固土剂稳定土路面基层材料的性能与应用研究
1、QJ型土壤固化剂稳定土组成材料的性质
1.1 QJ型土壤固化剂
采用四川青神生的产粉状QJ型土壤固化剂，主剂由水泥、石灰等材料组成，添加剂主要由羧基化合物及有较强混合能力的胺基碘酸类等高聚物组成，细度在0.074mm标准筛上筛余量不得超过15%。
1.2 QY型二灰
QY型二灰是指水泥和石灰,水泥和石灰与QJ型土壤固化剂的主剂相同,技术性质满足规范要求。
1.3 碎石
采用重庆的石灰岩破碎的碎石，最大粒径≤40mm，其级配组成见表1，碎石压碎值为13.5%，满足《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）的规定。
表1 碎石级配组成
筛孔尺寸/ mm 40 30 20 10 5 2 1 0.5 0.075
通过时分率/% 100 95 78 62 50 38 25 12 2
技术标准/% 100 90~100 60~85 50~70 40~60 27~47 20~40 10~30 0~15
1.4 土
试验用土为粉碎新鲜页岩,根据《公路土工试验规程》（JTJ051—93）没得液限Wp=34%，塑限WL=18%，塑性指数Ip=16%，其粒径≤5 mm。
1.5 水
本次室内试验研究采用的是自来水,在施工中人或牲畜饮用水即pH值＜5的水源均可使用。
2 QJ型土壤固化剂稳定土的最佳配合比
2.1 成型试件的配合比
为了找到QJ型固化剂稳定土的最佳配合比及不同剂量固化剂稳定土的物理力学特点,本次研究在室内试验分别做了QJ型土壤固化剂掺量分别为土的8%、10%、12%等3个不同比例（固化剂与土质量之比），土与石比为：土：石=35：65、45：55、50：50和55：45等4个不同比例的混合料，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057—94）成型试件，标准养护，分别测定其1d、3d、7d不同龄期的无侧限抗压强度，其试验结果见表2。
表2 不同固化剂掺量、不同土石比与不同龄期的抗压强度比较
龄期/ d 土：石=35：65 土：石=45：55 土：石=50：50 土：石=55：45
QJ掺量/% QJ掺量/% QJ掺量/% QJ掺量/%
8 10 12 8 10 12 8 10 12 8 10 12
1 0.84 1.14 1.20 1.44 1.60 1.48 1.48 1.86 1.74 1.60 2.1 2.3
3 1.04 1.16 1.22 2.1 1.84 2.3 2.1 2.4 2.4 2.4 2.5 2.7
7 1.06 1.10 1.22 2.2 1.54 1.82 2.1 2.0 1.98 2.0 2.0 2.1
注：1、1 d和3 d龄期试件测试未浸水
d龄期强度值为标养6 d，浸水24h后测得的。
根据表2试验结果，同时考虑到工程造价因素，通过比较，最后确定土石比为50：50时固化剂掺量为页岩土质量的10%时为最佳配合比，以后进行的各项性能试验研究都是在最佳配合比基础上进行的。最佳配合比的标准密度（最大干密度）为2.26g/cm3,最佳含水量为7.0%，以后各项试验研究所用试件都是按照标准密度用静力压实在型。
2.2 最佳配合比的无测限抗压强度试验结果
无侧限抗压强度试验是在确定的最佳配合比(土：石=50：50,QJ土壤固化剂掺量为页岩土质量的10%)基础同用静力压实成型法制备的一系列试件,试件的养护条件控制在温度(25±2)℃,相对湿度大于90%,试件测试前均浸水24h,试件取出后用毛巾擦拭干净表面水分,置于测力计上测试。QJ型固化剂稳定碎石土无测限抗压强度试验结果见表3。强度与龄期的关系曲线见图1。
表3 QJ、QY2种固化剂稳定土的强度测试结果
Mpa
固化剂 7 d 28d 60d 90d 180d
QJ 2.0 3.1 3.2 4.3 4.6
QY 1.72 2.8 3.0
图1 不同固化剂稳定碎石土强度增长与龄期的关系(略)
2.3 QJ型土壤固化剂与QY型二灰稳定土性能对比
在进行QJ型固土剂稳定碎石土研究的同时，还研究了用QY型（仅由水泥和石灰混合而成）二灰稳定土做对比性能试验，以确定QJ型固化剂稳定土的效果。对比试验中土石比例不变，QY二灰掺量相同。QJ和QY固化剂稳定碎石土同条件、同龄期的强度对比见表3。
从表3和图1可以看出，随着龄期的增长，28 d以前强度增长较快，28d~60d强度增长较慢，60 d~90d、180d强度继续保持较快的增长速度，龄期相同时QJ型固化剂稳定碎石的强度比QY型二灰稳定碎石土的强度高。主要是因为QJ型固化剂是由水泥 石灰 高聚物组成，早期水泥与水反应罗快生成水硬性凝胶体，使其有较高的强度，后期由石灰凝结与土作用使其强度得到进一步的增长，所以QJ型固化剂稳定土的整体强度早期增长较快，后期亦不断增长。同时由于固化剂与水泥 、石灰离子和土结合，增强了混合料的粘结性，从而增强了固化剂稳定土的抗掺性和防裂性。 2.4 QJ型固化剂稳定土的劈裂强度
劈裂强度是半刚性基层设计及反映其抗裂性能的重要指标,QJ型固化剂稳定土劈裂强度的大小直接影响着这种土的路用技术性质,当劈裂强度高时,基层裂缝少,防水性和抗渗透性强,能减少面层的裂缝产生,本次研究采用的QJ型固化剂稳定土配合比为：土：石=50：50，QJ型固化剂的掺量为页岩土质量的10%，其测试的QJ型固化剂稳定土的劈裂强度如表4。
表4 QJ型固化剂稳定土劈裂强度试验结果
试验条件 测前未浸水 测前浸水1 d
龄期/ d 90 180 90 180
劈裂强度/MPa 0.30 0.40 0.25 0.37
从表4可以看出，随着龄期的增长，劈裂强度逐渐增大，测前浸水1 d后测得的抗拉强度比未浸水的抗拉强度有所降低，90 d的浸水（1 d）的试件劈裂强度比未浸水的劈裂强度降低了16.7%,180 d的浸水(1 d)的劈裂强度比未浸水的劈裂强度降低了7.5%,这就说明随着龄期的延长,QJ型土壤固化剂稳定土的水稳性越来越好。
2.5 QJ型固化剂稳定土的抗冻性
通过低温冻融试验，了解QJ型土壤固化剂的混合料在低温条件下的抵抗冻融能力。把成型试件标准养护至规定龄期，在-20℃条件下冻24 h，然后在（20±3）℃，相对湿度≥90%条件下放置48 h，为一次冻融循环，试验共5次冻融循环，每次冻融循环后观察试件表面是否有起皮、裂纹、散粒等破坏现象。经过5次冻融循环后的质量损失百分率与冻融前后试件的抗压强度之比值（耐冻系数）表征其耐久性。QJ型固化剂稳定土与QY型结合料稳定土的试验结果见表5。
表5 QJ型固化剂与QY稳定土冻融试验结果
龄期 5次循环后外表特征 冻融前后质量/g 抗冻融质量损失/% 强度/MPa 冻融系数
冻前 5次冻后 冻前 5次冻后
QJ 7 d 无脱皮、散粒、泥化等现象 2034 2028 0.29 2.0 1.78 0.89
28 d 无脱皮、散粒、泥化等现象 2029 2025 0.25 3.1 2.8 0.90
QY 7 d 第三个循环进开始出现轻微脱皮、泥化现象，以后继续增多 2027 1895 6.51 1.72 1.16 0.67
28 d 第三个循环进开始出现轻微脱皮、泥化现象，以后继续增多 2032 1903 6.35 2.9 2.0 0.69
从表5可以看出,QJ型固化剂稳定土的耐冻必比QY型结合料稳定土的耐冻性要好得多,这是因为QJ型固化剂在QY结合料的基础上多掺了一种羧基化合物添加剂,固化剂在与土的作用过程中充分与土粒粘合,使稳定土的防冻性、抗渗性、耐久性大提高。
2.6 QJ型固化剂稳定土抗压回弱模量
抗压回弹模量是路面结构设计的一个重要参数，它反映路面结构层的强度。试验按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057—94）之规定进行，试件成型后标养6 d，浸水1 d，测得QJ型固化剂稳定土的抗压回弹模量为185 Mpa。标养90 d后，测得其抗压回弱模量为560 Mpa。说明QJ型固化剂稳定土的抗压回弹模量随着龄期的增长，抵抗破坏的能力亦地增强。
3 QJ型土壤固化剂稳定土强度形成机理
QJ型土壤固化剂是一种粉状产品，可分为主剂和添加剂两大部分，主剂由水泥、石灰等材料组成，添加剂主要由羧基化合物及有较强混合能力的胺基碘酸类等高聚物组成。固化剂加入土中，在土壤与固化剂混合初期，固化剂与土颗粒发生一系列的反应，生成新的结晶体和土壤组成密实的网络结构。其中添加剂起着类似催化剂的核心作用，从而改善土的空间结构，提高土的工程性质，这些反应包括化学反应、物理化学反应、物理力学反应[4]等。
（1）化学反应
在化学反应中，主要包括固化剂颗粒自身的化学反应、固化剂颗粒与土颗粒之间的化学反应，这些反应导致土中产生新的结晶体，从而形成一个新的空间网，使得土体结构由原来简单的仅仅依靠液相膜吸引的凝聚结构转变成复杂的结晶——缩合结构，这种结晶—缩合结构，通过结晶体之间的化学相互作用而提高土体自身的强度和刚度。
（2）物理力学反应
物理力学反应主要包括粉碎土体、拌和及压实混合料（土体与固化剂），通过这些机械力学反应来加速土体与固化剂的反应。
（4）石灰、水泥产生的Ca(OH)2与土中的活性SiO2与Al2O3作用发生火山灰反应，生成强度较高水稳定性良好的水化硅酸钙与水化铝酸钙等胶凝物，提高了稳定土的强度和水稳定性。
（5）石灰的Ca(OH)2晶体和水泥的水化产物增加了混合料的强度与水稳性。|爱上考试网|
当固化剂加入土中后发生了上述一系列的物理化学作用，使QJ型土壤固化剂稳定土的强度随龄期的增长而增长，水稳性、耐冻性得以显著提高。
4 工程应用实例
室内试验表明QJ型土壤固化剂稳定土是一种具有良好物理—力学性能的路面基层材料，能满足路面基层材料使用性能要求。在四川安岳县水灌路试验段[5]修筑的QJ型土壤固化剂稳定碎石土作基层的试验段，现已经使用4年多，至今未出现破坏，使用性能良好；另外天岳路|爱上考试网|、文李路试验路段，现已经使用3年多，也未出现破坏，使用性能良好，通过对试验路段钻芯取样，检测结果如表6所示。
表6 3条试验路段检测结果
取芯路段 固化剂剂量% 铺路日期 取芯日期 试验日期 平均抗压强度MPa 浸水后情况
永灌路K0 050~380 4 1999-12-19~28 2000-06-01 2000-06-07 2.65 筑路550d取芯,浸泡14d后试件中部断裂
天岳路K1 400~K2 600 4.5 1999-12-30~2000-05-20 2000-06-02 2000-06-07 1.52 筑路153d取芯,浸泡39d后试压强度1.56 MPa
文李路K22 220~850 5 2000-03-15~26 2000-06-03 2000-06-07 1.64 筑路80d取芯,浸泡37d后试压强度1.40 MPa
通过试验路段可以看出,QJ型土壤固化剂掺量不同时,其强度不同,随着龄期的增长,QJ型固土剂稳定碎石土的强度和水稳性增强.根据现场使用的QJ型固土壤固化剂稳定土进行的经济分析表明,QJ型土壤固化剂稳定土进行的经济分析表明,QJ型土壤剂稳定碎石土作为路面基层比二灰稳定碎石土作为路面基层节约成本30%左右,说明QJ型土壤固化剂稳定碎石土作为路面基层材料具有良好的应价值。
5 结论
通过本课题组的试验研究，可得出以下结论：QJ型土壤固化剂作为一种新型胶结材料，具有较好的物理力学性能和抗冻融能力，造价低廉，施工简单，在缺乏石料的地区QJ型土壤固化剂稳定土作为公路路基及路面基层材料是可行的，能满足各种环境的公路路基及路面基层的要求，具有良好的运用前景。
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