分别为1%、2%、4%、6%和8%；硫酸铝固体，干土的质量比分别为0.1%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%；水玻璃溶液与硫酸铝的配比分别为1%＋0.1%、2%＋0.2%、4%＋0.4%、6%＋0.6%、8%＋0.8%。

高液限粘土的改造主要有：

（1）对一定数量的风干土进行称量；

（2）将一定量的水玻璃溶液按水玻璃溶液与干土比例进行称量，然后喷洒到土壤样本上，均匀地搅拌，然后等待2 小时；

（3）按照硫酸铝与干土的固体质量比例将硫酸铝均匀喷洒到含有水玻璃溶液的土样中；

（4）静置2 小时后将土壤静压灌入到土样中；

（5）在预设龄期后测量样品。

3.1 液塑性极限实验

液塑性极限实验过程：

（1） 试验土样水分含量为30.0%，干密度为1.60g/cm3；

（2）凝固7 天后进行液塑性极限试验，试验结果如图1 所示；

（3）由图1 可得，土样在加入水玻璃与硫酸铝溶液后有明显的改变，且结果变化与添加水玻璃与硫酸铝溶液容量有一定关系：当添加水玻璃与硫酸铝溶液容量较高时，土样的液限与塑性指数降低，但塑性极限提高；反之，则土样液限与塑性指数提高，塑性极限下降；

图1 极限含水率与添加剂混合量之间的关系折线图

（4）当添加水玻璃溶度为4%、硫酸铝溶液为0.4%时，凝固7 天后的土样液限与塑性指数分别为54.6%、21，可达到路基工程中的施工标准；

（5）试验表明，当添加水玻璃溶度为4%、硫酸铝溶液为0.4%时，若添加剂的掺量不断增大，土样的液限与塑性指数也随之降低。因此初步确定添加剂中水玻璃溶液为4%、硫酸铝溶液为0.4%的效果更佳。

用4%的水玻璃和0.4%的硫酸盐改性高液限粘土，其液限和塑限随着龄期的改变而改变。由图2 可知，改良剂在添加到高液限黏土后7 天，完成了液态和塑性极限的改变。固化7 天之后，结果表明，在不同的固化条件下，优质土壤的液塑限并未发生显著的改变。

图2 改良土壤的极限含水量与固化时间的关系折线图

3.2 压实试验

在高液限粘性土中加入改性剂12 小时后，进行了压缩实验。由图3 可知，在不同的条件下，改良后的土壤的最大干密度比未经处理的土壤要低，但在适宜的含水量上有很大的提高。

图3 压实试验结果曲线图

3.3 颗粒分析试验

用4%的水玻璃水溶液和0.4%的硫酸铝进行了颗粒测定，该土壤含水量为30%，干密度1.60g/cm3。

结果显示，改良后的土壤颗粒成分的变化会导致土壤中的黏粒含量下降，而粉粒、粗粒的数量也会随之增大。

4 水稳定性试验

水稳定性试验主要对高液限粘土与干土分别进行干湿循环试验。使用截面面积为30cm2、高度为2cm 的切割环，并将静压后的土样压入切割环，作为水稳定性试验的样品。

采用干湿循环试验主要分为膨胀与收缩脱水两个阶段。膨胀阶段：

（1）膨胀阶段是将土样静置于透水石上，并加入适量水，使水位于透水石位保持一致高度；

（2）待土样充分吸收水分达到饱和状态后，继续加入适量水，使水位没过透水石中的土样；

（3）待土样再次吸收水分至膨胀时，观察土样的高度。脱水收缩过程是将吸收水分至膨胀状态下的土样烘干至70%，并测量烘干后的土样高度。

4.1 膨胀率

在干循环和湿循环过程中，根据以下公式计算绝对膨胀率和相对膨胀率：

式中：

δa和δr- 绝对膨胀率和相对膨胀率；

hi- 第i 次膨胀稳定后的样品高度；

h0- 样品的初始高度；

hf（i－1）- 第（i－1）次空气干燥后的样品高度，hf（0）＝h0。

未处理土和改良土的绝对膨胀率和相对膨胀率与循环次数之间关系的变化如图4 所示。

图4 膨胀率与循环次数之间的关系曲线图

4.2 快速剪切实验

表2 表示经过多次干湿循环，经过7 天的干燥和改进后的土样，采用4%的水玻璃和0.4%的硫酸铝进行了快速剪切实验。

表2 快速剪切试验结果对比表

从表2 可知，经过改良土比未经经过处理的土壤具有更好的稳定性，即水玻璃和铝酸钠对高液限粘土进行改性后，其水溶性得到了明显的改善。

4.3 承载比（CBR）试验

结果表明，在3 个干湿循环期间，未经处理的样品的相对膨胀速率最大，而内聚力和内摩擦角下降幅度更大。未经处理和改良过的土壤CBR 测试结果如表3 所示。

表3 CBR 试验结果表

5 结论

对高液限粘土路基进行了液塑限、最大干密度、最佳含水量等方面的问题进行试验分析。根据试验数据，得出如下结论：

5.1 改性高液限粘土的液限降低，且其塑性限随水玻璃、硫化铝含量的提高而提高。

5.2 改性后土壤的粘聚力和内摩擦角都比未经处理的土壤要大。

5.3 3 次干循环、湿循环后，未进行处理的土壤CBR 达不到规定标准，但7 天后，经过3 次干湿循环并用4%的水玻璃和0.4%的硫酸盐改良的土壤，其CBR 值可达到规定标准。

5.4 在8 小时内硫化铝液与水玻璃的粘稠度基本相同，两种溶液在灌浆过程中不会凝结，可以达到灌浆施工的要求。