固废基胶凝剂稳定土的路用性能

王笑风 杨 博 赵亚婷 王晔晔

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司1) 郑州 450000) (交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心2) 郑州 450000) (河南省固废材料道路工程循环利用重点实验室3) 郑州 450000)

0 引 言

在长期的工程实践过程中,水泥、石灰等传统材料稳定土逐渐暴露出干缩温缩大、易开裂、易软化、水稳定性差等各种问题[1-3],因此被限制应用于高等级公路.考虑到上述传统无机材料的弊端,国内外学者对土壤固化剂进行不断改良,研发出一系列新型固化剂.Anagnostopoulos[4]研究了树脂类固化剂稳定黏土的效果,指出在固化土体达不到最佳含水量的情况下其无侧限抗压强度(UCS)仍得到大幅提升,且与水泥复合使用固化黏土力学性能更优.岳爱敏等[5]研究了以纤维素和环氧树脂为主要成分的固化剂稳定土的路用性能,结果表明固化土的强度和耐水性能有所提升.彭波[6]根据双电层理论合成一种表面活性剂,可有效解决传统无机结合料稳定土施工拌和及强度不均匀等问题.Kochetkova[7]通过试验对比分析了三种新型高分子固化剂对路基土强度和抗变形能力的改善效果.新型土壤固化剂往往采用大分子聚合材料或有机-无机结合材料,有较好的固化效果,但也存在与土基体相容性不好、长期耐久性欠佳、施工不宜拌和均匀、运输不便、性价比不高等诸多问题.

利用工业固废制备新型土壤固化剂的研究逐渐兴起.Yu等[8]将煤矸石、钢渣等与水泥复配,研究发现在工业废渣掺量大于80%时固化土的无侧限抗压强度比水泥固化土的强度值增大5倍左右.Sabat等[9]研究指出煅烧白云石粉、粉煤灰和赤泥复合改良膨胀土的UCS和承载比(CBR)均随固化剂掺量增多而增大,且白云石粉和粉煤灰的最佳比例分别是8%和15%.沈建生等[10]以钢渣为主要原材,配合使用脱硫石膏、矿渣等工业废渣和激发剂制备土壤固化剂,并研究了其对软土的固化效果,指出固化剂水化产物与水泥相似,均生成C-S-H凝胶、钙矾石和氢氧化钙晶体.Sharma等[11]综述了现阶段工业固废基地聚物土壤固化剂配合比参数设计、微观结构和固化性能等研究进展,提出工业废渣稳定土在路基和路面基层中的潜在应用价值.

文中以赤泥、尾矿、电石渣、钛石膏等工业废渣为主要原料制备了一种新型土壤固化剂ISW,选择粉质土、砂质土、黏质土和膨胀土四种不同性质的土样,通过力学和耐久性试验研究对比分析了自主研发的固化剂ISW与硅酸盐水泥对不同性质土的固化作用,评价了两种固化剂对不同土质的普适性及对固化土体路用性能的影响规律.

1 试 验

1.1 原材料

试验土样取自河南境内高速公路沿线具有典型代表性的四类土,其参数见表1,其中CBR测试试件按击实试验确定的最大干密度和最佳含水率准备;膨胀土有荷压力下胀缩总率为2.0%,属于弱膨胀土[12].试验前先将土样烘干至恒重,破碎并过0.6 mm方孔筛,取筛下物备用.

表1 试验土样的基本物理性能指标

试验采用以工业废渣为主要原材料配制的ISW胶凝剂和P·C 32.5水泥进行土的固化试验,水泥固化土为参照组.通过X射线荧光光谱分析(XRF)测定ISW固化剂和P·C32.5水泥的化学成分,结果见表2.所有试验均设定两种固化材料的掺量为4%(占土样质量比).

表2 固化材料的化学组成 单位:%

1.2 试验方法

1) CBR试验 根据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》中规定的步骤,采用多功能路面材料强度试验机进行CBR测试.按照击实试验确定的最佳含水率和最大干密度,每组制备3个试件.将击实试验完成后的试件浸于水中四个昼夜,浸水龄期结束后计算膨胀量并测定CBR值.

2) 无侧限抗压强度试验 测试步骤参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行.根据击实试验所得土的最佳含水率和最大干密度,按98%的压实度采用静力压实法制备直径50 mm、高50 mm的试件.试件成型后,在温度为(20±2)℃、湿度为95%的条件下养护6 d,再放入清水中浸泡24 h,然后用压力机测试其7 d UCS值.由于标准中没有28 d无侧限抗压强度的要求,本试验按照以下方式进行:固化土试件成型后,在温度为(20±2)℃、湿度为95%的条件下养护6 d,在清水中浸泡22 d后,测试其28 dUCS值.

3) 劈裂强度试验 劈裂试验可以有效评估固化土体的抗裂性能,试验采用多功能路面材料强度试验机进行测试,测试过程依据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的规定步骤进行.

4) 水稳定性试验 按照CJT 486—2015《土壤固化外加剂》中试验方法测定固化土样的水稳系数,标准养生龄期7 d最后1 d浸水的稳定土试件UCS值与不经过浸泡的同龄期试件的UCS值之比.

5) 干湿循环试验 研究固化材料掺量变化对固化土试件养护28、90 d时抗干湿循环能力的影响.每组六个试件(50 mm×50 mm圆柱体),最终结果取平均值.试验过程为:将试件在恒温恒湿标准养护条件下养护至规定龄期,养生期最后一天将试件置于(20±2)℃的水中浸泡24 h,而后放入(50±2)℃恒温干燥箱中烘干24 h,以此为一次干湿循环,五次干湿循环后测定试件的UCS值.干湿循环系数的计算公式为

(1)

6) 冻融循环试验 冻融循环试验参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的试验方法进行.低温冻结温度为-18℃,持续16 h;冻结试件置于(20±2)℃的水中解冻8 h,此为一次冻融循环.分别测定冻融循环5次、10次后试件的无侧限抗压强度,并按式(2)计算冻融试件的强度保留率.

(2)

2 结果与讨论

2.1 承载比

表3为不同类别固化土样的CBR测试结果.由表3可知:ISW固化剂和水泥稳定不同类别土样的CBR值均在35%以上,远远超过JTG D30—2015《公路路基设计规范》中规定的上路床CBR大于8%的要求.按ISW固化土样的CBR值从大到小排序依次为细砂土>粉质土>黏土>膨胀土,说明ISW固化剂对砂质和粉质土的固化效果更佳;而水泥固化土也存在相似的规律.但相比之下,ISW固化剂对不同性质土的适应性更好;除膨胀土之外,ISW固化不同类别土样的CBR值均高于水泥固化土.综合来看,ISW固化剂和水泥固化膨胀土的效果相当,但ISW固化剂相比水泥更具价格优势,有利于在实际工程中推广使用.

表3 不同类别固化土样的CBR测试结果 单位:%

2.2 无侧限抗压强度

不同类型固化土样的无侧限抗压强度见图1.由图1可知:采用ISW固化土时,其固化细砂土的7d强度最高,粉土次之,与上述CBR测试结果相符[13].

图1 不同类别固化土样UCS值的变化规律

2.3 劈裂强度

图2为ISW和水泥固化土的劈裂强度变化规律.由图2可知:相同龄期下ISW固化土的劈裂强度均高于水泥固化土,说明ISW固化剂对四类土样抗裂性能的改善作用优于水泥固化土.

图2 不同类别固化土样劈裂强度的变化规律

2.4 水稳定性

不同类别固化土样水稳系数的变化规律见表4.由表4可知:所有固化土样的水稳系数均小于1,介于0.80～0.97,说明饱水固化土试件的UCS值较标准养护试件均有不同程度的降低.这是由于浸水使得土颗粒之间的粘聚力及内摩擦力减弱造成的.由于土质不同,两种固化剂对不同类别土的水稳定性改善作用也有所差异.总体来说,ISW固化四种类型土的水稳定性排序为固化粉质土>细砂土>黏土>膨胀土;水泥固化粉土和砂土的水稳系数相当,高于固化黏土和膨胀土.这是因为黏土本身具有较强的吸水性,膨胀土更是吸水膨胀软化、干燥收缩开裂的典型,从而容易导致结构疏松化,造成固化土体强度损失.土质相同的条件下,ISW固化土的水稳系数均大于水泥固化土,说明ISW对四种类型土体的水稳定性改善效果优于水泥固化土.

表4 不同类别固化土样的水稳定性测试结果

2.5 抗干湿循环性能

表5为不同龄期时固化土样的干湿循环测试结果.由表5可知:所有固化土样的干湿循环系数均随龄期延长而增大,说明干湿循环后固化土样的无侧限抗压强度仍然随龄期延长持续增长.这是因为固化土样内部反应产物形成的空间网状结构随龄期延长逐渐扩展,整体结构更为致密.相同龄期时ISW固化四种土样中,固化砂土的抗干湿循环性能最佳,90d干湿循环系数达到0.91,其次为固化粉质土>黏土>膨胀土,这与水稳系数变化规律相似(见表4),主要和土质有关;随着龄期的延长,ISW固化粉质土和细砂土的水稳系数增长较大,增幅为11%左右,而ISW固化膨胀土的增幅较小.相同龄期时水泥固化不同类别土样的水稳系数变化规律与ISW固化土相似,同为固化粉质土和细砂土的抗干湿循环性能较好.在相同龄期、相同土质条件下,ISW固化土的干湿循环系数均大于水泥稳定土,抗干湿循环性能更好.且相比之下,ISW固化土样的干湿循环系数随龄期延长增幅更大,这是由于工业废渣中组分活性得以持续激发,从而可以进一步提升固化土体强度.

表5 不同类型固化土样的干湿循环系数

2.6 抗冻融循环性能

不同类型固化土样经冻融循环后的强度保留率见表6.由表6可知:所有固化土样经冻融循环后强度均有所下降,这是结构孔隙中残留水分反复冻融产生体积变化,导致固化土体结构逐渐疏松的结果.无论采用哪种固化剂,不同类型固化土样的抗冻性能均表现为固化粉质土>黏土>细砂土>膨胀土,且强度保留率随着冻融循环次数的增加而减小.具体来讲,采用ISW固化剂时,固化粉质土的抗冻性较好,经5次冻融循环后的强度保留率为85.3%,10次循环后依然可以达到65.0%;固化黏土和细砂土的强度保留率虽不及固化粉土,但经10次冻融循环后仍在50%以上,说明ISW固化该两种类型土的抗冻性良好;而ISW固化膨胀土的5次循环强度保留率相对较低,但其随冻融循环次数增加的下降幅度较小,10次循环后强度保留率数值减小约12%,说明ISW固化膨胀土抵抗长期冻融循环的能力较强.采用水泥固化土时,5次冻融循环后试件强度保留率基本上均略低于ISW固化土;当冻融循环次数增至10次后,水泥固化土样的强度损失较为严重,四种类型固化土样的强度保留率大幅下降,其中水泥固化粉质土的强度保留率由80.2%降低至53.0%,说明水泥固化土的抗冻融稳定性欠佳.

表6 不同类型固化土样的冻融循环测试结果

3 结 论

1) ISW固化剂和水泥对不同性质土的CBR及无侧限抗压强度的改善作用顺序均为固化细砂土>粉质土>黏土>膨胀土.所有固化土样的CBR均在35%以上;相同龄期下,ISW固化土的无侧限抗压强度更高,28d强度值超过3.3 MPa.

2) ISW固化剂可有效提升不同性质土的劈裂强度,从而改善其抗裂性能.且ISW固化土样的劈裂强度在较长龄期内呈持续增长趋势,尤以固化黏土的强度增幅较大.

3) 无论采用何种固化剂,不同类型固化土样的水稳定性和抗干湿循环性能与力学性能变化规律较为一致,同样表现为固化粉质土和细砂土的性能相对较优,固化黏土和膨胀土次之.而抗冻性能表现为固化粉质土>黏土>细砂土>膨胀土.随着冻融循环次数的增加,水泥固化土的强度损失较为严重,但ISW固化土的强度保留率较高,10次循环后仍在50%以上;其中ISW固化膨胀土的长期抗冻融稳定性较好.

4) ISW固化剂对粉质土、砂质土、黏性土和膨胀土均具有相对较好的适用性,对不同性质固化土体物理力学性能和耐久性的改善效果优于硅酸盐水泥.