SG—1型土壤固化剂稳定碎石土的路用性能研究

李慧萍 王福满

摘 要：针对陕西神木地区石料短缺而碎石土较多的情况，采用SG- 1固化剂稳定碎石土并进行最佳配合比筛选试验，得出SG- 1固化剂稳定碎石土的最佳掺量，然后进行稳定碎石土的无侧限抗压强度试验、劈裂试验、水稳定性试验、抗冻性试验、干缩试验等路用性能方面的试验研究。结果表明：SG- 1稳定碎石土作为路面基层材料具有早期强度和模量高，水稳定性、抗冻性和干缩性能好的特点，适宜在陕西神木及与其土质相似地区的道路工程中应用。

关键词：SG- 1固化剂；碎石土；无侧限抗压强度；路用性能

中图分类号：U414.01 文献标志码：B

Research on Pavement Performance of Gravelly Soil Stabilized with SG- 1 Curing Agent

LI Hui- ping1， WANG Fu- man2

（1. Hulunbuir Highway Administration， Hulunbuir 021008， Inner Mongolia， China； 2. Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China）

Abstract： Combined with the fact that there is shortage of stone in Shenmu City of Shaanxi Province and gravelly soil is widely seen， gravelly soil stabilized with SG- 1 curing agent was chosen to carry out the screening test for optimal mix proportion. Optimal mixing amount of SG- 1 was obtained， and unconfined compressive strength test， splitting test， water stability test， frost resistance test and shrinkage test were conducted on the stabilized gravelly soil to study the pavement performance. The results show that as material for the base course， SG- 1 has high early strength and modulus and features excellent water stability， frost resistance and shrinkage performance， which make it suitable for Shenmu and other regions with similar soil properties.

Key words： SG- 1 curing agent； gravelly soil； unconfined compressive strength； pavement performance

0 引 言

随着经济飞速发展，中国道路基础设施建设也进入快速发展时期。道路建设需要大量优质石料，但石料的开采不仅对生态环境造成破坏，同时长距离运输增加了投资成本，消耗的大量燃料也会加重空气污染[1- 5]。陕西、山西、河南等黄土地区常年干旱少雨，山皮碎石土资源丰富，若把山皮碎石土应用到道路建设中，既实现了当地材料的利用，节省资源，又降低了成本。自20世纪70年代以来，欧美等发达国家对固化剂稳定土展开了广泛研究[6]。在国内，许多道路专家也对土壤固化剂进行研究，如梁文泉等研制出的GA型固化剂可稳定粘土、淤泥、工业废渣、风化砂等[7]，耿轶君研究的EN- 1固化剂改良红砂岩的作用机理，提出改良路面结构的可行性[8]。

针对陕西神木周边地区碎石土资源丰富的特点，采用新型SG- 1土壤固化剂对碎石土进行固化并作为道路基层材料。对SG- 1固化碎石土材料进行无侧限抗压强度、水稳定、抗冻性、干缩特性等室内试验以测试其作为基层材料的路用性能。

1 原材料技术性质

1.1 固化剂

SG- 1固化剂主要由水泥、粉煤灰、生石灰和表面活性剂等高分子材料构成，常温下为灰白色粉状固体，所含有的表面活性剂具有塑化、防水以及防冻等作用，其主要技术指标如表1所示。

2 混合料击实试验

2.1 击实试验

在SG- 1稳定碎石土成型试件前，必须要进行击实试验来确定最大干密度和最佳含水量。按照规范[10]先拟定固化剂的掺量为3%、4%、5%、6%、7%、8%、10%，然后对不同SG- 1掺量的混合料进行击实试验，结果如表4所示。从表4可知，混合料的最大干密度和最佳含水量随SG- 1固化剂掺量的增加而增大，由于SG- 1固化剂成分的颗粒较小，颗粒之间的空隙小，而表面积较大，所以当SG- 1固化剂掺量增加时，混合料容易压实紧密且吸收更多的水，使最大干密度和最佳含水量逐渐增大。

2.2 确定固化剂最佳掺量

采用静压法以97%的压实度成型Φ150 mm×150 mm圆柱体试件，取强度不小于2.8 MPa作为代表值进行无侧限抗压强度试验，试验结果如表5所示。在考虑基层材料技术指标和经济性的情况下，确定固化剂掺量为7%。

3 SG- 1稳定碎石土路用性能试验

3.1 无侧限抗压强度试验

采用Φ150 mm×150 mm圆柱体试件，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）进行无侧限抗压强度试验。为了使试验条件符合实际情况，试件以97%的压实度成型，在湿度不小于95%和温度为（20±2）℃的标准条件下进行养生，达到规定养生龄期后分别测试SG- 1稳定碎石土7、28、60、90、180 d（最后1 d浸水）龄期的无侧限抗压强度，结果如表6所示。

分析上述数据可知，SG- 1稳定碎石土7 d无侧限抗压强度达到2.9 MPa，而规范对石灰粉煤灰类基层材料7 d抗压强度的要求是不小于0.8 MPa，因此SG- 1稳定碎石土强度比规范中的规定值高出2. 1 MPa。随着龄期的增长，稳定碎石土材料的无侧限抗压强度继续增长：龄期28 d的抗压强度为3. 6 MPa，比7 d的抗压强度提高了24. 1%；60 d的抗压强度为4.5 MPa，比7 d提高了55. 2%，比28 d提高了25%；90 d龄期的抗压强度为5.0 MPa，比7 d提高了72. 4%，比28 d提高了38. 9%，比60 d提高了11. 1%；180 d的抗压强度为5.4 MPa，比7 d提高了86. 2%，比28 d提高了50%，比60 d提高了20%，比90 d提高了8%。SG- 1固化剂稳定碎石土的无侧限抗压强度的增长趋势如图1所示。

图1 无侧限抗压强度增长趋势

3.2 劈裂试验

半刚性基层材料的抗拉强度是路面设计的一个重要参数[11]，关系到路面结构的安全与稳定，由于直接测定抗拉强度较为困难，可采用间接抗拉强度试验测定，试验按97%的压实度成型试件，分别测定了7、28、90、180 d的饱水试件的劈裂强度，结果如表7所示。

由表7可知，SG- 1稳定碎石土的早期劈裂强度较高，龄期7 d的强度达到0.24 MPa。随着龄期增长，固化剂稳定碎石土的劈裂强度继续增长：28 d的劈裂强度为0.33 MPa，比7 d增长了37. 5%；90 d的强度为0.45 MPa，比28 d增长了33. 3%，比7 d增长了83. 3%；180 d的强度为0.49 MPa，比90 d增长了11. 4%，比28 d增长了48. 5%，比7 d增长了104. 2%。SG- 1固化剂稳定碎石土的劈裂强度的增长趋势如图2所示。

图2 劈裂强度增长趋势

3.3 水稳定性试验

水稳定性是指基层在水分作用下抵抗集料脱落和混合料松散的能力，对渠道防渗和路基、路面建设等有着重要的意义。采用水稳定系数来评价水稳定性，其数值越大水稳定性越好。试验采用静压法以97%的压实度成型Φ150 mm×150 mm试件，在标准温度和湿度下养生28 d后，分别浸水0、2、4、6、8、10 d，进行无侧限抗压强度试验，结果如表8所示。

由表8可知，随着浸水时间的增加，固化剂稳定土的强度损失逐渐增大，水稳定系数逐渐降低。固化剂稳定土没有浸水时强度为4.2 MPa；浸水2 d后的抗压强度为3.6 MPa，水稳定性系数为85. 8%，强度损失14. 29%；浸水4 d后的强度为3. 3 MPa，水稳定性系数为78. 7%，强度损失21. 43%；浸水6 d后的强度为3.1 MPa，水稳定性系数为73.9%，强度损失26.19%；浸水8 d后的强度为3.0 MPa，水稳定性系数为71. 5%，强度损失28. 57%；浸水10 d后的强度为2. 9 MPa，水稳定性系数为30.96%，强度损失69. 1%。图3为固化剂稳定土强度损失和水稳定系数变化趋势。

图3 水稳定系数和强度损失变化趋势

3.4 冻融循环试验

抗冻性指基层抵抗多次“冻融循环”而不疲劳破坏的性质，可采用冻融循环试验的抗冻系数来评价。试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）成型2组试件并养生：一组试件测试无侧限抗压强度；另一组试件先在-35 ℃下冷冻24 h，之后在温度为20 ℃、相对湿度为95%的条件下放置24 h，如此循环5次，然后测试其无侧限抗压强度，试验结果如表9所示。

分析数据可知，经过5次冻融循环后，固化剂稳定土的强度值降低。在冻融循环试验过程中，试件

表9 抗冻性试验结果

测试项目未冻融强度/MPa冻融次数冻后强度/MPa强度损失/%抗冻系数/%

试验值3.653.38.391.7

表面状态较完整，只是出现个别颗粒脱落现象。在冻融前，固化剂稳定土的强度为3.6 MPa，冻融循环后，强度为3.3 MPa，强度损失8.3%，抗冻系数为91.7%，抗冻效果十分显著。

3.5 干缩性试验

基层材料干燥收缩是由材料内部水分蒸发引起的宏观体积变化，用干缩应变和干缩系数来评价固化剂稳定土干缩性。按规范以97%的压实度成型150 mm×150 mm×550 mm小梁体试件，在标准养生条件下养生6 d，浸水1 d后，擦干试件表面水分，进行试验，结果如表10所示。

表10 干缩试验结果

材料失水率/%干缩量/mm干缩应变/10-6平均干缩系数/%

固化剂稳定土10.471.000 71 799.759 6171.896 8×10-6

分析数据可知，固化剂稳定土的抗干缩性能非常优越，材料的失水率为10.47%，干缩量为1. 000 7 mm，干缩应变为1 799.759 6×10-6。分析原因：SG- 1固化剂含有部分粉煤灰和高分子材料，一方面可以填充土体空隙，进一步约束土颗粒，使混合料孔隙率降低，毛细孔水和吸附水数量减少；另一方面高分子材料减弱了粘土矿物的亲水性，导致“吸附水及分子间作用力”和“层间水作用”减弱，使固化剂稳定土的抗干缩性能提高.

4 结 语

（1） SG- 1固化剂稳定土早期强度高，后期强度增长快，这一特点在实际工程中对加快施工速度、缩短工期十分重要。

（2） SG- 1固化剂稳定碎石土材料的劈裂强度较高，这对于减少路面结构面层裂缝的产生，提高道路基层防水性等性能指标非常重要。

（3） 随着SG- 1固化剂稳定碎石土浸水时间的增加，碎石土的水稳定性系数逐渐降低，强度损失增大，但变化的幅度越来越小，逐渐趋于稳定，这对提高基层材料水稳定性，确保路面发挥应有的作用有重要意义。

（4） SG- 1固化剂稳定碎石土的抗冻性效果十分显著，且具有较好的温度稳定性。

（5） 干缩特性关系到基层材料的耐久性和水稳定性，试验结果表明SG- 1固化剂稳定碎石土的干缩应变及干缩系数很小，抗干缩性能较好。

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[责任编辑：谭忠华]