使命召唤手游CBR4配件推荐

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AT固化剂固化低液限粉土的CBR特性与工程应用

摘 要：以某高速公路SY01段为依托，采用AT(Aluminum tripolyphosphate)固化剂(主要成分为磷酸硅、水玻璃和缩合磷酸铝)固化低液限粉土，研究了不同养护条件、AT固化剂掺量(水玻璃模数为2.5和3.3)及压实度等因素对固化低液限粉土CBR值的影响，通过扫描电镜(SEM)分析固化粉土强度形成微观机理，并通过路用性能试验进一步验证了AT固化剂改性效果。结果表明，固化低液限粉土的最大干密度与最佳含水率有规律地增加或递减，压实度和养护龄期对固化低液限粉土的CBR强度增长至关重要。96%压实度、养护28 d的试样，其5%AT固化剂掺量的CBR强度是0.5%、1%、2%、3%AT固化剂掺量试样的1.85倍、1.58倍、1.25倍、1.07倍。SEM微观结构分析结果发现，AT固化剂可产生胶结物质，与土颗粒胶结，使土体更为致密，且随着固化剂掺量增加，胶结物质也增加。从固化低液限粉土路基的现场试验得到，1%AT固化剂掺量下的固化低液限粉土路基压实度、弯沉值和CBR强度均满足规范中各级公路中上路床填筑要求。

关键词：AT固化剂;低液限粉土;CBR;压实度;现场试验;

基金：湖南省科技计划项目，项目编号2018TP2038;中交第四公路工程局有限公司项目，项目编号20190810000;

粉土中粉粒含量多，在工程建设中被认为是差的填筑材料，其低塑性、低强度、低饱和含水率等特性使其难以压实且CBR值低。因此，低液限粉土不能直接作为路基填料，如采用弃土换填等处理方式，弃土和借土过程都会对环境造成污染，同时增加工程建设成本。一部分地区严重缺土，而改良土壤可以减少对砂石材料的使用，降低工程造价，减少当地环境污染。早期研究主要集中在水泥、石灰等无机类土壤固化材料上[1,2]。如：施海健等[3]使用水泥改良粉土，得出林芝地区水泥改良粉土的最佳水泥掺量为4%;庹秋水等[4]发现，水泥能有效地提高固化土的黏聚力和内摩擦角。但传统固化材料[5]存在不同的缺陷。在环境问题日益突出的今天，寻找一种既能满足工程要求且对环境影响少的新型固化剂显得尤为重要。

黏结力高、来源广、价格低、无毒且污染少的水玻璃，非常利于绿色环保工程的建设。国内学者开展了水玻璃加固土的相关研究并取得了很好的效果[6]。其中：康靖宇等[7]发现，水玻璃能有效改良膨胀土；吴朱敏[8]通过试验表明，加热水玻璃生成的非晶质物相和凝胶薄膜促使了最可几孔径的减小和小孔隙的增多，将骨架颗粒黏结成为一个空间网状整体，从而改善黄土的强度；陈辉[9]发现，水玻璃、石灰、粉煤灰在提升盐渍土强度、增强土体胶结性能、抑制盐胀等方面具有良好的效果；程福周等[10]用水泥联合水玻璃共同固化淤泥土，发现水玻璃对水泥固化淤泥土的强度增长作用明显；陈永等[11]发现，三氯化铝与水玻璃反应后生成的硅凝胶能有效固化海砂；简文彬等[12]发现，水泥联合水玻璃能有效地固化软土，但水玻璃会因老化而强度降低。目前新型的处理方式如掺加传统固化剂或者直接对水玻璃进行改性，效果均不太理想，如氟硅酸盐等水玻璃固化剂更是对人体和环境有害。经研究发现，一种新型的高聚合度缩合磷酸铝能有效地改善水玻璃胶泥存在的缺陷，并且能大幅度地提高水玻璃胶泥的强度[13]。而且这种水玻璃固化剂在生产过程中无污染，贮存时间长，不会存在早凝及难凝等现象[14]。目前大多数加固方案还是以无机结合料为主，但不同的无机结合料却拥有各自不一样的缺陷。用石灰改良土壤，强度形成缓慢、干缩大、易软化、水稳定性差、抗冻稳定性差、早期强度低，并且其强度受掺量的限制很大，不能超过一定范围，不然改良土的强度不稳定。水泥改良土则受土壤种类的限制，对塑性系数高的黏土、有机土和盐渍土固化效果都很不理想，并且干缩较大。

针对存在的问题，本文以某高速公路SY01段为依托，以低液限粉土为研究对象，基于低液限粉土的特性，采用新型AT固化剂进行改良。该固化剂的主要成分为磷酸硅、水玻璃和缩合磷酸铝或三聚磷酸铝，利用其开展固化低液限粉土的CBR试验和SEM试验，并通过现场试验检测分析固化后低液限粉土在路基上路床的填筑效果。

某高速公路SY01段起讫桩号为K0+000～K205+830.329。本路段主要的不良地质为低液限粉土路段，特殊路基共3.47 km, 试验路段为K4+300～K5+900段、K6+500～K6+700段、K7+000～K7+500段、K7+762～K8+150段。该公路位于我国北方季节性冰冻地区，为减少冻融循环对季节性冻融区路基土壤的影响，本文采用新型AT固化剂对该地区低液限粉土进行固化处理。

对所取土样进行了比重试验、颗粒分析试验、界限含水率试验以及重型击实试验，其试验结果见表1,粉土的粒径分布见表2。参照《土的工程分类标准》( GB/T 50145—2020) 的规定，该试验用土定名为低液限粉土。

表1 低液限粉土的基本物理性质

表2 粉土的粒径分布

AT固化剂主要包括水玻璃、磷酸硅和缩合磷酸铝等主剂，还包括三乙醇胺、偏铝酸钠、多聚磷酸钠、聚醚改性硅油等催化剂，如图1所示。市面上常见的水玻璃模数为1～4,其中模数为2.0～3.5的水玻璃性价比是最高的。目前，国内生产的水玻璃模数主要在2.4～3.3之间。因此本文选用模数分别为2.5和3.3的水玻璃进行对比试验。

依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中T0131-1的重型击实试验方案进行击实试验，本文选用重型试验方法里面的Ⅱ-2方案。先通过素土击实试验，确定最佳含水率和最大干密度，并在最佳含水率下，由0.5%、1%、1.5%、2%、3%、5%的AT固化剂等质量代替水，拌和后进行击实试验，得出不同AT固化剂掺量条件下试样的最大干密度，并记录对应的最佳含水率。其最佳含水量包含固化剂掺入量。

图1 AT固化剂

根据《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)中T0131-1的方法制备CBR试样。首先将土样过0.5 mm筛，测定其风干含水率，然后按AT固化剂质量与土样质量的比值分别为0.5%、1%、1.5%、2%、3%、5%的比例进行制样。将制备好的试样置于室内通风干燥处，进行自然风干养护(本试验具体养护温度为25℃±3℃,湿度为70%±5%),养护时间分别为3 d、7 d和28 d。测定前按照规范要求浸水4昼夜(96 h),计算不同模数的AT固化剂(模数3.3和2.5)、不同压实度(94%、95%、96%、98%)等变量对固化低液限粉土CBR强度的影响。在进行土的压实过程中，压实度不同，压实功相同。具体试验方案，见表3。

表3 CBR试验方案

本次试验的试验器材为JEOL Ltd扫描电镜(如图2所示),规格型号为J-IT600LV,加速电压为0.3 kV～30 kV,显示倍数为5～300 000倍(以128 mm×96 mm作为显示尺寸规定放大倍率)。取掺量分别为0、5%、9%的AT固化剂制作试件，对试样表面进行镀金处理。试样制备方法是按照规范《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中圆柱体试件制作方法的规定进行，试样规格为ϕ50 mm×50 mm, 使用的模具为规格ϕ70 mm×130 mm的全钢模具。选取素土、AT固化剂固化土放大50倍后进行对比分析。

不同掺量AT固化剂固化低液限粉土的最佳含水率、最大干密度及击实曲线，如图3所示。

由图3可知，实测素土的最大干密度为1.873 g/cm3,最佳含水率为11.40%。掺入AT固化剂后，低液限粉土的最大干密度先增大后减小，而最佳含水率恰恰相反。且随AT固化剂掺量持续增加，AT固化剂固化低液限粉土的最大干密度由峰值逐渐减小，但最佳含水率未出现明显变化，可见AT固化剂掺量对低液限粉土的最佳含水率影响较小。

图2 JEOL Ltd扫描电镜

图3 不同AT固化剂掺量下低液限粉土的击实曲线

在不同水玻璃模数(2.5和3.3)、不同压实度(94%、95%、96%、98%)条件下，经AT固化剂固化的低液限粉土在未养护情况下直接浸水4昼夜的CBR试验结果，见图4和图5所示。

由图4与图5可知，随着AT固化剂掺量的增加，96%压实度以上的试样CBR强度上升明显；而当压实度低于96%时，AT固化剂掺量对试样CBR强度影响不大。1%、2%、3%、5%掺量AT固化剂(模数为2.5)的试样在98%压实度条件下CBR值分别是96%压实度试样的1.392倍、1.42倍、1.31倍、1.28倍；当压实度为96%时，1%、2%、3%、5%掺量AT固化剂(模数为2.5)的试样CBR强度分别是0.5%掺量AT固化剂(模数为2.5)试样的1.2倍、1.28倍、1.36倍、1.64倍，说明压实度与AT固化剂掺量对固化低液限粉土试样的CBR强度增长至关重要。

图4 未养护条件下低液限粉土CBR值随AT固化剂掺量(模数为2.5)与压实度的变化

图5 未养护条件下低液限粉土CBR值随AT固化剂掺量(模数为3.3)与压实度的变化

未经养护条件下，在96%压实度以上的CBR试样，随着AT固化剂掺量的增加，AT固化剂模数为2.5的试样的CBR强度比AT固化剂模数为3.3的试样增长速度更快。

从AT固化剂固化低液限粉土的基本机理可知，AT固化剂是通过脱水结晶的凝胶物质填充土颗粒之间的空隙而使土体处于密实的状态，进而提高土体的强度与稳定性。如果土体没能达到一种相对致密的状态，即土颗粒之间的空隙越大，则在泡水过程中，水分子更容易沿着土颗粒之间疏松的空隙进入到土体内部。水分子一方面稀释了AT固化剂，使其难以形成凝胶或者形成的凝胶强度降低；另一方面水分子会带走土体中一些小颗粒，使土颗粒间的空隙逐渐增大，使土体更加疏松，失去抵抗水侵蚀的能力，进而强度降低。

由图6～图8可知，模数为2.5与3.3的AT固化剂对试样CBR强度影响效果不同。例如：模数为2.5、96%压实度与1%掺量AT固化剂试样的CBR强度在经过3 d、7 d和28 d养护后，分别是模数为3.3、同压实度、同掺量AT固化剂试样的0.975倍、1.014倍、1.111倍；且模数为2.5的试样在0.5%～3%固化剂掺量时CBR强度要比AT固化剂模数为3.3试样CBR强度增长速度快。结合3.2节结果分析，可得AT固化剂模数为2.5的试样更加优良。

图6 固化低液限粉土在养护3 d条件下CBR值随掺量的变化

图7 固化低液限粉土在养护7 d条件下CBR值随掺量的变化

在压实度高于96%时，试样的CBR强度随养护龄期的增长而不断增大。以96%压实度下3%掺量的AT固化剂固化低液限粉土为例，在养护28 d后，试样的CBR强度分别为养护7 d、3 d、0 d时的1.2倍、2.34倍和3.25倍。

随着养护时间的增加，AT固化剂(模数2.5)固化低液限粉土具有更高的CBR强度，这是由于在硅凝胶中，Na+离子的存在能使其基本离子细化，粒子间存在着表面联结和桥联结二种黏结机理。而由纯硅酸构成的硅凝胶一般粒子比较粗大，粒子间仅有表面联结，没有桥联结，所以联结强度较含钠硅凝胶低。

由图9可以看出，素土中土颗粒之间的胶结物比AT固化剂固化土少，土颗粒之间的密实度较差，大部分土颗粒是松散的，土颗粒之间还存在很多较大的空隙；在5%AT固化剂固化土的图像中，土颗粒已经与胶结物质联结成片，结构整体性良好，并随着AT固化剂掺量的增大(9%),颗粒之间的胶结物质相应增多，絮状结构更为明显，土样也更为密实，单个的土颗粒越来越少，胶结物质的面积越来越大，并且很多颗粒边缘已经模糊，颗粒之间已无明确界限，小颗粒被黏结成大颗粒，大颗粒由胶结物质连接在一起，土体更致密。

图8 固化低液限粉土在养护28 d条件下CBR值随掺量的变化

从图10(b)、图10(c)可以看出，在土颗粒表面和土颗粒之间呈白色条带状分布的是硅酸凝胶、二氧化硅类和氧化钠类物质，其中起胶结作用的矿物主要为硅酸凝胶类。胶结物质不仅能够一定程度上保存大颗粒上剥落的破碎物质，并且能够填补小颗粒破碎而形成的空隙。胶结界面随着AT固化剂掺量的增加越来越不明显，所以固化剂在一定程度上能够有效提高土体的完整度和耐久性。

图9 放大50倍后的电镜图像

图10 放大1 000倍后的电镜图像

由《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)可知，当填料CBR<8%时，无法满足高速公路和一级公路上路床的填筑要求。表4为路床填料最小CBR要求。1%掺量下AT固化剂(模数2.5)固化低液限粉土(图11)在96%的压实度下，养护3 d时，其CBR强度为18%;养护28 d后，其CBR强度能达50%以上。两者远大于规范中高速公路和一级公路上路床CBR≥8%的要求。掺量为1%的AT固化剂能有效地提高固化低液限粉土的水稳定性，并且能够起到上路床填筑封水的作用，含水量在最佳含水率±2%范围内能满足规范中CBR≥8%的要求，因此采用掺量为1%的AT固化剂开展现场试验。

表4 路床填料最小CBR要求

图11 不同养护条件下1%掺量AT固化剂(模数2.5) 固化低液限粉土压实度与CBR关系

施工工艺流程为：人工布料→路拌机拌和→平地机整平→压路机压实→覆盖防渗土工布养生。

按1%掺量下AT固化剂(模数2.5)固化低液限粉土对试验路段进行改良，养护7 d后对试验路段的关键指标进行检测。为了试验的准确性，本次研究用的试验用土分别取自5个不同的取土场。

压实度是路基施工质量检测的关键指标之一，表征现场压实后的密度状况。本试验路段的压实度检测方法采用灌砂法，按8个/2 000 m2的测点布置要求对试验路段进行检测，试验结果见表5。

表5 压实度试验结果

由表5可知：压实度最小值为96.9%,平均值为97.48%,均大于压实度规定值(96%)。故说明1%掺量AT固化剂低液限粉土经过现场压实后，其压实度符合规定要求，且经过压实后的土路基CBR强度可随着养护时间的增长而增大。

双车道弯沉检测的测点数大于40个/km, 检测值不大于设计弯沉要求值时则满足设计要求。设计弯沉值为232.9(0.01 mm),K4+690～K6+800具体检测结果见表6。

表6 弯沉检测数据

由表6可知，平均弯沉值为63.83(0.01 mm),远小于设计弯沉值；标准差为49.11,故可知弯沉值小于112.94(0.01 mm)的测点占样本数量中绝大多数；代表值为162.05(0.01 mm),则所有样本弯沉值均小于162.05(0.01 mm)。由以上分析数据可知：样本弯沉检测值均小于232.9(0.01 mm),满足设计要求，且大多数样本点回弹弯沉值较小。可见，1%掺量的AT固化剂高液限粉土的抗垂直变形能力得到提升。

从表5、表6可以看出，各项目的检测结果均能满足设计要求，表明1%掺量下的AT固化剂(模数2.5)固化低液限粉土在养护7 d后能够满足规范中对高速公路、一级公路路基上路床的要求。

(1)AT固化剂固化低液限粉土的最大干密度与最佳含水率呈现出有规律的变化，符合固化低液限粉土的变化规律。通过对压实度、水玻璃模数、掺量、养护时间等影响因素作用下固化低液限粉土CBR强度进行研究，得出模数2.5的AT固化剂固化低液限粉土性能更优。

(2)固化低液限粉土的CBR强度随压实度、养护时间的提高而提高。压实度越高，土颗粒间空隙越小，在凝胶物质填充空隙后，土体的强度和稳定性更优。养护7 d、96%压实度试样，5%掺量AT固化剂(模数为2.5)试样CBR强度是0.5%、1%、2%、3%掺量试样的1.58倍、1.39倍、1.48倍和1.19倍。

(3)SEM试验得出AT固化剂能产生凝胶物质，土体颗粒与胶结物质黏结，使土样颗粒更致密。而且随着AT固化剂掺量增加，颗粒之间的胶结物质含量也随之增多，土颗粒与胶结物质相互连接更为紧密，土体整体性更加良好。这是导致土体CBR强度增长的重要原因。

(4)现场对试验路段路基上路床的检测结果表明，1%掺量AT固化剂低液限粉土压实度、弯沉值满足规范设计要求，路基强度与抗垂直变形能力较高，表明采用新型AT固化剂对该高速公路SY01段低液限粉土进行固化处理是切实有效的。

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