固化剂在水泥灰土稳定砂基层中的应用

固化剂在水泥灰土稳定砂基层中的应用

摘要：为了减小水泥灰土稳定砂基层材料收缩变形量，增强其抗裂能力，对水泥灰土稳定砂材料的配比进行了研究，掺加了适量固化剂。通过对比研究掺加固化剂水泥土稳定砂和普通水泥灰土稳定砂各龄期的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量和干缩系数等路用性能指标，认为固化剂能够显著改善水泥灰土稳定砂材料的路用性能。最后，通过电镜扫描和能谱分析方法，对其微观结构和粘结方式进行研究，进一步验证了掺加固化剂的水泥土稳定砂基层路用性能的优越性。

关键词：路基基层水泥灰土稳定砂固化剂抗裂性

引言

某市交通公路部门自1984年就开始对水泥灰土稳定砂的路用性能进行探讨。二十多年来，针对水泥灰土稳定砂类材料的特点，结合工程实际，在大量试验研究的基础上，将水泥灰土稳定砂类材料应用于修建各种路面的基层结构。虽然水泥灰土稳定砂作为路面基层在信阳市的公路建设中得到广泛应用，与其它类型的半刚性基层结构一样，也存在一些明显的缺点。如在施工过程中容易产生较多的收缩裂缝，使得沥青路面因产生较多的反射裂缝而发生早期开裂破坏。这不仅使得路面从结构性破坏转化为功能性破坏，特别是雨水不断地沿裂缝处渗入，使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降 [1-2]。这不仅缩短了道路的使用寿命，增加了道路的维修费用，而且极大地影响了车辆的通行能力，给当地的经济和社会发展带来了较大影响。

固化剂能大大增加基层的抗裂性能[3-6]，本文采用河南洛阳路世丰土壤固化剂研发中心研制的一种高科剂土壤固化剂，这种新型的土壤固化剂可就地取材，通过对不同土壤的调整固化剂配比，即可达到水泥稳定土层效果。本文主要研究了添加固化剂对半刚性基层反射裂缝的影响，以达到改善路面性能，延长路面使用年限。

1 原材料性质及试验方法

1.1原材料性质

本研究水泥选用同力水泥有限公司标号为32.5的普遍硅酸盐水泥，其具体技术指标见表1 。石灰选用为当地生产的消石灰，其具体技术指标见表2 。

如图1所示，试验用土为新县-东双河公路段开采的低液限粘土；河砂的细度磨数为3.28，级配差，空隙率较大(比中、粗砂大10%-15%)，总表面积比中、粗砂大两倍，含泥量也较高。砂的颗粒分析见图2。

本研究固化剂选用的土壤固化剂分为两种：路丰1号（固体）和VS-100(液体) 土壤固化剂。路丰1号以硅酸盐水泥及其他活性材料为成分外，配入各种激发剂、保水剂和高分子聚合材料。VS-100(液体) 土壤固化剂通过化学反应和物理反应，改变土壤的电层和分子结构，它的分子链为三百分子一。呈十字状，从而增强土壤的板结，提高承载力和水稳定性。具有减少干缩裂缝、后期强度大的特点。

1.2试验方法

1.2.1 试验配比

本研究对比分析了原方案即水泥灰土稳定砂、掺固化剂水泥土稳定砂方案的路用性能。

① 水泥灰土稳定砂的混合料组成为：水泥:石灰:土:砂=6:4:26:64；

② 液体固化剂

在原信阳最佳配合比的基础上，每立方混合料掺加0.7kg液体固化剂，即0.7kg/m3，液体固化剂在混合料中的含量为0.034%。试验配合比取为水泥：土壤固化剂：土：河砂配合比配合比为：（1）5：0.034：27.4：67.6；（2）6：0.034：27：67（3）4：0.034：28：68。

③ 粉状固化剂

本试验使用固态固化剂的配合比为水泥：土壤固化剂：土：河砂配合比为（1）3：5：27：65；（2）3：6：26：65；（3）4：6：26：64。

1.2.2 试验方法

击实试验、无侧限抗压强度试验、劈裂试验、抗压回弹模量试验均按照《公路工程无机结合料稳定试验规程》（JTJ057—94）的规定进行[7]，试验所用试件

均按最大干密度95%成型，并按规程标准养生。其中抗压回弹模量试验采用承载板法。

由于半刚性基层材料的干缩试验目前还没有统一的试验规程。为此，本研究设计采用智能弦式数码应变计测定材料的干燥收缩，并给出了相应测试方法。本研究设计的干燥收缩仪器由四个部分组成，分别是：智能弦式数码应变计、表架、10cm10cm0.5cm的玻璃片及垫块组成，具体见照片1 。试验步骤：每组成型三根40mm40mm160mm小梁试件，静压成型，标准养护7天后，将试件竖立在垫块的玻璃片上，再取一块同样的玻璃片盖在试件的另一端，然后将表架上装有智能弦式数码应变计测头放在玻璃片的中心，将智能弦式数码应变计归零，而后每过24小时读数一次。

照片1 干燥收缩试验

2试验结果及分析

2.1 击实试验及强度试验结果及分析

水泥灰土稳定砂击实试验及不同龄期的抗压强度、劈裂强度试验结果见表3 。

由图3可知，在水泥用量要小的多的情况下，掺粉体固化剂的配比方案7d、28d、60d的无侧限抗压强度均比原方案要大，且后期强度仍有不小增长，而原方案的后期强度增加则不明显；掺液体固化剂三种方案的不同龄期的抗压强度均小于原方案的抗压强度。

由图4可知，掺粉体固化剂的方案其劈裂强度较大，满足基层强度要求的G-3方案与原方案相比28天劈裂强度增长了40%，60天劈裂强度增长32%，满足底基层强度要求的G-1方案与原方案相比28天劈裂强度增长了23%，60天劈裂强度增长16%；掺液体固化剂的28天劈裂强度均比原方案较小，只有G-5和G-6方案的60天劈裂强度比原方案较大，但增幅有限。所以，确定G-1和G-3是适用于该地区处理基层裂缝问题的材料配比方案。

2.2 模量试验结果及分析

刚度是材料变形对外力的敏感程度，能一定程度上反映半刚性材料的抗裂性。选择原方案和G-1、G-3方案三种配比进行28天和60天抗压回弹模量试验。试验数据见表4。

原方案的回弹模量为1324 MPa，掺固化剂的回弹模量为1434 MPa，添加固化剂的回弹模量只有不加固化剂的108.3%。

2.3 收缩试验

选择原方案、G-1和G-3 三种配比进行收缩试验，试验结果见图5。有图可知，前六天该三种方案干缩量均急剧增大，在六天后均趋于稳定。与原方案相比，G-1 和G-3 两种配比的最大干缩量均小，大约小37%。由此可知，掺固化剂的水泥灰土稳定砂干缩性能较好。

3 抗裂机理分析

在半刚性复合材料中，固化剂的作用是加筋、并承受荷载，基体的作用既承受荷载、提供强度，又保护和固定固化剂。在固化剂端头部分，以界面剪切的方式向固化剂传递荷载，特别是对于随机取向的短固化剂来讲，这种以界面剪切方式向固化剂传递荷载的方式就更为重要。养护60d进行了电镜扫描，电镜照片如图6 。对胶结界面做了能潽分析，如图7 。

图7 掺固化剂稳定砂能潽图

由于半刚性材料的胶结料对固化剂的粘结和加固作用，当受到外力作用时，半刚性材料和固化剂两相因要发生相对位移而产生摩擦，随机取向的固化剂发生弯曲及固化剂的交叉相联，提高了半刚性基层的抗弯拉强度。固化剂对半刚性基层干缩和温缩起到一定的限制作用，使混合料的整体收缩量变小，抗裂性能得到提高。

结论

① 在信阳公路建设中粉体固化剂可以部分替代水泥，其中水泥：土壤固化剂：土：河砂配合比3：5：27：65可作底基层使用；配比4：6：26：64可做基层使用。

② 掺加聚丙烯固化剂水泥灰土稳定砂具有较好的劈裂强度和良好抗收缩能力，具有良好应用前景。

参考文献

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黄维蓉,陈伟,刘大超. 固化剂稳定土路面基层材料的性能与应用研究.公路,2003,7:156-159

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周永祥.土壤加固技术及其发展[J].铁道科学与工程学报,2006(8):34-35.

JTJ 057-94,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].