纳米二氧化硅稳定剂在公路路基中的应用

钟富军

摘要：为提高公路路基土的强度特性，文章研究开发了一种新型的稳定剂，主要用于提高其力学性能及在公路路基上的适用性。通过无侧限抗压强度（UCS）试验和劈裂试验研究，以及水稳定性试验和冻融循环试验，研究稳定剂与路基土混合后的耐久性及其建成后的道路性能；采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析稳定剂对公路路基土的微观结构和机制的影响。结果表明：稳定剂的加入会使泥土颗粒表面与路基土发生水化反应、沸石反应和阳离子交换，从而增强泥土颗粒分子间的作用力，在路基土中加入10%的稳定剂是一种合理、有效的加固路基土的方法，能有效地提高公路路基的早期强度和耐久性。

关键词：纳米二氧化硅；稳定剂；公路路基

中图分类号：TE254.4        文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）06-0042-04

0 引言

稳定剂在土壤中的应用由来已久。20世纪初，美国首次将水泥作为稳定剂，与土壤混合形成道路材料。此后，以水泥、石灰或水泥-石灰为基础的综合稳定剂得到了发展［1］。从20世纪70年代开始，对土壤稳定剂的研究逐渐成熟，出现了稳定剂的分类，并逐步应用于不同领域。例如，李松松［2］開发了硅酸钠土壤稳定剂，研究发现硅酸钠土壤稳定剂具有良好的激发作用和较高的经济适用性。宋兵伟［3］用水泥和石灰稳定软黏土，通过设计一系列的混合比例，找到石灰的最佳用量。然而，普通硅酸盐水泥在生产过程中存在严重的环境污染问题。因此，开发一种绿色、环保、经济的土壤稳定剂具有重要的实践意义。

许多学者致力于新型经济环保型土壤稳定剂的研究，以弥补传统土壤稳定剂的缺陷。刘蕾［4］加固了南方地区的软土，并使用Eades-GrimpH（经验石灰推荐算法）确定最佳石灰含量。结果表明：4%的石灰含量可使土壤pH值提高至12，稳定土的强度可以达到更高的水平。池育源［5］评估使用黏合剂稳定由粉煤灰和高炉炉渣组成的膨胀土壤的潜力。研究发现，添加黏合剂进一步改善了土壤性质。结合上述研究，本研究研制了一种用于稳定淤泥的新型稳定剂，称为矿渣-纳米二氧化硅稳定剂（SNS），该稳定剂由炉渣、纳米二氧化硅和生石灰组成，本文通过宏观力学性能试验、道路性能试验和微观机理分析评价了稳定土的力学及微观性能。

1 实验方法及路基土性能

1.1 路基土性能

本试验所用路基土的液限wL、塑限wP和塑性指数IP分别为48.7%、29.60%和19.10。路基土的最佳含水量为30.12%，最大干密度为1.76g.cm-3。按照塑性图的分类，粉砂属于极限黏土低液态砂（CLS）。本实验中使用的生石灰中CaO的含量为82%，MgO含量为1.6%。同时，使用矿渣代替传统的硅酸盐水泥，用生石灰促进水化反应。通过设计混合比例，自主研发了矿渣-纳米二氧化硅稳定剂（SNS）。

1.2 无侧限抗压强度测试

无侧限抗压强度试验是在没有侧向约束的情况下，对路基土的中心施加一定的轴向压力，在此过程中测量路基土的抗压强度。本文根据我国规范《公路工程土工试验方法》（JTG E40—2007）进行无侧限抗压强度试验，研究不同SNS含量的路基土的强度特性，为实际工程施工提供参数依据。

1.3 水稳定性测试

路面结构的破坏源不仅来自外部荷载的作用，还来自周围环境的湿度和基层土中较高的含水量，这些因素都会对路面和基层结构造成内部破坏。本文根据我国规范《公路工程无机胶结料稳定材料试验方法》（JTG E51—2009）进行水稳试验，通过10%SNS-S（添加含量为10%的矿渣-纳米二氧化硅稳定剂的路基土）试件浸泡前后的抗压强度计算水稳系数，用于评价土壤稳定剂的水稳性能。

1.4 冻融循环试验

在北方沿海地区，温度的大幅度周期性变化将导致路面结构强度发生周期性变化。因此，考虑到SNS的区域适用性，根据我国规范JTG E51—2009的试验方法，模拟冷热交替的气候环境，将10%SNS-S和水泥路基土（CS-S）分别放入低温箱（-18±2）℃和恒温水箱（20±2）℃进行冻融循环，通过冻融循环前后的损失强度计算其防冻指数。

1.5 SEM

为观察添加SNS前后的路基土的微观结构和缝隙形状的变化，将SNS-S（6%/7 d、10%/7 d、10%/28 d）粉碎，取20 mm3×10 mm3×5 mm3边缘的中心部分，在50℃的烘箱中放置12 h后进行显微镜观察。

1.6 XRD

X射线衍射（XRD）是一种常用的定性分析自然界中矿物成分的方法，通过比较稳定化土壤的XRD结果，可以更好地分析稳定化土壤在添加SNS前后和不同年龄段的矿物成分变化。将素土和SNS-S（6%/7 d、6%/28 d、10%/7 d和10%/28 d）研磨并干燥后进行测试，将2θ的衍射角设定为5～85°。

2 实验结果分析

2.1 无侧限抗压强度试验

在本试验中，将添加了6%、8%、10%、12%和14%的矿渣-纳米二氧化硅稳定剂（SNS-S）的路基土与添加10%水泥的路基土（CS-S）相比，探讨不同养护龄期和不同SNS含量对路基土稳定效果的影响（如图1所示）。

从图1可以看出，随着路基土养护周期的延长，路基土的无侧限抗压强度先快速增加，后缓慢下降。对标准养护周期为7 d和28 d的试样，公路路基土的最大无侧限抗压强度分别为4.21 MPa和5.59 MPa，而CS-S的无侧限抗拉强度分别为2.84 MPa和3.11 MPa。因此，SNS-S的无侧限抗压强度约为CS-S的1.6倍。随着稳定剂含量的增加，SNS-S的抗压强度先增强后缓慢减弱。当含量为10%时，SNS-S的无侧限抗压强度在28 d达到峰值（5.59 MPa），并且SNS-S的抗压强度值都高于CS-S。

分析上述试验结果，SNS中的矿渣在稳定初期发生了水化反应，生成Ca（OH）2，并且稳定剂中的纳米二氧化硅和生石灰与Ca（OH）2发生水化反应，生成硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶、硅酸铝钙水合物（C-A-S-H）凝胶和其他水化反应产物，在土壤颗粒之间起到胶结作用，这也是路基土的强度特性得到改善的主要原因。本试验中使用的纳米二氧化硅的粒径较小，比表面积较大，因此可以更有效地促进稳定剂中矿渣的水化反应，显著提高路基土的早期抗压强度。适当添加SNS可以显著提高路基土的抗压强度，但过多的SNS会破坏路基土整体的均匀性，造成纳米二氧化硅稳定剂的水化反应产物过多、土壤颗粒之间的间隙增大、土壤表面出现少量裂缝、整体结构发展不完善，导致路基土的强度从峰值缓慢下降。当SNS的含量为10%时，对路基土的抗压性能的改善最明显。

2.2 水稳定性试验

表1为公路路基土的水稳定性试验结果。表1中的Rw代表标准抗压强度，Rc代表水浴固化后的抗压强度，Dw代表强度损失率，Kw代表水稳定性系数。从表1中可以看出，相同含量的SNS-S的水稳定性系数高于CS-S。水浴养护后，SNS-S的Rc比Rw显著降低。随着水浴养护时间的增加，路基土的抗压强度先减弱后增强。CS-S的Rw为2.84 MPa，养护龄期为3 d的CS-S强度损失率最高（Dw为28.17%），水稳定性系数为0.72，SNS-S的Rw为4.45 MPa。养护周期为3 d的SNS-S强度损失率最低（Dw为13.26%），水稳定性系数为0.87。CS-S前期水稳定性系数的下降幅度大于SNS-S，SNS-S后期水稳定性系数下降速度较慢。随着养护周期的增加，CS-S和SNS-S后期的水稳定性系数逐渐增大，路基土在浸水环境下趋于稳定，进一步表明纳米二氧化硅稳定剂可有效地提高路基土的稳定性能。

2.3 冻融循环试验

表2为冻融循环试验的结果，其中Rf代表试验后的抗压强度（UCS），BDR代表防冻指数。从表2中可以看出，在相同的冻融循环次数下，与CS相比，SNS对路基土的防冻性能有一定程度的提高。随着冻融循环次数的增加，SNS-S的BDR下降速度快于CS-S；但在不同冻融循环次数下，SNS-S的BDR大于CS-S。

温度的变化会导致土壤颗粒在冻融循环过程中发生破碎，土壤颗粒之间的分子吸引力降低，土壤颗粒之间的间距变大，土壤中的水相也会交替变化，冰晶结构不断增加，导致土壤表面出现裂缝。路基土中由水化反应和沸石反应产生的C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶随着冻融时间的增加而被破坏，最终体现为路基土宏观力学强度下降。

2.4 微观结构变化

2.4.1 扫描电镜测试（SEM）

图2为路基土扫描电镜测试（SEM）图。图2（a）是放大2 000倍的原始路基土的SEM图像。从图2（a）可以清楚地看到，路基土的微观结构主要是团聚或片状，没有观察到絮凝结构和网状结构。土壤表面形状不规则、分布不均匀，结构元素主要是点-面和边-面接触，可以观察到许多黑色阴影，代表土壤颗粒之间或土壤颗粒与矿物之间的间隙。这也表明，土壤颗粒之间显然缺乏有效连接。当土壤遇到水流时，缝隙会被水填满，土壤颗粒被软化，导致土壤的强度特性变差，路面性能降低。

从图2（b）可以看出，土壤仍然以块状团聚体为主。与图2（a）相比可以看出，土壤表面变得相对平坦，并产生了水化产物，但其水化产物较少，不能起到很好的填充作用。因此，雖然添加少量SNS在一定程度上提高了公路路基的抗压强度，但是提高的效果并不明显。

从图2（c）可以看出，随着SNS含量的增加，产生更多的针状钙矾石晶体（AFt）、C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶。表明随着SNS含量的增加，早期的水化反应变得更加充分，水化产物显著增加。针状晶体和絮凝剂的形成可以有效地填补土壤颗粒之间的空隙，使土壤结构更加紧凑，起到稳定作用。这就解释了土壤强度随稳定剂含量的变化现象。同时，从图2（c）中可以观察到，早期土壤的微观结构主要是层状的，土壤表面有大量的AFt和六方晶Ca（OH）2。与图2（a）中的原始土壤相比，土壤颗粒之间的间隙明显减小，土壤颗粒的直接连接方式也变为填充方式，提高了土壤的稳定性。

从图2（d）可以看出，随着养护龄期的增加，土壤的微观结构由片状结构变为絮状结构，土壤颗粒之间的间隙明显减少，这说明随着养护龄期的增加，水化产物C-H充分参与了C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶的形成，起到胶结和填充的作用。路基土的强度随着养护龄期的增加而增强，说明相比片状结构，絮状结构能更好地提高路基土的强度。

3 结论

通过实验室和现场试验，研究新稳定剂的最佳比例及其对路基土的稳定影响，得出以下结论：稳定剂对路基土具有凝胶化和填充作用，并且与传统的水泥稳定剂相比，新型稳定剂可以有效地提高路基土的强度、水稳定性和防冻性能。稳定剂的最佳含量为10%。将纳米二氧化硅掺入路基土，能提升其强度性能和耐久性，满足公路建设的要求，并且路基土表面存在大量的针状钙矾石晶体和六方晶Ca（OH）2，可以有效填充路基土孔隙，进一步表明纳米二氧化硅稳定剂可有效提高路基土的稳定性能。

4 参考文献

［1］田威，李腾，贾能，等.固化剂在黄土路基工程中的研究进展［J］.公路，2021，66（11）：45-52.

［2］李松松.公路桥梁施工中软土地基施工技术的应用分析［J］.运输经理世界，2022（35）：95-97.

［3］宋兵伟，宫经伟，邹平，等.土壤固化剂研究进展及其在温室修建中的应用前景［J］.乡村科技，2022，13（3）：156-158.

［4］刘蕾，姚勇，张玲玲，等.EFS固化道路基层抗压强度试验研究［J］.施工技术，2020，49（3）：10-13.

［5］池育源.飞灰在膨胀土路基加固处治中的应用［J］.山西交通科技，2016（5）：29-31.