摘要:在公路建設中,各种特殊土的處理日益引起人們的關注,單純使用石灰、水泥對土進行加固,效果不理想。提出固化劑(CPN)穩定二灰粉土作為道路基層,并系統地研究了固化劑加固二灰粉土以及加固石灰粉土的力學性能、水穩定性、凍穩定性、劈裂性能和抗壓模量,以及抗彎拉強度、抗彎拉模量等路用性能。

關鍵詞:公路;固化劑;二灰粉土;石灰土;力學性能

固化劑加固土是采用一定的物理化學方法使土的物理力學性能适應工程需求的技術。我國在這一方面起步較晚,20世紀80年代開始引進這項技術。本文針對粉土類土用水泥、二灰以及石灰等常規結合料加固效果不理想的土,基于二灰加固,尋找合适的化學固化劑進一步強化其加固性能。該研究基于二灰加固的固化劑加固土的路用性能和加固机理,對于提高基層材料的計算強度,減薄路面厚度,降低工程造价等都具有重要作用。

1　試驗材料

1 1　試驗用土

試驗所用的土樣來源于某高速公路施工段的粉土,為黃色和深黃色。其各种物理化學性能指標結果見表1、表2。

1 2　固化劑選擇和配方

試驗所應用的固化劑CPN(以后簡稱固化劑)是一种無机鹽,是呈青灰色透明狀的黏稠液体,溶于水呈鹼性。遇酸分解(空气中的二氧化碳也能引起分解)而析出硅酸的膠質沉淀。無水物為天藍色或黃綠色,玻璃狀。相對密度隨模數的降低而增大。無固定的熔點。

選擇和研制固化劑的原則是:能夠改善路面基層混合材料的性能,提高其無側限抗壓強度,增加耐久性;在一定程度上能夠減少二灰用量,激發粉煤灰活性,從而可以提高粉煤灰摻入量;具有良好的性价比。

路面基層混合材料配比試驗的試驗步驟為:配置固化劑水溶液;稱量各种原材料并混合均勻;量取固化劑水溶液倒入混合料中攪拌均勻;測定混合料的含水量、密度、比重、最佳含水量及最大干密度等指標;將混合料放進模具中搗實,然后放到壓力机上壓實;將試件脫模,放進養護箱養護;標准養護7天后,測定混合料的回彈模量,然后將試件放到壓力机上進行無側限強度試驗。

1 3　熟石灰及粉煤灰

(1)熟石灰

石灰是工程中常用的無机膠結材料,并且是气硬性膠結材料。由于其來源廣泛,生產工藝簡單,成本低廉,至今仍被廣泛使用。石灰中氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO)含量對穩定土混合料的強度有明顯的影響。有效鈣含量小于20%時,穩定土混合料的強度就明顯下降。本試驗所用熟石灰氧化鎂的含量高于5%,屬于鎂質熟石灰,其物理化學性質如表3所示。

2　物理力學試驗分析

路面各結构層產生的破坏主要是由豎向力、水平剪應力及底部的彎拉應力所引起。因此,本文對固化劑加固土的物理力學性能分析從抗壓強度、抗彎拉強度、抗彎拉模量、劈裂強度等几個方面進行研究。試驗過程与石灰加固土進行平行試驗,通過与石灰加固土的對比,找出其加固效果的程度以及變化規律特點。

2 1　固化劑最佳摻量的确定

為确定固化劑加固土中固化劑最佳摻量的配比,將兩种土分別以3种不同的固化劑劑量配比(1%、3%、5%)及不同的二灰配合比加固。養生7天,飽水24h后,求其飽水抗壓強度值,并根据飽水抗壓強度与固化劑劑量的關系曲線,來确定各种土最佳固化劑劑量。

將不同劑量固化劑加固土的7天飽水抗壓強度值列于表5中,悶料時間對抗壓強度的影響列于表6,固化劑的無側限抗壓強度列于表7。

由以上結果可以看出,隨著劑量的增大,固化劑加固土的早期強度也隨之增大,相互之間存在正相關關系。劑量的增大也要考慮使用的具体技術与經濟要求确定。一般來說,5%左右的固化劑加固土能滿足工程實際的使用要求。固化劑加固土1的強度比加固土2要高,從前面土顆粒的粒度分析中得知土樣1比土樣2的表面積大,因而火山灰反應更充分、完全。

不同的悶料時間對固化劑加固土的早期強度也有明顯的影響。以3%的固化劑加固土為例,隨著時間的延長,早期強度也隨之下降,可以理解為在早期水分充分的情況下,固化劑与石灰作用生成硅酸鈣等非火山灰結晶性膠結物,將固相顆粒土膠結并密化穩定土結构,此時碾壓成型將有利于早期強度的提高。隨著悶料時間的延長,水分逐漸損失,對于混合料中火山灰進一步的反應有弱化的作用,因而早期強度也隨之下降。從上述分析中可以肯定:固化劑加固土早期強度低,但增長較快,后期強度高,但增長較慢;固化劑加二灰土比固化劑加石灰土強度要高。

2 2　水穩定性

基層材料的水穩定性是材料穩定性的一個重要方面。將標准養生條件下,各齡期固化劑和二灰加固土、固化劑和石灰加固土水穩性系數(R飽/R干)与二灰土及石灰加固土水穩定系數(R飽/R干)列于表8。

從表8中可以看出,兩种固化劑和二灰加固土的水穩系數比兩种二灰土的水穩系數高;兩种固化劑和石灰加固土比兩种石灰加固土的水穩系數高,且水穩系數隨齡期增加而增長。這是因為固化劑加固土中反應生成的水化硅酸鈣凝膠体有憎水作用,能夠起到一种“屏蔽”作用,阻止水對土顆粒基團的浸潤,保持了加固土的強度、穩定性。隨齡期增長,水化硅酸鈣凝膠体的數量也在增加,故水穩系數也隨齡期而逐漸增長。石灰土中雖然也有膠体存在,但這种膠体大都是由鋁离子、鈣离子、硅离子等形成的凝膠及它們的結晶体构成;這些晶体及凝膠是含水的,不具有憎水性。在外界水的浸潤下,易發生水化解离作用,降低土顆粒間聯結強度,破坏加固土穩定性,所以石灰加固土水穩定性系數沒有固化劑加固土水穩定系數高。

2 3　凍穩定性

半剛性基層材料的凍融循環試驗目前還沒有統一的試驗規程。材料的抗凍能力可以用經受凍融循環的次數和經受一定次數凍融作用的強度損失來表征,這些指標与凍融方法有關。將養生至規定齡期的試件飽水一晝夜后,在-20℃冰箱內凍12h,取出放在20℃水中融化12h,此為一循環;經5次凍融循環后的飽水抗壓強度与未經凍融循環的試件飽水抗壓強度的比值稱為抗凍系數,即:“抗凍系數=試件經凍融循環后的飽水抗壓強度/試件未經凍融循環的飽水抗壓強度”。各种加固土28天齡期試件,經五次凍融循環后測其凍穩定系數(R凍/R飽),列于表9中。

加固土的抗凍性能与材料中空隙率、顆粒間聯結強度、液相中离子濃度等多因素有關。其中顆粒間聯結強度對抗凍性能起著主要作用。若顆粒間聯結強度高,足以抵消因凍脹作用引起的內應力,則材料的抗凍性能就好,凍穩定系數就高。抗壓強度從一定程度上反映了材料顆粒間聯結強度的大小,一般說來,抗壓強度高的材料其抗凍性能就好一些。在這一點上,凍穩定性試驗結果与前面抗壓強度的試驗結果是對應的。由前面試驗結果分析可知,固化劑加固土中顆粒間聯結強度比石灰土中顆粒間聯結強度大,抗壓強度比石灰土高,則固化劑加固土抗凍效果比石灰土好一些。隨著齡期增長而不斷增其耐凍系數會不斷提高,則固化劑加固土的耐凍系數(R凍/R飽),隨齡期增長而不斷提高。綜上所述,可以得出如下結果:固化劑加固土凍穩定性比石灰土強,這對于潮濕寒冷地區提高路面抗凍穩定性具有實用意義。

2 4　劈裂強度

試件制備的同時進行了抗壓強度試驗,將已到齡期的試件經飽水后置于壓力机上,在1mm/min的速率下測試其劈裂強度。標准養生的試件劈裂強度列于表10。

劈裂強度反應了材料的抗拉強度。抗拉強度同材料的“原始黏聚力”及“固化黏聚力”有關。對固化加固土來說,其“固化黏聚力”是由雙電層減薄后顆粒間較大的吸引力和形成的凝膠及晶体与土顆粒的聯結強度共同构成的。不但這种晶体和土顆粒互相連接,而且晶体之間也互相連接形成一空間网狀結构,并且這种結构隨齡期的增長而不斷發展,引起固化劑加固土劈裂強度隨齡期增加而增長。從上面的分析可知,“原始黏聚力”一經形成,在反應期內變化一般不大,只有“固化黏聚力”隨齡期增長而增加。可以這樣認為,劈裂強度隨齡期增長而增加的現象,在一定程度上反映出材料內部晶体和凝膠隨齡期增長而增多的性質。

2 5　室內抗壓回彈模量

抗壓回彈模量試驗采用　10cm×10cm的圓柱形試件,以《公路工程無机結合料穩定材料試驗規程》(JTJ067—94)中的頂面法,測試件的室內抗壓回彈模量值,主要儀器是路面材料強度試驗儀。回彈模量E的計算公式為

回彈模量表征了材料在外力作用下抵抗變形的能力。彈性模量值大的材料,相同外力作用下會產生較小的變形,具有更好的使用品質。由數据分析可知,加了固化劑后,加固土的模量提高明顯,且土樣1比土樣2要高,固化劑加固土具有比石灰加固土較好的抵抗變形能力。

2 6　抗彎拉強度与抗彎拉模量

抗彎拉模量是通過測試試件的撓度來反推抗彎拉回彈模量。到達規定齡期時,在MTS850材料試驗机進行三分點分級加載,測定壓頭兩端兩個加力點的分級撓度。由簡支梁三分點加載的施力點撓度公式,反推出抗彎拉回彈模量E和抗彎拉強度Rw。測出的各類土的不同齡期抗彎拉強度及抗彎拉模量如表12、表13所示。

抗彎拉強度和抗彎拉模量表征了材料的荷載擴散能力。由表12、表13可以看出,加入固化劑后,二灰土和石灰土的荷載擴散能力都有了明顯的提高,且固化劑加固土具有比石灰加固土更好的荷載擴散能力。

3　結束語

固化劑加固土初期強度較低,后期強度較高,這一特性最為突出。并且具有一定的抗彎拉能力,表明其具有良好板体性。固化劑加固土后,抗壓強度、水穩性、凍穩性隨齡期的增長而不斷提高。

固化劑加固土的水穩性与凍穩性隨著齡期的增長而增強,水穩定系數与耐凍性系數隨著齡期而增大。從凍穩性試驗明顯看出,固化劑加固土在28天齡期時就具有一定凍穩性,而石灰加固土28天齡期時不具備凍穩定性。

土体自身的物理化學性質對固化劑加固土的強度具有內在聯系。土的黏粒含量、塑性指數等一些物理性質与固化劑加固土強度,在一定范圍內存在正相關關系。

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