道路工程建设中需要消耗大量的土、石等天然建材，并对土、石材料的物理、水理和力学性质具有较高的技术要求，随着我国工程建设速度和数量的高速增长，能够直接满足于路用性能的优质土、石材料已十分紧缺，过度开采会进一步破环生态环境。如何就地取材、充分开发利用新型道路材料已得到社会普遍关注。

粉质土具有黏粒含量低、颗粒级配差、渗透性高、水敏感性显著等特点，直接应用于道路工程施工会导致道路发生沉降变形、坍塌、裂缝等病害产生^[1]。因此粉质土应用于道路工程必须经过技术处理提高其物理力学性能，近年来国内外许多学者对如何改良粉质土性能进行了大量的研究。自20世纪70年起，欧美等国家研发了多种专门固结土体的固化剂，比如ISS固化剂、CCSS固化剂、Aught-set系列固化剂、EN-1型土体固化剂等，通过水化作用、激发作用、离子交换作用等对土质进行技术改良，改变土体结构，提高土体本身物理力学性能，已大量应用于道路等各工程领域^[2-5]；国内对于土壤固化剂特别是针对粉质土的固化技术研究起步较晚，初期以水泥基和石灰基固化粉土材料为主要研究对象，经过配比设计后固化粉土的强度和刚度均达到路用性能要求，但水泥基和石灰基固化粉土材料存在一定的耐水性较差、抗冻性能较差、干缩和温缩开裂的问题^[6-8]；以水泥、粉煤灰等为主体材料和一定的表面活性剂、碱性激发材料等材料共同组成的高性能粉土固化剂，能够显著提高固化粉土的耐水性和抗冻性，并降低干缩和温缩开裂的程度^[9-10]；朱志铎、洪雁平等^[11-13]以苏北地区粉土和SEU-2型固化剂为研究对象和加固材料，粉土固化后具备合适的强度和刚度，并具有较好的水稳定性和温度稳定性；周天宝等^[14]以西北地区粉土为研究对象，通过添加黄原胶进行生物固化粉土研究，在少水条件下黄原胶和土颗粒形成离子化学键，适用于干旱条件下稳定粉土；蔡光华等^[15]以活性MgO为固化材料，研究并提出了其固化粉土微观机理模型；李琦^[16]以农村公路为研究背景，提出固化粉土的强度等力学指标和路用性能均满足农村公路施工要求，并具有节约土地、保护环境等深远意义。

前人大部分研究主要以水泥、石灰等无机材料为主体加固材料，并添加粉煤灰、矿粉、表面活性剂等材料提高固化粉土的路用性能指标，但仍具有抗水损害性能较差、在荷载和环境温度作用下开裂等问题。本研究以新型柔性固化剂赤泥基沥青粉为主要固化粉土材料，系统研究赤泥基沥青粉固化粉土材料体系，研究赤泥基沥青粉材料的细度和储存稳定性；优选出适用于工程应用的材料配比，进行固化粉土配比试验，并进行固化粉土路用性能试验研究，提出柔性固化剂的最优掺量；应用于山东省齐河县某农村公路基层施工现场试验，通过现场施工效果及现场检测表明固化粉土基层效果良好。

不同固化材料固化土壤的固化机理大同小异，主要为复合凝胶效应和填充增强效应，固化材料与土壤中的水分和矿物成分产生化学反应，相互激发使松散土体形成密实结构，达到固化土体的作用^[17-19]。以水泥为例，水泥水化反应生成C-S-H凝胶、水化铝酸钙等物质，将土颗粒黏结在一起并填充土体空隙起到固结土体的作用，水泥的主要水化反应如式(1)所示：

(1)

本研究采用的柔性固化剂为赤泥基沥青粉，赤泥作为柔性固化剂载体，改变沥青在常温下的存在状态，形成较大的比表面积；赤泥的主要成分为文石、方解石及少量的菱铁矿等，其自身附带碱性能够提高沥青与粉质土间的黏附性，同时可作为骨架填充。沥青以固体细粉状态分散于粉质土颗粒间，在温度升高时发生软化不断填充材料孔隙及微裂缝，提高材料抗压强度和抗剪强度，使材料整体具有半柔性特性并对微损伤实现自愈补强。

在柔性固化剂和少量水泥的共同作用下，激发剂水化产物和柔性固化剂有机胶凝成分不断融合包裹粉质土颗粒形成三维团聚结构，从而形成高性能道路填筑材料。

本研究所述的柔性固化剂为赤泥基沥青粉，其主要制作原料为赤泥、沸石粉、70^#基质沥青，沸石粉作为基质沥青微发泡激发剂和降黏剂，与高温沥青接触后释放水分，降低沥青的黏性，提高沥青的流动度，增大与赤泥的接触面积，分散得更均匀；赤泥作为基质沥青载体，在常温状态下使基质沥青以固体粉末状态储存。

经过前期试验，赤泥掺量在沥青质量的1.8倍至2.6倍之间时，赤泥和沥青高温拌和后可能在常温条件下研磨成粉。因此赤泥基沥青粉材料选用10份基质沥青和1份沸石粉，赤泥掺量选用18，20，22，24，26份，进行材料配比优选试验。

将10份70^#基质沥青加热至140~160 ℃，在保温条件下按比例加入沸石粉，使基质沥青微发泡；然后按比例加入赤泥并充分搅拌均匀，倒入冷却容器中常温冷却，用研磨机将冷却至常温的沥青赤泥混合物研磨成粉末状，研磨时间为10~15 s，得到赤泥基沥青粉成品，材料配比试验见表 1。

赤泥基沥青粉试制试验结果见表 1，由试验结果可得：当赤泥掺量低于22份时，成品赤泥基沥青粉中仍存在块状颗粒，沥青粉细度达不到50目；当赤泥掺量达到22份及以上时，成品赤泥基沥青粉中无块状颗粒，细度达到120目左右，能够满足与其他粉体材料以任意比例混合的要求；并且可以在密封条件下常温储存3个月，满足实际工程使用储存稳定性的要求。因此确定赤泥基沥青粉最优材料配比为赤泥∶沸石粉∶70^#基质沥青=22:1:10。

本研究以黄泛区粉土为研究对象，其工程性质特殊，级配不良，毛细现象突出，具有假塑性特征，结构性较差，极容易在动荷载作用下，发生液化现象，难以压实。特殊的物理和力学性质，决定了粉土在道路工程中应用时存在难点。

本试验取得山东地区黄泛区粉土样品粒径分析和部分物理力学指标见表 2~3。粉土样品小于0.075 mm的粒组占比82.5%，且粉土样品的塑性指数为6.9, 液限为23.5%，属于级配不良的低液限粉土。

经过前期试验发现，采用传统的土壤固化材料如水泥、石灰等作为粉土固化材料，抗压强度试验中，试件的标准养护7 d的抗压强度较低，基本小于0.5 MPa，试件在标准养护6 d浸水1 d条件下试件被水泡散，抗水损害性能较差，表明传统的土壤固化材料无法作为粉土固化材料使用。因此本研究以赤泥基沥青粉柔性固化剂和水泥为固化材料，以山东地区黄泛区粉土为固化对象，以无侧限抗压强度指标设计固化粉土材料配比试验，确定固化粉土最优材料配比，并进行路用性能试验验证。根据预备试验确定水泥掺量为粉土的3%，赤泥基沥青粉柔性固化剂掺量为粉土的3%~11%，具体级配设计见表 4。

首先按照设计材料配比将水与粉土混合均匀，再将柔性固化剂和水泥依次与粉土混合并搅拌均匀，按照设计压实度98%称量并利用模具压实成型，试件尺寸100 mm×ϕ50 mm圆柱体试件，1 h后脱模养护，每组配比制作9个平行试件，3个试件一组分别进行3，7，28 d标准养护(温度20 ℃，湿度95%)，进行无侧限抗压强度试验，如有浸水试验则在养护最后一天将试件完全浸入水中养护24 h。

试验结果如图 1所示，随着柔性固化剂掺量的增加，固化粉土各龄期的无侧限抗压强度增大，当柔性固化剂掺量大于7%时，抗压强度增长幅度趋于平缓，表明固化粉土柔性固化剂的最佳掺量为7%；在柔性固化剂最佳掺量条件下，固化粉土3，7，28 d的无侧限抗压强度分别为0.83，0.92，1.07 MPa，并且7 d的抗压强度已经达到28 d抗压强度的86%，表明赤泥基沥青粉固化粉土早期强度增长较快、后期强度较高，具有良好的荷载承受能力，在实际工程应用中可在粉土固化7 d后进行下一步工序施工。

图 1 无侧限抗压强度试验结果 Fig. 1 Test result of unconfined compressive strength

图选项

在添加不同掺量的柔性固化剂后标准养护6 d浸水1 d无侧限抗压强度结果如图 2所示。随着柔性固化剂掺量的增加，浸水1 d后的无侧限抗压强度增大且强度下降幅度减小，表明赤泥基沥青粉能够极大提高固化粉土的水稳定性，当柔性固化剂掺量大于7%时无侧限抗压强度达到0.9 MPa以上，增长幅度趋于平缓，且浸水1 d后的无侧限抗压强度下降幅度减小到6%左右，表明赤泥基沥青粉固化粉土具备良好的抗水损害性能。

图 2 浸水无侧限抗压强度对比 Fig. 2 Comparison of unconfined compressive strength after immersion

图选项

本试验采用的柔性固化剂为赤泥基沥青粉，沥青是一种温度敏感性材料，随着夏季温度的升高，沥青的黏滞性降低，沥青颗粒与周围的粉土颗粒黏结性增强。根据无侧限抗压强度试验结果选取2^#，3^#，4^#配比进行高温循环加热试验，模拟夏季高温条件；在养护期间将试件用保鲜膜密封，50 ℃高温8 h+标准养护箱16 h为1次高温循环，重复循环5次或10次，达到龄期后进行无侧限抗压强度试验，试验结果如图 3所示。

图 3 高温循环加热试验数据 Fig. 3 High temperature cycle heating test data

图选项

经过高温循环加热试验的试件表面光滑无裂缝，表明赤泥基沥青粉固化粉土具有良好的抵抗温度作用开裂的能力；并且经过5次或10次高温循环后无侧限抗压强度均有了大幅度的提升，当柔性固化剂掺量大于7%时无侧限抗压强度值涨幅接近50%，表明赤泥基沥青粉固化粉土的高温稳定性优异，在夏季高温条件下能提高固化粉土的强度；同时沥青颗粒与粉土颗粒重新黏结，能够自我修复因车辆荷载及环境因素产生的微小裂缝。

为了检验赤泥基沥青粉固化粉土的抗冻性能和抗水损害性能，根据以上试验结果选取最优级配粉土∶柔性固化剂∶水泥∶水=100∶7∶3∶12制作2组试件，进行冻融残留抗压强度比(BDR)试验，第1组试件进行标准养护，第2组试件进行5次冻融循环，-18 ℃冷冻16 h+20 ℃融化8 h为1次冻融循环，试验结果见表 5。

经过5次循环冻融后的赤泥基沥青粉固化粉土试件表明光滑无裂缝、无泡散情况，并且赤泥基沥青粉固化粉土材料的冻融残留抗压强度比为80.7%，经过冻融循环后仍具有较高的抗压强度，表明该材料具有较好的抗低温性能和抗水损害性能。

本研究以齐河县农村某公路为工程背景为工程背景，西起208县道，东至李见村，全长约2 000 m，道路红线宽度7 m，道路横断面采用单幅路形式。本研究选取200 m作为新型赤泥基沥青粉固化粉土作为试验段，道路横断面结构设置由下至上分别为压实土基、20 cm厚10%水泥土、15 cm厚赤泥基沥青粉稳定粉土层、联结功能层和3 cm厚沥青混凝土面层，如图 4所示。

图 4 路面结构示意图(单位：cm) Fig. 4 Schematic diagram of pavement structure (unit: cm)

图选项

根据室内试验结果，粉土稳定层材料配比选取为粉土∶柔性固化剂∶水泥∶水=100∶7∶3∶12，并根据现场测定粉土含水量调整水的掺量。

在水泥稳定土层施工、养护完毕后，利用搅拌设备将现场原状粉土搅拌分散，将柔性固化剂、水泥和水依次加入粉土中并搅拌均匀，并采用压路机将赤泥基沥青粉稳定粉土压实成型，最后在粉土稳定层上喷洒乳化沥青养生7 d。

本试验以20 m为一个断面进行现场检测，对赤泥基沥青粉稳定粉土层进行施工质量检测，分别进行压实度、7 d无侧限抗压强度、CBR值和弯沉值进行检测，CBR值采用动力锥贯入仪(DCP)进行检测，弯沉值采用落锤式弯沉仪(FWD)分别对稳定粉土结构层顶和路面层顶进行检测，检测结果见表 6。

由现场检测试验结果可得，压实度均值为97.5%，且检测结果均大于96%，表明赤泥基沥青粉稳定粉土层材料施工配比和施工工艺良好；7 d无侧限抗压强度和CBR值均值分别为0.86 MPa和75.3%，表明赤泥基沥青粉稳定粉土强度较高，能够达到2级及2级以下公路中、轻交通基层设计要求；稳定粉土层顶和路面层顶的弯沉值均值分别为44.3(0.01 mm)和25.5(0.01 mm)，表明本试验设计路面结构具有较好的承载能力。

系统研究了新型赤泥基沥青粉固化粉土材料体系，分析了赤泥基沥青粉固化粉土的作用机理，获得了赤泥基沥青粉材料及固化粉土材料的最优材料配比，并进行了固化粉土材料的路用性能验证，最终成功应用于齐河县某农村公路工程。得出以下结论：

(1) 柔性固化剂配比试验结果表明，赤泥材料的掺量是赤泥基沥青粉材料工作性和储存稳定性的决定因素。最终确定赤泥基沥青粉最优材料配比为赤泥∶沸石粉∶70^#基质沥青=22∶1∶10，细度达到120目左右且可以在密封条件下常温储存3个月。

(2) 固化粉土试验结果表明，在最优材料配比粉土∶柔性固化剂∶水泥∶水=100∶7∶3∶12条件下，固化粉土的3，7，28 d的无侧限抗压强度分别能达到0.83，0.92，1.07 MPa，浸水1 d后仍达到原抗压强度的90%以上，材料强度及水稳定性良好。高温加热循环试验和冻融试验结果表明，赤泥基沥青粉固化粉土材料的高低温稳定性、抗裂性能和抗水损害性能良好；高温循环后抗压强度提高近50%，冻融残留抗压强度比达到80.7%。

(3) 针对齐河县农村某公路工程，设计路面结构为压实土基、20 cm厚10%水泥土、15 cm厚赤泥基沥青粉稳定粉土层、联结功能层和3 cm厚沥青混凝土面层；赤泥基沥青粉稳定粉土层施工后进行压实度、7 d无侧限抗压强度、CBR值和弯沉值进行检测，检测结果表明赤泥基沥青粉固化粉土层达到2级及2级以下公路中、轻交通基层设计要求。