黄结友,谢 军,汤 浦,陈 焱,仲 正

（1.江西省公路学会,江西 南昌 330008; 2.江西路道环保科技有限公司,江西 南昌 330099）

0 引言

我国经济社会发展迅速，带动了国内基建工程的发展，到2022 年末全国公路总里程达到534.65 万公里[1]。公路基础设施建设已经进入一个全新的发展阶段。然而公路建设保持高速发展的同时，所面临的路面病害问题也不容忽视。大量研究数据及使用经验表明，水是造成路面早期病害的一个重要因素。例如在多雨及季节性冰冻地区，若路面上的雨水或冰雪融水无法及时排出而渗入结构层，容易损害路面结构强度及刚度；若路面被雨水长期浸泡，则会进一步加重病害。为此，需要研究一种新型的土壤固化技术，让公路基层能够满足要求。

伴随着“海绵型”城市建设对公路建设要求的不断提高，传统的公路基层处理方法已经难以满足要求。长期治理过程中，随着“海绵型”城市建设理念的推广，透水路面的应用越发受到广泛重视。其特有的功能性能够在充分利用现有土地资源的情况下，最大限度地实现对城市道路的雨水进行及时有效渗透、汇集，使得道路内部结构保持“干燥”，让公路会“呼吸”。接下来就介绍了一种蓄水型土壤固化技术，该技术具有良好的固化作用，并且能有效满足“海绵型”城市建设的高要求。

1 研究方法及目标

（1）通过查阅现有技术规范，明确需要达到的设计指标及试验检测方法。

（2）根据选定的原材料，通过试验选取最佳配合比。

（3）鉴于空隙的形成机理，在确定固化土配合比的前提下，通过改变压实度控制混合料空隙率，验证常见压实度条件下混合料各项性能是否稳定满足道路基层的各项检测指标要求。

（4）展望蓄水型固化技术在公路基层以外的应用前景。

2 具体研究内容

2.1 蓄水型固化土设计指标研究

蓄水型固化土的材料组成设计时必须同时满足水力性能和力学强度两个指标。表征该材料水力性能的有效指标是有效空隙率；而基层材料的力学指标包含7 d 无侧限抗压强度、水稳定性系数以及28 d 养护试块冻融5 次残留抗压强度比。

考虑到实用性，该研究将分别对90%压实度和95%压实度成型的蓄水型固化土材料进行水力性能和力学强度分析，验证其是否能够达到设计指标要求。

2.1.1 水力性能指标

蓄水型固化土作为半刚性基层路面的透水基层，其主要的功能就是使渗入路面结构内的水分能够在每一次降水过程之后在一定时间内排除，同时在非雨季时对雨水进行一定程度的储存，缓解城市“热岛效应”，而实现上述功能要求渗水混合料具备一定的空隙率。当前规范尚未对用作路面透水层时水稳碎石的空隙率做出明确要求，仅在研究层面，当控制水稳碎石排水基层空隙率范围为15%~25%时，通过正交化群方法，得出路面透水表层形成连通空隙的临界空隙率为17.22%[2]这一结论，透过面层进入基层的水已大量减少，因此相应的空隙率要求也应该随之降低。空隙率空隙分为连通空隙、半连通空隙和封闭空隙3 种。仅从排水角度讲，起作用的是连通空隙，而半连通空隙中的水相对停滞，对排水作用不大，但是对于蓄水来说是有效的。因此，对于蓄水型固化土，考虑其整体空隙率意义不大，仅需考虑由连通空隙及半连通空隙组成的有效空隙率即可，它的测量可通过混合料吸水量进行反推。

由于混合料的被稳定材料试件表面光滑，可直接测得试件体积。因此有效空隙率可按下式计算：

式中，ne——试件的有效空隙率（%）；∆m——试件吸水后质量变化量（g）；V——试件毛体积（cm3）；γw——水的密度（g/cm3）。

2.1.2 力学强度指标

蓄水型固化土材料在组成上不仅应该满足其透水、蓄水的功能，由于它在路面结构中担当着承上启下的作用，并且要承受荷载的作用，因此，应在保证渗透性的前提下满足力学强度的要求。另一方面，当面层渗入水以后，在车辆荷载作用下还要承受动水压力以及冻融循环作用。因此混合料应具有良好的无侧限抗压强度、劈裂强度、水稳定性及抗冻性能等物理力学性质。

（1）蓄水型固化土7 d 无侧限抗压强度。当前规范尚未有针对蓄水型固化土排水路面基层强度做出明确要求。参考现有固化土相关规范《T/CHTS10103—2023》对一般固化土路面基层的强度要求，考虑到排水基层内部存在空隙，强度受此影响必然有所降低，因此选取蓄水型固化土7 d 无侧限抗压强度≥2 MPa，该指标可满足中、轻交通等级路面基层要求。

该课题7 d 无侧限抗压强度试验方法参照现行《公路工程无机结合稳定材料试验规程》（JTG E51）中T 0805的方法执行。

（2）蓄水型固化土水稳定性。该研究采用的控制指标为水稳定性系数，综合参考国内固化土材料相关规范以及考虑内部空隙将会导致的水稳定性下降，要求水稳定性系数≥75%。具体试验检测方法如下：

同一配比的稳定土制备12 个无侧限抗压强度标准试件，6 个一组，共两组。

一组试件采用标准养生龄期7 d，其中养生龄期最后一天浸于（20±2）℃的水中（饱水试验），另一组采用标准养生7 d 龄期（不浸水）。

对上述两组试件分别开展无侧限抗压强度试验，并通过式（2）计算稳定土的水稳定性系数。

式中，WSC——水稳定性系数（%）；——未浸水试件的无侧限抗压强度（MPa）；——浸水试件的无侧限抗压强度（MPa）。

（3）蓄水型固化土抗冻性能。蓄水型固化土基层材料可能会长期处于潮湿状态，那么其抗冻性能会在很大程度上影响结构层的耐久性能。在季节性冰冻地区，这一性能尤为重要。目前规范尚未对蓄水型固化土排水基层的抗冻性能做出明确规定。该研究采用的控制指标为28 d 养护试块冻融5 次残留抗压强度比，综合参考国内固化土材料相关规范，确定其数值为75%。

该课题抗冻性能试验方式参照现行《公路工程无机结合稳定材料试验规程》（JTG E51）中T 0858 的方法。

2.2 蓄水型固化土配合比设计及试验结果

2.2.1 原材料技术要求

（1）固化剂：

①无机类固化剂。无机类土壤固化剂即由无机化合物制成的一类化学物质，如常见的水泥、石灰等。其原理主要为固化剂与土颗粒中的自由水发生水解、水化反应，通过生成Ca(OH)2、CaCO3等胶结物，将土体中自由水固定为结晶水。黏土质矿物失水后本身存在一定硬化强度，加之胶结物的黏结、空隙填充作用，改良素土工程性能。

②有机类固化剂。有机类土壤固化剂的分子量较大，自然条件下一般呈液态。该类固化剂固化机理多基于物理形式，并非对土颗粒进行改造，而是利用高分子单体发生聚合反应，在土壤内部形成网状的三维支撑结构，又通过水解、电离等反应产生带电基团，这些基团与土壤中的带电粒子连接，将土颗粒黏结成板块，提高土体强度。

③离子类固化剂。离子类固化剂其主要成分为一种或多种离子化合物，常见的包括钙离子、铝离子、铁离子等。这些离子可使土体内部自由水中的电荷与土粒表面电荷充分交换，压缩土颗粒表面的双电层厚度，同时减少土体内部间隙的毛细管作用，从而改变土壤性质，由“亲水性”变为“憎水性”，再通过机械压实形成一种高密度的新型土壤结构，提高具体强度。

该课题选用的SRR-W 蓄水型固化剂，它以高分子聚合物类固化剂为基础，添加水分散环氧齐聚物以提高强度；添加多元醇化合物平衡土体电荷需求，使混合料呈“憎水”性，减弱水与材料的黏滞性，提高渗透系数；添加发泡剂，使材料内部形成均匀的联通空隙，实现透水－蓄水性能。

（2）水泥。混合料的拌和、运输、摊铺以及碾压，整个流程一般不少于2 h，因此在选用水泥时，应选用终凝时间较长的水泥种类；由于固化剂的固化机理，需选用硅酸盐水泥，并满足以下要求：

①水泥初凝时间应大于2 h，终凝时间应在6~10 h。

②水泥的其余技术要求应符合现行《通用硅酸盐水泥》（GB175）的有关规定。

该课题所采用的水泥为海螺牌425 水泥。

（3）被稳定材料。该课题被稳定材料为细粒土，无需进行级配研究。参考《高聚物稳定细粒土基层施工技术指南》（T/CHTS 10102—2022）中对被稳定材料的技术要求，该课题选用的是塑性指数大于17 的细粒土。

（4）石灰。石灰在蓄水型固化土材料中的作用不为增加材料强度或稳定性等性能，而是当被稳定材料塑性指数＞17 时，需通过闷灰进行钙化处理，使水泥、固化剂和被稳定材料能均匀拌和。

该课题所采用的石灰为粒径不大于9.5 mm 的Ⅱ级石灰。

2.2.2 配合比设计

（1）初步配合比设计。不考虑压实度影响的前提下，配合比的选取可参照《高聚物稳定细粒土基层施工技术指南》（T/CHTS 10102—2022）技术要求进行，具体如下：

无机结合料剂量和固化剂掺量可参照下表规定的范围选取，且不宜少于5 个无机结合料剂量和2 个固化剂掺量。

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51）中T 0804 击实试验方法，确定最大、中间和最小2个无机结合料剂量条件下混合料的最大干密度和最佳含水率，其他两种无机结合料剂量的最佳含水率根据内插法确定。

固化剂的添加对含水率的影响非常小，因此，在确定最大干密度和最佳含水率时不考虑添加固化剂。

根据最佳含水率、最大干密度及压实度要求成型标准试件，测定不同无机结合料剂量和固化剂掺量条件下混合料的7 d 无侧限抗压强度，确定满足设计要求的无机结合料剂量和固化剂掺量。

对于满足强度要求的混合料试件应开展水稳定性和抗冻性能试验；当所有试件不满足要求时，应调整配合比重新试验。

配合比设计流程如图1。

图1 配合比设计流程图

根据所选原料及配合比设计流程，确定研究的最佳设计配合比为表1。

表1 最佳设计配合比

（2）压实度影响。根据《高聚物稳定细粒土基层施工技术指南》（T/CHTS 10102—2022），固化土基层压实度要求一般在90%~95%之间，选取90%及95%两个压实度下成型的试件分别进行水力性能和力学强度性能的研究，得到以下试验结果，如表2~3：

表2 90%压实度

表3 95%压实度

3 结语

通过试验室大量试验数据及现场施工工况，在规范的压实度条件下蓄水型固化土力学强度均能满足公路基层设计值，且均具备较好的蓄水性能，蓄水性能的大小随压实度增大而降低。通过上文的分析就蓄水型土壤固化技术检测标准的设定进行了优化，可以为相关检测提供依据。同时，还提出了一套配合比方案，通过验证，该方案能够满足公路排水基层的应用要求。蓄水型土壤固化技术不仅可用于排水路面基层、护坡、停车场、公园等城市建设方面，在防尘治沙、固土培植等领域更有着巨大的潜在市场。