固化剂与低剂量石灰综合稳定土的应用研究
                   刘树堂,　毛洪录,　高雪池,　商庆森
   (1.山东大学土建与水利学院,山东济南250061; 2.山东省交通厅公路局,山东济南250002)
    摘要:为考察固化剂和低剂量石灰综合稳定土的效果,选择了5种有代表性的土质,采用3种低石 灰剂量,拟定了15组配比进行研究.结果表明,固化剂和低剂量石灰对黏性土具有较好的稳定效 果,而对粉质土稳定作用小;不同的黏性土其获得的强度不同.由回归分析发现,各龄期稳定土的无 侧限抗压强度与土的阳离子交换量之间具有很强的线性关系,阳离子交换量越大,稳定土的无侧限 抗压强度越高.与相应剂量的石灰土或固化土相比,固化剂与低剂量石灰综合稳定土的抗渗性能和 收缩性能都占明显优势,且其抗冻性能良好.通过试验比较发现,覆盖养生比喷洒固化剂溶液养生 的效果好.
关键词:固化剂;石灰;阳离子交换量;稳定土;无侧限抗压强度
土的耐久性和强度可通过不同类型土壤稳定剂 的稳定作用得到提高[1].稳定剂是通过增加土的强 度和凝聚力,减少土中水分的移动,并赋予土防水的 特性来增加其抵抗力以应对气候及外部荷载所造成 的破坏[2].石灰、水泥和粉煤灰等是常用的无机结合 料稳定剂,用这些稳定剂处理的稳定土在道路工程 中有着广泛的应用.但这类稳定土的缺陷也很明显, 如石灰土的强度低、易开裂,且石灰、水泥的大量使 用会间接地对生态环境造成损害.因此,寻求另外的 固化剂以进一步提高稳定土的性能,并可能代替或 减少对石灰、水泥的消耗就具有积极的意义.
固化剂主要有3大类:离子类、胶体类和生物酶 类;目前离子类固化剂[3]应用较广.离子类固化剂可 改善土的压实性能[4];较大幅度地提高粉质黏土的 抗冻、抗渗性能[3];与石灰土相比,在无侧限抗压强 度、水稳定性、冻稳定性、劈裂强度、抗压回弹模量及 温缩系数等路用性能表现出明显优势[5].但固化剂 价格较高,单独使用在成本上不占优势,因此从技术 和经济的角度出发,研究使用较少的固化剂和低剂 量石灰对土进行综合稳定的效果显得十分必要. 本文采用进口离子类液体固化剂与低剂量石灰 对不同土质进行综合稳定.对稳定土的无侧限抗压 强度、抗冻性能、渗水系数、收缩系数及养生方式等 进行了研究.目的是全面考察固化剂与低剂量石灰 综合稳定土(以下简称为综合稳定土)的效果、发现 规律,寻求改善石灰土性能的新途径,以减少道路工 程对石灰、水泥等无机材料的消耗,保护环境.
1　试验材料与试验方案
1.1　试验原材料
固化剂为进口离子类液体固化剂,使用时用水 稀释.石灰为一级钙质消石灰,其有效氧化钙与氧化 镁含量为69%(质量分数,本文中的含量、组成、用 量等除特别注明外均为质量分数).土为选自山东省 4个地区的5种土样,其中:土样A,B代表黄泛区 最典型、分布最广泛的粉土与含黏粒较多的粉质黏 土;土样C,D代表山东省广泛分布的石灰岩风化与 冲积而成的黏性土;土样E代表山东省河谷冲淤积 的高液限黏土.土样A,B,C偏碱性,D,E偏酸性. 各土样可塑性与颗粒组成试验依据文献[6]进 行,结果见表1.
土的阳离子交换量(CEC)[7]试验按照文献[8]

方法进行.测得土样A,B,C,D,E的阳离子交换量 分别为3.17,7.99,16.38,13.69,10.90 mmol/kg. 土的阳离子交换量大小与黏土矿物成分、土的 粒径与含量以及土壤溶液的pH值有关[9-10]. 图1反映了土的阳离子交换量与黏粒(<0.002 mm)含量之间的关系,即随着黏粒含量的增加,阳 离子交换量呈增大趋势;但即使在显著性水平α= 0.10的情况下这两者的线相关性也并不显著.其原 因主要是:由于影响土的阳离子交换量的因素众多, 黏粒含量并不能唯一决定阳离子交换量的大小,例 如土的pH值若呈碱性,则土的阳离子交换量就大, 反之则小.土样D,E中,E的pH值较小,酸性更 强,是其阳离子交换量较小的原因之一.
1.2　试验方案
无侧限抗压强度试验:参照文献[7]进行.固化 剂用量为0.15 L/m3,石灰剂量分别选为4%,5% 和6%(明显小于工程中稳定黏性土常用的12%), 与5种土样全面组合后得到15组配比.龄期分别选 为7,14,28,90 d.为了比较,分别制备了用相同用量 固化剂和相应剂量石灰进行稳定的土样(简称为固 化土、石灰土).试件均为Φ50 mm×50 mm圆柱体, 压实度为98%.
抗冻试验:采用土样B,D,固化剂用量为0.20 L/m3,石灰剂量为5%.试件仍为Φ50 mm×50 mm
 
的圆柱体试件,压实度为98%,标准养生14 d时进 行抗冻试验.试验温度分别设定为(-20±2),(-10 ±2),(-5±2),(0±2)℃.试验时,试件先不浸水, 在设定温度下冻4 h,然后在60℃水中浸泡20 h, 如此为1次冻融循环.试件经受5次冻融循环后测 其无侧限抗压强度,并把该强度与标准养生((20± 2)℃,相对湿度≥90%)14 d的试件强度之比定义 为抗冻系数.
渗水试验:根据文献[6]采用变水头渗透试验方 法测试稳定土的渗水系数.采用分别代表粉土和黏 土的土样A,D;固化剂用量为0.20 L/m3,石灰剂量 为5%.
收缩系数试验:采用土样D,固化剂用量为0.20 L/m3,石灰剂量为5%.收缩系数包括干缩系数与 温缩系数,其测定均参照文献[11]进行,其中干缩系 数测定仪为自制.进行干缩试验时,设定恒温箱温度 为(40±1)℃.进行温缩系数测定时,设定恒温箱初 始温度为35℃,恒温2 h,然后按5℃的幅度降温, 每次降温后稳定2 h,直到-15℃为止,结束试验. 养生方式比较试验:采用土样D,固化剂用量为 0.20 L/m3,石灰剂量为5%;用喷洒固化剂溶液(1 ∶1 000)和覆盖这2种方式对土样进行养生.
2　试验结果与分析
2.1　无侧限抗压强度试验
5种土样、3种石灰剂量在不同龄期的无侧限抗 压强度(以下简称为强度)试验结果见表2,石灰土 (单掺石灰)和固化土(单掺固化剂)的强度见表3. 表中每组结果至少是6个试件的强度平均值,同时 每组的变异系数小于10%.
2.1.1　综合稳定土与石灰土和固化土的强度比较 比较表2,3后可知,单掺低剂量石灰或固化剂 对土的稳定效果均较综合稳定土差.表明由固化剂 和石灰对土进行综合稳定具有明显的优势.
2.1.2　龄期与石灰剂量对强度的影响分析 由表2看出,各种土样的稳定土强度均随龄期 延长而增大,这与纯无机结合料稳定半刚性材料的 强度增长规律相同.至于在石灰剂量为4%时土样 A的14 d强度反而比7 d强度低则完全是由试验误 差造成的.
对于土样A,随着石灰剂量的增加,各龄期的稳 定土强度呈增大趋势;但各石灰剂量、各龄期的稳定 土强度均较低,不符合强度标准.这是因为该种土的 黏粒含量较少,阳离子交换量也极小,因此不适合由 固化剂和/或石灰进行稳定.对于土样B,C,D,E,它 们7 d龄期的强度均能符合0.8 MPa的标准.综合 各龄期的强度分析认为,土样B,C,D的最佳石灰剂 量为5%,而土样E的最佳石灰剂量为6%.


可见,不同土质的稳定土其强度有很大差别.5 种土样各龄期强度随石灰剂量增加而变化的规律有 所差异;而即使同一种土质,其各龄期的强度变化规 律也不完全一致.
2.1.3　回归分析
根据表2的强度试验结果,通过多元非线性和 一元线性的回归分析比较表明,综合稳定土的强度 与土的阳离子交换量有很强的正线性相关性.经回 归分析很容易得到12个线性回归方程,但因限于篇 幅,在此仅将回归方程的相关系数列于表4中;同时 绘出了以石灰剂量为4%、龄期为28 d综合稳定土 为例的回归直线(见图2).
表4数值表明,各石灰剂量、各龄期综合稳定土 强度与阳离子交换量之间具有很强的正线性相关 性,即在试验范围内阳离子交换量越大,综合稳定土 强度越高.因此,阳离子交换量是可靠的、能有效反 映综合稳定土强度高低的代表性土质指标.
2.2　抗冻性试验结果分析
抗冻试验结果见表5.

由表5可知,2种土样的抗冻系数均大于1,表 明综合稳定土具有良好的抗冻性能,而土样D的抗 冻系数随温度变化的敏感性小,抗冻性能更佳.

在抗冻试验过程中,观察试件的表面迹象发现, 综合稳定土经过5次冻融循环后,试件表面基本完 好,但有少数试件底部出现轻微散落现象. 2.3　抗渗性能和收缩系数试验 渗水系数是反映稳定土材料抗渗性能的指标, 该值越小,表明材料的抗渗性能越好,水稳定性就越 好.渗水系数的试验结果见表6.其中综合稳定土试 件养生龄期为7 d.由表6可知,不论是粉土还是黏

土,综合稳定土的渗水系数均比同剂量石灰土的渗 水系数小一个数量级,表明综合稳定土的抗渗性能 远好于石灰土.
收缩性能试验结果见表7.由表7可知,在固化 土、石灰土及综合稳定土中,石灰土的干缩系数和温 缩系数最大,固化土次之,而综合稳定土最小.表明 固化剂和低剂量石灰对土的收缩性能有良好的改善 作用,其效果比单掺石灰或固化剂都好.

2.4　综合稳定土机理分析
在综合稳定土中存在着一系列反应.一方面,石 灰对黏土的特性具有明显的改善作用.当石灰加入 存在水的土中时,就会发生离子交换反应、絮凝作用 和火山灰反应[12].研究表明,即使加入少量石灰,絮 凝作用也能改善黏土的工程性质[13].上述各种反应 的共同作用显著改进了黏土的性能.另一方面,离子 液体固化剂能使水发生电离,在黏土颗粒表面诱发 离子的交换.当离子液体固化剂加入水中后,其初始 的作用就如同分散剂,具有增塑性,能增加被处治土 的塑性,并进一步改善处治土的压实特性;然后逐渐 渗透黏土颗粒周围的扩散双电层,把更多的离子带 到黏土颗粒的表面,通过固化剂的离子化作用,黏土 颗粒表面发生离子交换,使黏土颗粒表面被束缚的 水大部分以自由水的形式被排走,从而使压实过程 中黏土颗粒更为接近.离子交换作用的过程是长久 性的,能不断减少水和黏土颗粒之间的吸引作用,因 而减少了综合稳定土的膨胀和收缩,增大了综合稳 定土的强度,改善了其渗水性.
上述作用与土中黏土颗粒含量的多少有着直接 关系,而与土的阳离子交换量关系更为密切.
2.5　现场养生方式比较
现场养生方式对于竣工的半刚性材料至关重 要.为模拟现场养生情况,特制了120 cm×120 cm ×30 cm的试模,在试模内装填综合稳定土(土样为 C,固化剂用量为0.20 L/m3,石灰剂量为5%),用 手扶式振动压实机压实,然后分左、右两部分分别按 覆盖养生和喷洒1∶1 000的固化剂溶液这2种基 本方式养生(见图3(a)),养生均在室外进行.养生 期间记录天气情况,同时仔细观察养生试件的外观 变化,并拍照记录.

通过观察发现,刚制成的养生试件表面光滑密 实.覆盖养生的部分在3,5,9 d后表面依然光滑密 实;12 d后,其表面密实,但已不再光滑,从外观感 受其强度较高;17 d后仍没有新的变化.而喷洒固 化剂溶液养生的部分在3 d后其局部就出现了细微 的网状龟裂;5 d后,裂缝继续发展,但深度浅,网裂 面积有所增大;9 d后,网裂发展到整个表面,且深 度增加,局部出现了松散现象;12 d后,松散颗粒增 大,松散深度加深;17 d后,松散面积继续扩大(约 占90%),松散深度约1 cm,但松散层以下部分强度 依然较高.
上述现象表明,覆盖养生的效果优于喷洒固化 剂溶液养生,因此建议工程中采用覆盖养生方式.根 据工地情况,宜用湿土层覆盖,层厚5~10 cm.
3　结语
1.固化剂和低剂量石灰综合稳定土的无侧限抗 压强度与土的阳离子交换量之间具有显著的线性关 系,阳离子交换量越大,强度越高.土的阳离子交换 量是标志某种土是否适合用固化剂和低剂量石灰综 合稳定的最直接和最可靠的指标.
2.塑性指数为15~22的黏性土由固化剂和低 剂量石灰综合稳定可望获得较为理想的效果,但不 同的黏性土其稳定效果不同,只要塑性指数不小于 13即可使稳定土的强度符合7 d龄期的强度标准; 而粉质土不适宜用来稳定.
3.不论是从无侧限抗压强度、抗冻性能还是渗 水性能和收缩性能来看,采用固化剂和低剂量石灰 对土进行综合稳定的效果好于采用相应的石灰剂量 或固化剂用量进行稳定的土.
4.覆盖养生的效果优于喷洒固化剂溶液的养生 效果.
参考文献:
略