离子土固化剂加固堤坝道路路面的路用性能
                       汪益敏　张丽娟　陈页开　郭柏林　童　明　刘　炜
                               (华南理工大学交通学院,广东广州510640)
    摘要：结合广东湛江地区志满水库引水渠道离子土固化剂(ISS)加固土堤坝道路路面试验工程,开展ISS加固土堤坝道路路面的路用性能研究.通过室内试验,得出ISS加固土的压实特征、强度特征和水稳定性,提出固化材料配合比设计主要根据混合料的强度及 水稳性来确定的设计原则,试验得出加固现场含砂与干土的质量比,下同高液限粉土的加固材料最佳配合比为每立方米土中掺加0.3LISS和6%的石灰.通过修筑试验路,总结ISS加固土路面施工组织方法和施工工艺,对比研究厂拌法和路拌法施工工序、加固效果 和经济效益.研究表明:ISS加固土路面具有较好的承载能力、平整度、耐久性和水稳定性,可就地取材,施工方便,造价低.
    关键词：离子土固化剂;加固土;堤;坝;路面
    中图分类号：U416·2　文献标识码：A
    水利工程中的堤坝道路路面及某些防汛道路多 为土质填方修筑,普遍存在承载能力低和不均匀沉降 问题.传统上通常做成泥结碎石路面,或是水泥稳定 碎石基层的沥青路面或水泥路面.泥结碎石路面能较好适应路基变形,且造价低、易于维修,但晴天一路灰 尘,雨天泥浆飞溅,易于破坏.沥青路面及水泥路面能 适应路基变形,强度高,承载能力强,但工程造价高, 造成投资浪费.因此,需要研究和开发一种新型筑路 材料,将堤坝顶面硬化,可直接替代堤顶泥结碎石路 面,效果比泥结碎石路面更好;或结合堤顶道路特点, 改进沥青或水泥路面结构组合,降低工程造价. 离子土固化剂(IonicSoilStabilizer,简称ISS)是 一种电离子土固化剂,它利用高效的离子交换作用, 使粘土颗粒表面吸附的结合水游离出来,降低粘土 的亲水性,在压实功作用下,土体易于压实和稳定, 从而有效提高土体的密实度、承载力和防渗能力.ISS加固土一旦被压实稳固,将不会再发生 湿涨和塑化.ISS适用于粘土粒组含量20%(质量 分数)以上的多种土,可少用或不用水泥、碎石等材料,而充分利用当地低廉的土料,成本低,施工方便.ISS加固土作为堤坝道路面层具有较好的研究和推 广应用价值.
    为此,结合广东湛江地区志满水库引水渠道工 程,修筑ISS加固土堤坝道路路面试验工程,通过室 内和现场试验,对ISS加固土作为堤坝道路路面的 应用技术开展研究,掌握ISS加固土的性能以及ISS 加固土堤坝道路路面设计和施工方法,进行ISS加固土堤坝道路路面的效果检测和评价等.
    1　ISS加固土的性能
    1.1　现场土的基本性质
    湛江志满水库引水渠道现场土的颗粒特征和基 本物理力学性质如表1,2所示.按照公路土工试验 规程(JTJ051—93)分类方法,现场土定名为含砂高 液限粉土.
                 
                 
    1.2　ISS加固土的击实特征
    对现场土以及掺加0.3LISS(表示每立方米土中掺 加0·3LISS,下同)和6%(与干土的质量比,下同)石灰 的加固土进行重型击实试验,含水量与干密度的试验 结果见表3.
                    
    从表3结果可作含水量与干密度曲线,由曲线可 以看出,现场素土的最大干密度为1·46g·cm-3,最佳含 水量为29·55%;掺加0·3LISS和6%掺量的石灰时,加 固土的最大干密度为1·48g/cm3,最佳含水量为 27·32%.掺加固化材料ISS后,土的最大干密度稍稍 增大,最佳含水量降低2%.
    1.3　ISS加固土的强度特征
    为了增加土的强度,在ISS加固现场土中掺入 适量石灰和中砂,按照最佳含水量和最大干密度要 求制备试件,开展不同龄期、不同配合比条件下ISS 加固土的无侧限抗压强度试验,结果如表4所示.
                 
    从表4结果可看出,素土无侧限抗压强度为 0·915MPa,浸水后试样崩解,水稳定性很差.掺加 ISS和石灰后,强度明显增大,加固土遇水不崩解, 水稳定性较好.掺加10%(与干土的质量比,下同) 中砂后,加固土的浸水强度比相同掺量的ISS和石 灰的加固土有所提高.图1为不同配合比加固土的 浸水无侧限抗压强度与龄期关系,从图中可以看出, 各种配合比条件下,强度随养生龄期的增长而增加. 对比配合比为素土+6%石灰与素土+0·3LISS+ 6%石灰两组试验曲线,相同石灰掺量条件下,ISS 石灰加固土相比石灰加固土的7d龄期无侧限抗压 强度提高0·27MPa,28天龄期无侧限抗压强度提高 0·292MPa,60天龄期无侧限抗压强度增加0·186 MPa,结果显示,加固土前期强度增长较快,但28天 后强度增长减慢.当在素土+0·3LISS+6%石灰的 加固土中掺入10%的中砂时,加固土的浸水无侧限 抗压强度相比未掺砂时略有增大,其中7天龄期强 度增大0·181MPa,28天龄期强度增大0·083MPa.
                    
    1.4　ISS加固土的配合比
    堤坝道路路面最重要的工程特性是要具有较高 的强度和较好的水稳定性,因此,以无侧限抗压强度 为主要指标,确定ISS加固土的合适配合比.图2为 现场土每立方米土掺加0·3LISS和不同剂量石灰 配合比条件下加固土在7天和28天养生龄期的浸 水无侧限抗压强度关系曲线.从图中可以看出,相同 ISS含量下,石灰含量增加,浸水无侧限抗压强度也 随之增加.其中,28天养生龄期ISS加固土中石灰 含量为6%时,浸水无侧限抗压强度较大,达到 2·163MPa,比石灰用量4%的加固土强度增长了 0·931MPa.当石灰用量增至8%时,强度增长幅度不 大,仅增加了0·282MPa.因此,从经济性考虑,石灰含量选用6%比较适宜. 图3为现场土掺加6%石灰和不同剂量ISS配 合比条件下加固土在7天和28天养生龄期的无侧 限抗压强度.结果表明,ISS剂量增加,强度也随之 增加.每立方米土掺加0·3LISS的ISS加固土相比 未掺加ISS的石灰土强度增长较大,但每立方米土 掺加0·5LISS加固土强度增量较小,所以,选择加 固现场土的ISS剂量为每立方米土掺加0·3LISS.
                    
    据此,ISS加固现场土的配合比确定为石灰掺 量为6%,ISS掺量为每立方米土掺加0·3LISS.该 配合比条件下加固土7天龄期的浸水无侧限抗压强 度为1·448MPa,28天龄期的无侧限抗压强度为 2·163MPa.
    2　ISS加固土堤坝道路路面设计与施 工方法
    2.1　设计方法
    ISS用于堤顶道路路面结构层时,设计的主要 内容包括加固土类的选择、路面结构的设计和固化 材料配合比设计.
    (1)加固土类的选择.
    ISS的作用机理是通过中和粘土颗粒表面的离 子,将土粒表面吸附的部分水分子置换为自由水,使 土粒表面失去对水的静电吸附力,永久地将土的亲 水性变为疏水性,同时促进石灰或水泥与土发生化 学反应,从而改善土的工程性质.因此,ISS加固的 土料中应有一定含量的粘土成分,它适用于加固粘 粒含量为20%以上的各种砂类土、粉质土及粘质 土.进行土类选择时,应取代表性的土样进行下列试 验:颗粒分析、液限和塑性指数、有机质含量、含水量 及pH值.
    (2)路面结构设计.
    以ISS加固土作为堤坝道路路面进行结构设计 时,应当满足现行路面设计规范的有关规定和要求, 根据路基类型、土料类型和交通特征,按路面设计规 范要求计算确定路面结构层的组合及其厚度.
    (3)固化材料配合比设计.
    固化材料的配合比设计主要根据混合料的强度 及水稳性来确定.固化材料的配合比设计可按下列 原则进行:
    ①ISS加固土混合料抗压强度试件保湿养护7 天后,浸水应不易崩解.
    ②材料配合比的取值,在具体的工程条件下,根 据当地的降雨特征和土料性质以及道路交通特征, 通过抗压强度和浸水溶裂试验确定,做到安全稳定, 经济合理.
    2.2　现场试验方案
    湛江志满水库引水渠道堤顶道路现场试验路段 路面结构设计为:15cm厚ISS、石灰加固土面层,上 覆1cm厚碎石磨耗层.面层中,ISS的掺量为每立方 米土料掺加0·3L,石灰用量为6%.磨耗层中,碎石 粒径5mm左右.施工方法采用厂拌法和路拌法二种 施工方法进行对比研究,其中厂拌法施工试验路段 长200m,路拌法施工试验路段长100m.
    2·3　施工组织与施工工艺
    2.3.1　厂拌法施工
    (1)主要施工设备.强制式搅拌机1~2台;压 路机1台;平地机1台;推土机1台;挖掘机1台;自 卸汽车2台;装载机1台.
    (2)施工步骤和施工要点.①备料与拌和:采用 强制式搅拌机将ISS、石灰、水与土料拌和均匀,控 制含水量不高于加固土的最佳含水量5%(质量分 数),闷料1天后备用.②运输和摊铺混合料:将合 格混合料用自卸汽车运至堤顶道路施工现场,均匀 摊卸在施工范围内,本路段ISS加固土路面厚15cm,作为一个施工层进行施工,混合料的松铺厚 度为20cm,松铺系数1·35.③碾压:摊铺长度超过 30m之后开始碾压,此后前面摊铺,后面跟着碾压, 呈流水作业形式推进,整个碾压过程一般控制在4h 内完成.④路面养生和维护:ISS加固土路面压实 后,用平地机缓慢进行铲平,并及时在其上以适量及 合理级配的石料(屑)覆盖碾压,碾压后石料构造深 度至少1·5mm,以保证其层面不透水.同时伴以体 积稀释比为1∶500~1∶1000的ISS水溶液喷洒,一 周内每天早、晚喷洒两次,一周后至一个月内视天气 情况每天喷洒清水一次保湿养生.
    2.3.2　路拌法施工
    (1)主要施工设备.挖掘机1台;旋耕机1台 (翻晒现场土料用);洒水车1台;压路机1台;平地 机1台;推土机1台.
    (2)施工步骤和施工要点.①准备路面土料:用 挖掘机将现场土挖松,晾晒于路基上,松铺系数为 1·35,控制含水量低于最佳含水量2%~3%.为保 证后续工序洒水车喷洒ISS溶液施工方便,喷洒时 不因产生车辙而导致ISS溶液洒布不均匀,采用推 土机将松铺土层推平,排压挤密.②配兑ISS溶 液:按每立方米实方土体掺加0·3LISS原液的剂量 计算本作业区段所需ISS原液.将所需补充水量加 入洒水车后,缓慢兑入所需ISS,注意ISS原液的体 积稀释比最小为1∶200.③喷洒与拌合:采用洒水车 将配兑的ISS稀释液均匀地洒布在本作业段内已推 平的土料上,人工拌合一两遍,使溶液和土料充分拌 和均匀,有条件时,建议采用宝马拌和机进行拌和. 测定拌合后土料的含水量是否接近最佳含水量,如 过大,则需晾晒至最佳含水量.④石灰摊铺与拌合: 将6%的石灰采用人工方法均匀撒布在施工区域 内,采用挖掘机进行初步拌和,然后人工将石灰与土 拌合均匀,闷料1天.⑤整型与碾压:混合土料拌合 均匀后,用推土机将土层初步整平,并排压一两遍, 用平地机整形,形成路拱横坡,并注意保留一定的高 程余量.先用12~14t轻型光碾初压一两遍,然后用 光碾振动碾压2~4遍,最后轻碾静压收面,用平地 机进行整平,刮出路面横坡,高程及平整度.⑥养生 和维护:同厂拌法.
    3　ISS加固土堤坝路面的检测和评价
    3.1　回弹弯沉检测
    按照《公路路基路面现场检测试验规程》要求, 采用贝克曼梁测定回弹弯沉法进行路面承载能力评价.采用后轴6t的BZZ-60标准车,用贝克曼梁、百 分表及表架构成路面弯沉仪系统弯沉值准确到 0·01mm[14].回弹弯沉检测结果如表5所示. 经过统计,ISS加固土堤坝道路路面回弹弯沉 算术平均值为1·90mm,标准差为0·53,代表值为 1·94mm.同期修建的渠道左岸泥结碎石路面回弹弯 沉算术平均值为2·79mm,标准差为0·57,代表值为 2·88mm.两者相比较,ISS加固土堤坝道路路面的 回弹弯沉值仅为泥结碎石路面的67%,说明在相同 荷载作用下ISS加固土路面产生的变形小,其承载 能力明显比泥结碎石路面高.
                 
    3.2　路面破损状况调查
    3.2.1　ISS加固土路面与泥结碎石路面比较 湛江志满水库引水渠道堤顶道路ISS加固土路 面试验段于2003年3月竣工,由于ISS加固土路面 具有足够的强度,同时也容许产生一定的变形,兼具 半刚性和半柔性的特点,路面经过两年半时间的运 行,路面状况良好,路面平整坚实,未见坑洞、裂缝、 车辙、泥泞等病害.
同期修建的引水渠道左岸堤顶泥结碎石路面, 其路面状况明显差于右岸的ISS加固土路面,表面 车辙现象严重,下雨后道路泥泞不堪,路表面长满杂 草.通过泥结碎石路面和ISS加固土路面破损状况 对比,可以看出,ISS加固土路面具有较好的平整度、耐久性、水稳定性和美观性,适于作为堤坝道路 的面层.
    3.2.2　厂拌法与路拌法试验段对比
    跟踪调查结果表明,厂拌法与路拌法施工对堤坝道路路面使用性能没有明显的影响,两段试验路 路面状况均良好.因此,从施工方便和降低成本角度 出发,ISS加固土堤坝道路路面推荐采用路拌法施工.
    4　经济分析
    与其它常规堤坝道路路面对比,ISS加固土堤坝道路路面造价较低.表6为不同路面种类的造价比较.
                 
    从表6中不难看出,水泥掺量为5%的水泥碎石路面单价高出ISS加固土路面(路拌法)112%,泥 结碎石路面的单价高出ISS加固土路面(路拌法)47%.表列数据没有考虑运距的影响,而ISS加固土一般采用现场土料,可节省材料运费,因此,与常规 堤坝道路路面相比,ISS加固土堤坝道路路面具有 明显的经济效益.
    同时,ISS加固土路面可以充分利用原址土料 进行加固作路面面层,就地取材,而且对人体、牲畜、植物和大自然均无损害,最大限度地保护了生态环境,其社会效益也是显而易见的.
    5　结论
    通过ISS加固土在湛江志满水库堤坝道路路面的应用研究,可以得出以下几点结论:
    (1)试验路采用现场土每立方米土掺加0·3L ISS和6%的石灰进行加固,加固土具有较高的强度 和较好的水稳定性.
    (2)ISS适用于加固粘粒含量为20%以上的各 种砂类土、粉质土及粘质土,加固土路面设计应根据 路基类型、土料类型和交通特征,按路面设计规范要 求计算确定路面结构层的组合及其厚度,固化材料 配合比设计主要根据混合料的强度及水稳性来确定.
    (3)ISS加固土路面对施工没有特殊要求,可采用常规的稳定土施工机械进行施工,路拌法施工工序更为简单,施工速度快,就地取材,不仅降低造价,同时也便于推广.
    (4)ISS加固土路面加固效果跟踪和检测结果表明,ISS加固土路面具有较好的平整度、耐久性、承载能力、水稳定性和美观性.
    (5)ISS作为一种新型的堤坝道路路面材料, 与常规材料的堤坝道路路面造价相比较,具有显著的经济效益和社会效益.