4复合固结土路面基层材料经济技术分析

复合固结土路面基层材料经济技术分析

吉林省松原市公路工程试验检测中心 刘全忠 吉林省公路重点工程建设管理办公室 张炳涛

复合固结土路面基层材料是指以细粒土为基本材料，用土质固化剂和路面基层胶结材料按一定比例与土均匀掺配而形成的、能够满足路用技术指标要求的路面基层混合材料。复合固结土路面基层材料研究的目的是解决无砂石、水泥、石灰等常规筑路材料地区或筑路材料开采受限制地区的公路建设周期长、造价高等问题，以人工合成材料替代传统筑路材料，将分布广泛的细粒土土作为主要的路面基层材料，实现公路建设就地取材，提高工程质量，降低工程造价，节省资源和能源，保护生态环境，使公路建设不受资源、生态、环保的影响，从而改变因大量开采和生产传统筑路材料而造成的环境污染和生态破坏的现状，为未来公路可持续发展提供了宝贵的技术储备。

自1998年以来，课题组经过七年多不懈的探索和研究，进行了大量的室内外试验，在不同等级公路的基层和底基层修筑试验路32kin(含17个整层试槽)，推广应用达132．8km，经实际观测和跟踪测定，其无侧限抗压强度、抗弯拉强度、抗压回弹模量等主要力学指标和水稳定性、冻稳定性、抗收缩性能等主要路用技术指标达到或超过传统路面基层材料，取得较好的经济效益和社会效益，总结了大量的理论数据和实践经验。如今，这项技术以其技术指标优良、造价低、施工方便、生态环保等优点正逐渐被专家和业内人士接受和认可。 1 复合固结土路面基层材料的技术指标

对不同土质、不同固化剂、不同胶结材料、不同配合比、不同压实度、不同龄期的复合固结土无侧限抗压强度进行了大量的室内对比试验，从而选定路用性能优良的固化剂，确定最佳配合比。在此基础上进行抗压回弹模量、抗弯拉(劈裂)强度、冻稳定性、水稳定性和收缩性能的试验，进而提出复合固结土路面基层材料的各项技术参数和指标。 1．1 固化剂的选择确定

我们对国内外八种土质固化剂资料进行了多次分析和对比，选择了三种固化剂，即：中路I号(以下图表中称ZL—I，中国)、EN—I (美国)和ISS(澳大利亚)做进一步的试验研究，选用前郭县腰围子土场的土(Ip=13．2)，双阳产的Ⅲ级消石灰，按相同配合比、93％的压实度标准成件，进行无侧限抗压强度比较，试验结果详见表I，图I：

以上试验数据说明：采用中路I号土质固化剂的复合固结土抗压强度较EN—1和ISS都高，且在剂量为0．02％时抗压强度出现峰值，说明其有最佳用量。而采用ISS固化剂的复合固结土7d无侧限抗压强度较低，不能满足现行规范指标要求，且后期(28d)强度增长幅度较小；采用EN—1固化剂的复合固结上虽然7d无侧限抗压强度满足规范要求，但从曲线可以看出，其强度增长的幅度较中路I号小。通过对掺加三种固化剂的复合固结土抗压强度

试验结果的分析，我们认为中路I号固化剂的技术指标优于EN—1和ISS；在经济对比中，这三种固化剂价格差异很大，EN—1、ISS两种进口产品价格明显高于国产的中路I号，其中EN—1的价格是中路I号价格的2．0倍，而ISS的售价达到中路I号的2．5倍。另外，中路I号固化剂是我国自行另开发研制的产品，可以按照不同使用要求调整配方，使其更具有推广应用前景。因此，我们最终选择中路1号固化剂作为主要研究对象。 1．2 复合固结土试件力学性能试验结果分析 1．2．1 无侧限抗压强度试验结果分析

抗压强度是表征路面结构层力学性能的主要指标，也是应用价值的最重要的衡量标准。为此，对不同土质的无侧限抗压强度进行了大量试验。这里以吉林省松原地区有代表性的低液限粉土为例，介绍其各种技术指标。所用材料分别是：土质固化剂为中路1号；固化剂，土为乾安县黄土岗土场的低液限粉土(1p二9．8)，三种胶结材料为：石灰一双阳产Ⅲ级消石灰，水泥一双阳产普通硅酸盐水 泥(32．5级)，WSL一路面基层稳定剂(WSL)是松原白行研制的以粉煤灰为主要原材料的 路面基层胶结材料)。采用不同配合比进行不 同龄期的无侧限抗压强度试验，试件压实度为98％，最长龄期为1年，其中配合比为石灰：土+固化剂=6：94+0．02％的180d龄期的无侧限抗压强度为9．4MPa，1年龄期的抗压强度为16．2MPa；配合比为水泥：土+固化剂=6：94+0．02％的1年龄期的无侧限抗压强度为22．0MPa。具体试验结果见表2—表4、图2～图4

上述数据表明，复合固结土路面基层材料具有以下特点：

(1)同石灰稳定类、二灰稳定类等无机结合料半刚性基层材料相比，复合固结土试件初期抗压强度高，石灰类复合固结土7d无侧限抗压强度在1．OMPa以上(现行规范中要求石灰土、二灰土的强度指标为0．8MPa)，且后期强度提高快，28d抗压强度达到或超过石灰土90d抗压强度，水泥类复合固结土的 7d抗压强度在1．5MPa以上，WSL类复合固结土7d抗压强度在1．3MPa以上。

(2)同一种配合比，在标准养生条件下，随着龄期增加，抗压强度逐渐提高，且延续时间很久，1年龄期的抗压强度相当于7d龄期的7—12倍。

(3)在胶结材料掺量一定的情况下，随着固化剂含量增加，强度会有所提高，但根据试验数据显示，固化剂和胶结材料在最佳比例范围内，混合料的强度较高，通过试验分析得出，中路1号固化剂与胶结材料(即石灰、水泥、WSL)的比例为l：200～400时，混合料的强度效果最佳。

(4)根据无侧限抗压强度试验结果，不同配合比的复合同结土可用于不同等级公路的基层、底基层。如水泥类复合固结土(水泥：土=6：94中路I号固化剂掺量0．02％)的初期(7d)强度为2．8 MPa，接近水泥稳定砂砾(3．0MPa)，后期强度达到甚至超过水稳砂砾，因此可用于二级以上公路的基层，，

(5)通过试验发现，影响复合固结土强度的主要因素除了原材料、配合比及养生条件外，压实度也是一个重要影响因素。为此，采用同种材料、同种配合比、在同条件下对试件压实

度不同的复合固结土进行尤侧限抗压强度试验。试验结果见表5、图5

以上试验可以看出，随着压实度的提高，复合固结土的抗压强度会明显提高，尤其是在压实度达到95％以上，28d抗压强度提高的幅度更大。 1．2．2 抗弯拉(劈裂)强度试验结果分析

复合固结土作为新型半刚性基层材料，为了满足使用性能要求，适应重型车及交通量与日俱增的需要，不仅要具有较高的抗压强度和良好的整体性，而且必须具有很高的抗弯拉能力。为此对不同配合比的复合固结土进行了抗弯拉(劈裂)试验，水泥类复合固结土龄期为90d，石灰类复合固结土龄期为 180d，其试验结果见表6。

不同胶结材料的复合固结土试件抗弯拉强度不同，在石灰类复合固结土和水泥类复合固结土之间比较，水泥类复合固结土的抗弯拉强度高，在0.49Mpa-0.69Mpa之间，石灰类复合固结土相对要低，在0.45Mpa-0.52Mpa之间，但都比目前常规使用的水泥砂砾高，接近二灰碎石。可见复合固结土半刚性基层的抗弯拉性能很好。

1．2．3 抗压回弹模量试验结果分析

半刚性基层的抗压回弹模量是表征刚度特性的一种指标，也是路面厚度计算中重要的参数。因此，对不同配合比的复合固结土进行了抗压回弹模量试验，试件龄期同劈裂强度要求(1．2．2)。其试验结果见表7

石灰类复合固结土基层的回弹模量达到1100—1300MPa，是细粒灰土类半刚性基层材料的1．25-2．0倍；水泥类复合固结土的回弹模量值达到1300—1600MPa，是目前常用的细粒土半刚性基层材料中抗压回弹模量较高的一种新材料，接近半刚性基层材料二灰碎石、水泥砂砾的抗压回弹模量值。

1．3 复合固结十冻稳定性试验结果分析

东北地区属季节性冰冻区，冬季气温低，持续时间长，所产生的各种冻害危及道路使用寿命。为了有效减轻道路破损，要求路面基层材料具有良好的抗冻性能。冻融循环试验中耐冻指数是路面基层材料抗冻性能的重要指标。

冻融试验通常是将?昆合料试件浸水24h后，放在—20oC±2 o C的环境中冻24h，取出后再放到20 o C±2 o C相对湿度95％以上养生室中融化24h，此为一个冻融循环。通过冻融循环试验衡量材料的抗冻性能。不同配合比、不同龄期的复合固结土冻融循环试验结果见表8

表内数据显示，石灰类复合固结上28d龄期5次冻融循环的耐冻指数在0.51-0.64之间，90d龄期10次冻融循环的耐冻指数在0．26～0．32之间；水泥类复合固结土28d龄期5次冻融循环的耐冻指数在0．66—0．81之间，90d龄期10次冻融循环耐冻指数在0．33—0．42之间。复合固结土同二灰碎石和二灰土相比，冻融后强度损失较大，但由于该材料自身条件好，抗压强度高，虽然经过多次冻融，其剩余抗压强度仍然较高，与二灰土持平，而水泥类复合固结土却比二灰碎石还高，因此完全可以满足路用性能要求。

另外，在饱水的情况下—20℃时冻结，这种道路的不利条件通常情况下是不存在的。 I.4复合固结土水稳定性试验结果分析

选择有代表性的复合固结土试件6组进行不同龄期的水稳定性试验。水稳定性系数是以不同龄期饱水抗压强度与干抗压强度的比值表示，用以表征水稳定性，系数越大，则水稳定性越好。具体试验结果见表9。

以上数据可以看出，掺加固化剂后可以人大提高水稳定性。同时，随着试件龄期的增长，水稳定性系数逐渐增人，即水稳定性就越好，水泥类复合固结土的水稳定性要好于石灰类复合固结土。另外，我们对室内试验试件及试验路取芯试件进行了180d和1年的浸水观测，未发现散解现象，且强度损失较小，因此，复合固结土具有较好的水稳定性。

I．5 复合固结土低温收缩试验结果分析

温度收缩试验土要是对比不同配合比的复合固结土基层材料在各级负温度作用卜的收缩状态，以评价不同配合比复合固结土基层材料的抗冻裂效果。本课题选择了几组有代表性的配合比进行低温收缩试验，试验结果如表10。

从上表可以看出，复合固结土混合料在低温(0℃以下)状态下，以收缩为主，其温度收缩系数与水泥稳定砂砾、二灰碎石、石灰土、二灰土的温度收缩系数的数量级是一致的，而复合固结土混合料温度收缩系数的绝对值比石灰土、二灰土小很多，与水泥稳定砂砾、二灰碎石相当，因此，复合固结土混合料基层抗冻裂效果较好。 1．6 复合固结土机理分析 通过大量的室内、外试验的数据证明，复合固结土的技术指标和路用性能是十分优越的。但是，能否长期稳定、耐久是这项技术的关键。由于公路使用周期长，并且处在大自然环境中，因此仅靠短期的对试验路的观察还不够，需要通过研究共内部主要矿物含量的变化、晶体形貌的变化和微观结构的变化来分析共稳定性和耐久性。为此，我们委托中国建筑材料科学研究院，对ZL—1(中路1号)土质固化剂固化机理进行了机理分析。研究采用对试件进行岩相分析、电镜扫描、X射线衍射、热重与差热分析等方法。得出的结论是：中路1号土质固化剂对石灰(或水泥等)土具有较好的固化作用，他们相互作用，相互促进，能形成较致密的、水稳性好的、较高强度和稳定耐久的结构。

根据室内试验和试验路实际观测，在经济合理、技术可行的基础上，对复合固结土主要技术指标和设计参数进行综合比较，其技术指标和设计参数如下： (1)复合固结土最佳配合比： 胶结材料：4％—6％

土质固化剂：0．01％—0．03％

配合比中的胶结材料包括石灰、水泥及 WSL路面基层稳定剂等；土包括粉质土、粘质土和砂性土，其中砂性土只适用与水泥或 WSL路面基层稳定剂复合。

(2)复合固结土7d无侧限抗压强度

石灰类复合固结土为：≥1．OMPa 水泥类复合固结土为：≥1．5MPa WSI，类复合固结土为：≥1．3MPa (3)复合固结土基层间接抗弯拉强度

石灰类复合固结土为：0．45—0．52MPa

水泥类复合固结土为：0．49—0．69MPa (4)复合固结土基层抗压回弹模量值 石灰类复合固结土为：1100—1300MPa 水泥类复合固结土为：1300—1600MPa

几年来，做了大量的室内试验，不仅对各种原材料进行了物理性质和化学成份分析，同时对各种混合料也进行了比较系统、全面的试验，对不同土组、多种配合比进行了试验，对每一种配合比都进行了不同龄期的有关试验，取得了理想的效果，为复合固结土路面基层技

术的深入研究和推广应用奠定了理论基础。

2 经济效益分析

面对公路建设快速发展，总量和技术水平仍需显著提高，与建设资金不足、筑路材料严重匮乏等突出矛盾，课题组以分布广泛的细粒土为基本材料，确定了“复合固结土”作为路面基层材料的研究课题，并取得了一定的成效。这项技术的推广应用及其产业经营，必将带来显著的经济效益和社会效益，对推动公路建设和发展具有重大而深远的社会意义。 2．1 复合固结土替代传统筑路材料作为路面基层能够满足路用性能要求，并可大幅度降低工程成本。

通过大量的室内试验和对修筑的试验路进行观测和跟踪测定，验证了复合固结土路面基层路用性能和主要技术指标均满足国家和行业的规程、规范及技术标准要求，可以替代我国近年来广泛采用的二灰碎石和水泥稳定砂砾等路面基层材料。以100m材料来比较其材料费(到松原市乾安工地价)见表11。

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注：1．各种材料单价：石灰220元／t(包括消解及二次运输)；水泥350元／t；粉煤灰45元/t;碎石92元／m3；砂砾70元／m3；土5元／m3；中路I号固化剂80000元／t. 2．各种混合料的最大于密度：二灰碎石为2．10g／cm3；水泥稳定砂砾为2．25g

／cm3；水泥类复合固结土为1．90g／cm3：石灰类复合固结土为1．88g／cm3。

由上述数据可以看出，水泥类复合固结土替代二灰碎石(或水泥稳定砂砾)仅材料费可节约36．8％(或35．8％)，石灰类复合固结土可节约49．7％(或48．9％)。另外，复合固结土施工工艺简单，不需要添置大型专用机械设备。由此可见复合固结土作为路面基层材料能够大大降低工程造价，从而获得显著的直接经济效益，并有利于推广应用。 2．2 节省料场临时用地

以二级公路为例，每公里公路料场占地约2亩左右，基层材料占用地费用约6，000元(其费用包括补偿费、测绘费、征地管理费、复垦费等)。采用复合固结土路面基层结构可以减少堆放石灰用地的一半以上，节省粉煤灰和水泥及碎石或砂砾的堆放用地，减轻了因堆放材料(尤其石灰)而造成的土地板结、无法复垦的现状，减少土地浪费，从而产生巨大的经济效益和环境效益。

2．3 复合固结土路面基层具有良好的路用性能，能显著提高路面的耐久性

结合东北地区季节性冰冻的特点，对复合固结上的抗冻性、抗收缩性进行了重点研究。试验研究表明，复合固结土抗冻性与二灰碎石相近，同时表现出良好的低温抗裂效果，尤其是对2001年修筑的10段复合固结土基层试验路段观测表明，实测的开裂率为50—110m／1000m2，平均裂缝间距为9—20m，而对比的石灰土路段开裂率达200m／1000m2以上，平均裂缝间距仅为4—5m，由此可见，复合固结土具有优良的抗冻裂性能。这些良好的路用性能，说明复合固结土路面基层具有很好的耐久性，通过延长道路使用寿命和减少养护费将获

得显著的经济效益和社会效益。

2．4 复合固结土良好的水稳定性可以大幅度降低路基高度，从而大大降低工程造价

通过在乾安县县道所严线的应用结果，证明复合固结土水稳定性好，较传统石灰土基层结构可降低路基高度达0．2m—0．5m，从而减少土方工程量，每公里降低工程造价可达2．6万元以上。

2．5 土质固化剂的开发和产业化经营可以增加利税和就业机会，从而带来显著的社会经济效益

总之，随着高等级公路建设方兴未艾及全国通县路网工程建设的实施，传统筑路材料匮乏地区的公路建设需要大量外购材料而导致高造价与建设资金不足等矛盾必将日益突出。如吉林省的松原、白城、长春、四平等部分地区，华北平原地区、西北黄土高原地区，公路建设任务仍相当繁重。为了实现国家公路交通发展第三步战略目标，加快公路建设步伐，以丰富的土资源为依托，推广应用复合固结土替代传统的路面基层材料，所获得经济效益和社会效益是不可估量的。由此可以大大降低砂石、石灰、水泥等建筑材料的消耗量，从而降低了运力、能源的消耗，改变因大‘量开采和生产筑路材料而导致的水土流失和环境污染，保护了山区的自然资源和生态环境，为可持续发展、造福后人做出重大贡献。 参考文献

l公路沥青路面设计规范．JTJ014—97

2公路路面基层施工技术规范． JTJ034—2000 3 高等级道路半刚性路面．沙庆林， 1997年

4抗冻少裂丰刚性基层材料与结构组合的研究．吉林省交通科学研究所，1996年 5复合固结土路面基层研究项目鉴定材料．松原市交通局，2002年

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