新型土壤固化剂稳定低液限红黏土固化机理及路用性能研究

作     者：陈南京 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵毅

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：红黏土 固化剂 固化机理 路用性能 

摘      要：我国西南地区的红黏土由于独特结构特征,具有低液限、塑性指数小,且承载力及水稳定性较差,难以压实的特性。其稳定性和强度往往难以满足规范要求,导致出现不同程度的路基病害。基于此,本文选用3种新型固化剂:GC、SZ以及GN-1固化剂,通过单掺以及复掺方式对低液限红黏土进行改良。采用微观试验探究稳定土固化机理,为探究3种新型固化剂在最佳配合比下稳定低液限红黏土的路用性能,进行承载比、回弹模量试验、抗剪强度试验、干湿循环试验以及水稳定试验,主要研究内容和成果如下: (1)通过室内试验对低液限红黏土进行颗粒筛分试验、界限含水率试验、比重试验、自由膨胀率试验、击实试验、抗剪试验以及固化剂化学分析试验研究低液限红黏土的物理力学性质。 (2)采用击试验验及无侧限抗压试验(UCS)作为确定新型土壤固化剂稳定低液限红黏土的最佳掺量指标。定量研究了3种新型固化剂稳定低液限红黏土在不同掺量下击实曲线变化及强度变化情况。结果表明,在得到的击实曲线的基础上3种新型固化剂对低液限红黏土固化剂掺量分别在:0.7-0.9%、0.04%-0.06%和0.6%-0.8%范围内抗压强度增长不显著并基于成本考虑,GC、SZ以及GN-1固化剂的最佳掺量分别为0.7%、0.04%和0.6%。GN-1固化剂固化低液限红黏土的抗压强度改善效果最好,强度最高。在经过28 d养护后强度达到4.23 MPa-4.71MPa。相较于GC、SZ两种固化稳定低液限红黏土分别提高40.6%和20.38%。因此,GN-1固化剂在路基填筑方面存在优势。 (3)通过XRD、扫描电镜(SEM)和全自动比表面及孔隙度分析(BET)研究新型固化剂稳定低液限红黏土的矿物成分、微观形貌和孔径分布。XRD结果表明,GC、SZ、GN-1稳定低液限红黏土矿物成分无明显变化。微观形貌试验表明,GC固化剂中的离子抑制低液限红黏土中的钙离子,加速土颗粒黏聚作用,致使稳定土土体整体结构更加致密。SZ稳定低液限红黏土形成高分子聚合物,由于其强大的吸水作用使得土颗粒表面水膜发生变化,造成厚度减小起到加固作用的效果。GN-1固化剂在水媒介质环境下生成水化产物钙矾石,填补低液限红黏土孔隙,稳定土体强度提高。BET结果表明,新型固化剂稳定低液限红黏土的孔容及比表面积在稳定前后均发生降低,说明加入新型固化剂之后低液限红黏土颗粒之间更加密实、孔隙减少,提高新型固化剂稳定土的整体强度。 (4)通过承载比、回弹模量试验、抗剪强度试验、干湿循环试验以及水稳定试验评价新型固化剂稳定低液限红黏土力学性能方面的效果。结果表明,GC、SZ、GN-1稳定低液限红黏土的CBR值分别为29.8%、19.4%以及128.7%。GN-1稳定低液限红黏土CBR值最大,相比于GC和SZ稳定低液限红黏土CBR值分别提高了98.9%和109.3%。GC、SZ以及GN-1稳定低液限红黏土回弹模量分别提高8.1%、20.8%和41.3%。抗剪强度试验中,经过新型固化剂固化后的低液限红黏土,抗剪强度得到显著提升。3种新型固化剂相比改良前其黏聚力分别提高了28.29%、13.59%和41.21%。干湿循环试验中,GN-1稳定低液限红黏土试样的无侧限抗压强度变化明显大于GC、SZ稳定低液限红黏土试样的强度。在水稳定试验中,GN-1稳定土水稳定系数最大,最大水稳定系数为0.95,而SZ稳定土效果最弱,水稳定性系数为0.71,与GN-1水稳定系数相差0.24。基于此,GN-1稳定低液限红黏土的水稳定性最好。