蒋向军

(铁道第一勘察设计院,陕西西安　710043)

摘要：在公路建设中,各种特殊土的处理日益引起人们的关注,单纯使用石灰、水泥对土进行加 固,效果不理想。提出固化剂(CPN)稳定二灰粉土作为道路基层,并系统地研究了固化剂加固二灰粉土 以及加固石灰粉土的力学性能、水稳定性、冻稳定性、劈裂性能和抗压模量,以及抗弯拉强度、抗弯拉模 量等路用性能。

关键词：公路　固化剂　二灰粉土　石灰土　力学性能

固化剂加固土是采用一定的物理化学方法使土的 物理力学性能适应工程需求的技术。我国在这一方面 起步较晚,20世纪80年代开始引进这项技术。本文 针对粉土类土用水泥、二灰以及石灰等常规结合料加 固效果不理想的土,基于二灰加固,寻找合适的化学固 化剂进一步强化其加固性能。该研究基于二灰加固的 固化剂加固土的路用性能和加固机理,对于提高基层 材料的计算强度,减薄路面厚度,降低工程造价等都具 有重要作用。

1　试验材料

1·1　试验用土

试验所用的土样来源于某高速公路施工段的粉 土,为黄色和深黄色。其各种物理化学性能指标结果 见表1、表2。

1·2　固化剂选择和配方

试验所应用的固化剂CPN(以后简称固化剂)是一 种无机盐,是呈青灰色透明状的黏稠液体,溶于水呈碱 性。遇酸分解(空气中的二氧化碳也能引起分解)而析 出硅酸的胶质沉淀。无水物为天蓝色或黄绿色,玻璃 状。相对密度随模数的降低而增大。无固定的熔点。 选择和研制固化剂的原则是:①能够改善路面基 层混合材料的性能,提高其无侧限抗压强度,增加耐久 性;②在一定程度上能够减少二灰用量,激发粉煤灰活 性,从而可以提高粉煤灰掺入量;③具有良好的性 价比。

路面基层混合材料配比试验的试验步骤为:①配 置固化剂水溶液;②称量各种原材料并混合均匀;③量 取固化剂水溶液倒入混合料中搅拌均匀;④测定混合 料的含水量、密度、比重、最佳含水量及最大干密度等 指标;⑤将混合料放进模具中捣实,然后放到压力机上 压实;⑥将试件脱模,放进养护箱养护;⑦标准养护7 天后,测定混合料的回弹模量,然后将试件放到压力机 上进行无侧限强度试验。

1·3　熟石灰及粉煤灰

(1)熟石灰

石灰是工程中常用的无机胶结材料,并且是气硬 性胶结材料。由于其来源广泛,生产工艺简单,成本低 廉,至今仍被广泛使用。石灰中氧化钙(CaO)和氧化 镁(MgO)含量对稳定土混合料的强度有明显的影响。 有效钙含量小于20%时,稳定土混合料的强度就明显 下降。本试验所用熟石灰氧化镁的含量高于5%,属 于镁质熟石灰,其物理化学性质如表3所示。

(2)粉煤灰

粉煤灰是火力发电厂的副产品,是从烧煤粉的锅 炉烟气中收集的粉状灰粒,国外将其称为“飞灰”、“磨 细燃料灰”。本试验用粉煤灰的基本性质见表4。

2　物理力学试验分析

路面各结构层产生的破坏主要是由竖向力、水平剪应力及底部的弯拉应力所引起。因此,本文对固化 剂加固土的物理力学性能分析从抗压强度、抗弯拉强 度、抗弯拉模量、劈裂强度等几个方面进行研究。试验 过程与石灰加固土进行平行试验,通过与石灰加固土 的对比,找出其加固效果的程度以及变化规律特点。

2·1　固化剂最佳掺量的确定

为确定固化剂加固土中固化剂最佳掺量的配比, 将两种土分别以3种不同的固化剂剂量配比(1%、 3%、5%)及不同的二灰配合比加固。养生7天,饱水 24h后,求其饱水抗压强度值,并根据饱水抗压强度与 固化剂剂量的关系曲线,来确定各种土最佳固化剂剂 量。将不同剂量固化剂加固土的7天饱水抗压强度值 列于表5中,闷料时间对抗压强度的影响列于表6,固 化剂的无侧限抗压强度列于表7。

由以上结果可以看出,随着剂量的增大,固化剂加 固土的早期强度也随之增大,相互之间存在正相关关 系。剂量的增大也要考虑使用的具体技术与经济要求 确定。一般来说,5%左右的固化剂加固土能满足工程 实际的使用要求。固化剂加固土1的强度比加固土2 要高,从前面土颗粒的粒度分析中得知土样1比土样 2的表面积大,因而火山灰反应更充分、完全。 不同的闷料时间对固化剂加固土的早期强度也有 明显的影响。以3%的固化剂加固土为例,随着时间 的延长,早期强度也随之下降,可以理解为在早期水分 充分的情况下,固化剂与石灰作用生成硅酸钙等非火 山灰结晶性胶结物,将固相颗粒土胶结并密化稳定土 结构,此时碾压成型将有利于早期强度的提高。随着 闷料时间的延长,水分逐渐损失,对于混合料中火山灰 进一步的反应有弱化的作用,因而早期强度也随之下降。从上述分析中可以肯定:固化剂加固土早期强度 低,但增长较快,后期强度高,但增长较慢;固化剂加二 灰土比固化剂加石灰土强度要高。

2·2　水稳定性

基层材料的水稳定性是材料稳定性的一个重要方 面。将标准养生条件下,各龄期固化剂和二灰加固土、 固化剂和石灰加固土水稳性系数(R饱/R干)与二灰土 及石灰加固土水稳定系数(R饱/R干)列于表8。

从表8中可以看出,两种固化剂和二灰加固土的 水稳系数比两种二灰土的水稳系数高;两种固化剂和 石灰加固土比两种石灰加固土的水稳系数高,且水稳 系数随龄期增加而增长。这是因为固化剂加固土中反 应生成的水化硅酸钙凝胶体有憎水作用,能够起到一 种“屏蔽”作用,阻止水对土颗粒基团的浸润,保持了 加固土的强度、稳定性。

随龄期增长,水化硅酸钙凝胶体的数量也在增加, 故水稳系数也随龄期而逐渐增长。石灰土中虽然也有 胶体存在,但这种胶体大都是由铝离子、钙离子、硅离 子等形成的凝胶及它们的结晶体构成;这些晶体及凝 胶是含水的,不具有憎水性。在外界水的浸润下,易发 生水化解离作用,降低土颗粒间联结强度,破坏加固土 稳定性,所以石灰加固土水稳定性系数没有固化剂加 固土水稳定系数高。

2·3　冻稳定性

半刚性基层材料的冻融循环试验目前还没有统一 的试验规程。材料的抗冻能力可以用经受冻融循环的 次数和经受一定次数冻融作用的强度损失来表征,这 些指标与冻融方法有关。将养生至规定龄期的试件饱 水一昼夜后,在-20℃冰箱内冻12h,取出放在20℃ 水中融化12h,此为一循环;经5次冻融循环后的饱水 抗压强度与未经冻融循环的试件饱水抗压强度的比值 称为抗冻系数,即:“抗冻系数=试件经冻融循环后的 饱水抗压强度/试件未经冻融循环的饱水抗压强度”。 各种加固土28天龄期试件,经五次冻融循环后测其冻稳定系数(R冻/R饱),列于表9中。

加固土的抗冻性能与材料中空隙率、颗粒间联结 强度、液相中离子浓度等多因素有关。其中颗粒间联 结强度对抗冻性能起着主要作用。若颗粒间联结强度 高,足以抵消因冻胀作用引起的内应力,则材料的抗冻 性能就好,冻稳定系数就高。抗压强度从一定程度上 反映了材料颗粒间联结强度的大小,一般说来,抗压强 度高的材料其抗冻性能就好一些。在这一点上,冻稳 定性试验结果与前面抗压强度的试验结果是对应的。 由前面试验结果分析可知,固化剂加固土中颗粒间联 结强度比石灰土中颗粒间联结强度大,抗压强度比石 灰土高,则固化剂加固土抗冻效果比石灰土好一些。 随着龄期增长而不断增大,其耐冻系数会不断提高,则 固化剂加固土的耐冻系数(R冻/R饱),随龄期增长而不 断提高。综上所述,可以得出如下结果:固化剂加固土 冻稳定性比石灰土强,这对于潮湿寒冷地区提高路面 抗冻稳定性具有实用意义。

2·4　劈裂强度

试件制备的同时进行了抗压强度试验,将已到龄 期的试件经饱水后置于压力机上,在1mm/min的速 率下测试其劈裂强度。标准养生的试件劈裂强度列于 表10。

劈裂强度反应了材料的抗拉强度。抗拉强度同材 料的“原始黏聚力”及“固化黏聚力”有关。对固化加固土来说,其“固化黏聚力”是由双电层减薄后颗粒间 较大的吸引力和形成的凝胶及晶体与土颗粒的联结强 度共同构成的。不但这种晶体和土颗粒互相连接,而 且晶体之间也互相连接形成一空间网状结构,并且这 种结构随龄期的增长而不断发展,引起固化剂加固土 劈裂强度随龄期增加而增长。

从上面的分析可知,“原始黏聚力”一经形成,在 反应期内变化一般不大,只有“固化黏聚力”随龄期增 长而增加。可以这样认为,劈裂强度随龄期增长而增 加的现象,在一定程度上反映出材料内部晶体和凝胶 随龄期增长而增多的性质。

2·5　室内抗压回弹模量

抗压回弹模量试验采用10cm×10cm的圆柱形 试件,以《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》 (JTJ067—94)中的顶面法,测试件的室内抗压回弹模 量值,主要仪器是路面材料强度试验仪。回弹模量E 的计算公式为

E=PH/L(1)

式中　E———回弹模量/kPa;

P———单位压力/MPa;

H———试件高度/mm;

L———试件回弹形变/mm。

表11为28天龄期的回弹模量值。

回弹模量表征了材料在外力作用下抵抗变形的能 力。弹性模量值大的材料,相同外力作用下会产生较 小的变形,具有更好的使用品质。由数据分析可知,加 了固化剂后,加固土的模量提高明显,且土样1比土样 2要高,固化剂加固土具有比石灰加固土较好的抵抗 变形能力。

2·6　抗弯拉强度与抗弯拉模量

抗弯拉模量是通过测试试件的挠度来反推抗弯拉 回弹模量。到达规定龄期时,在MTS850材料试验机 进行三分点分级加载,测定压头两端两个加力点的分 级挠度。由简支梁三分点加载的施力点挠度公式,反 推出抗弯拉回弹模量E和抗弯拉强度Rw。测出的各类土的不同龄期抗弯拉强度及抗弯拉模量如表12、表 13所示。

抗弯拉强度和抗弯拉模量表征了材料的荷载扩散 能力。由表12、表13可以看出,加入固化剂后,二灰 土和石灰土的荷载扩散能力都有了明显的提高,且固 化剂加固土具有比石灰加固土更好的荷载扩散能力。

3　结束语

固化剂加固土初期强度较低,后期强度较高,这一 特性最为突出。并且具有一定的抗弯拉能力,表明其 具有良好板体性。

固化剂加固土后,抗压强度、水稳性、冻稳性随龄 期的增长而不断提高。固化剂加固土的水稳性与冻稳 性随着龄期的增长而增强,水稳定系数与耐冻性系数 随着龄期而增大。从冻稳性试验明显看出,固化剂加 固土在28天龄期时就具有一定冻稳性,而石灰加固土 28天龄期时不具备冻稳定性。

土体自身的物理化学性质对固化剂加固土的强度 具有内在联系。土的黏粒含量、塑性指数等一些物理 性质与固化剂加固土强度,在一定范围内存在正相关 关系。

参考文献

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[2]　方左英.路基工程[M].北京;人民交通出版社,1990 [3]　张登良.加固土原理[M].北京;人民交通出版社,1990