用加固劑加固北京地區(qū)粉土及應(yīng)用研究

1、用加固劑加固北京地區(qū)粉土的應(yīng)用研究楊麗英（北京市公路局公路設(shè)計(jì)研究院）摘要本文對(duì)兩種粉狀加固劑加固粉土的性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析并通過(guò)修筑試驗(yàn)路說(shuō)明影響加固土力學(xué)特性的因素，文中還對(duì)加固土的性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，并得出相關(guān)結(jié)論。關(guān)鍵詞加固劑加固粉土試驗(yàn)分析相關(guān)結(jié)論目前，我國(guó)公路工程中普遍使用加固土，通過(guò)在土中摻加無(wú)機(jī)結(jié)合料形成半剛性材料以綜合提高土的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。我國(guó)使用較多的無(wú)機(jī)結(jié)合料是石灰和水泥，由此形成的石灰土、水泥土、石灰粉煤灰土由于技術(shù)性能優(yōu)良、施工簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉近年來(lái)在高等級(jí)公路中得到推廣，并廣泛應(yīng)用于土基表層、基層、底基層和墊層中。在國(guó)外應(yīng)用較多的是水泥土。近年來(lái)，隨著公路建設(shè)規(guī)模的

2、不斷擴(kuò)大，在公路建設(shè)中遇到的土質(zhì)情況也千差萬(wàn)別，因此各種特殊土的處理日益引起人們的關(guān)注，這些不良土質(zhì)有的路用性能差，如粉質(zhì)土遇水不穩(wěn)定，粘性土膨脹性大，有的土不易施工，如過(guò)濕土、重粘土，對(duì)這些特殊土使用石灰、水泥進(jìn)行加固效果不理想。在這種情況下，土壤加固劑開(kāi)始引起工程技術(shù)人員的關(guān)注。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)土壤加固劑的研究起步較早，他們從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，從電化學(xué)原理入手，綜合土壤力學(xué)、土壤化學(xué)、有機(jī)高分子化學(xué)、化學(xué)工程、材料工程、環(huán)境工程等多學(xué)科知識(shí)，形成一跨領(lǐng)域的交叉科學(xué)-土壤加固學(xué)。美國(guó)、日本、加拿大、南非等國(guó)都從各領(lǐng)域的基本要求出發(fā)，研制出適合不同要求、不同土質(zhì)情況的加固劑。這些加固劑在各國(guó)都

3、得到應(yīng)用，結(jié)果表明：使用加固劑，可以節(jié)約能源、節(jié)省投資且施工快捷，因而加固劑在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已形成相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)規(guī)模，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近幾年，隨著我國(guó)公路發(fā)展速度的加快，許多國(guó)外加固劑開(kāi)始向國(guó)內(nèi)推廣，我國(guó)許多省市也采用進(jìn)口加固劑修筑了不同等級(jí)的公路，取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，但由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的制約、土質(zhì)情況的差別、道路標(biāo)準(zhǔn)的差異、試驗(yàn)手段的不同，這些進(jìn)口固化劑在我國(guó)并沒(méi)有大規(guī)模的應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員開(kāi)始自主研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的固化劑，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)固化劑逐漸形成一定的規(guī)模，許多品牌的固化劑開(kāi)始在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，并取得良好的效果。一、加固劑的分類(lèi)加固劑種類(lèi)繁多，加固機(jī)理也

4、有所差異，但從總體上看，加固劑按形態(tài)的不同，一般可分為兩類(lèi)：液粉加固劑：一般由無(wú)機(jī)鹽配制的溶液，輔以石灰、水泥等材料，能改善土的技術(shù)性能的液粉和粉狀材料。道路中使用的該類(lèi)加固劑要求溶液中固體含量不大于3%不得有沉淀或絮狀物。粉狀加固劑：由粉狀無(wú)機(jī)鹽、石灰、水泥等不同材料混合而成的混合材料。我國(guó)自行研制開(kāi)發(fā)的粉狀加固劑中摻加活性材料以有效地提高土的性能，該類(lèi)加固劑的細(xì)度應(yīng)控制在0.075mm標(biāo)準(zhǔn)篩且篩余不超過(guò)15%二、加固劑的加固機(jī)理我國(guó)國(guó)產(chǎn)加固劑一般屬于粉狀加固劑范疇。國(guó)內(nèi)加固劑的研究大多是從水泥的加固機(jī)理出發(fā)，通過(guò)在各種基質(zhì)材料中添加各種特殊的高分子材料，如早強(qiáng)劑、激發(fā)劑、保水劑等以達(dá)到提高

5、土的路用性能的目的。雖然加固劑配方不同，成分各異，但加固機(jī)理大同小異，一般認(rèn)為其作用機(jī)理為：當(dāng)固化劑與含有一定水分的土混合后，即發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，首先在土中大量形成富含結(jié)晶水的針狀結(jié)晶體穿插在土顆粒空隙之間形成強(qiáng)度骨架，其次硅酸鹽類(lèi)水化物填充在骨架之中，使固化體系進(jìn)一步密實(shí)，最后在各種激發(fā)劑的強(qiáng)烈作用下，加固劑和部分土顆粒參加化學(xué)反應(yīng)，使加固土具有不可逆的良好的耐久性。液粉加固劑的加固機(jī)理多是基于電化學(xué)機(jī)理，各種加固劑溶于水后形成水溶液，噴灑于土中，加固劑包覆于土顆粒周?chē)?，同時(shí)使土中的膠質(zhì)電離，失去表面陽(yáng)性，使之無(wú)法吸收水分，從而提高土顆粒之間的吸附力，與此同時(shí)形成結(jié)晶鹽，從而綜合提高土

6、的性能。為了研究加固劑的路用性能，我們對(duì)兩種粉狀加固劑和一種液粉加固劑加固粉性土的效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析。本次試驗(yàn)選用的素土是北京地區(qū)常見(jiàn)的粉性土，該類(lèi)土性質(zhì)不穩(wěn)定，尤其是水穩(wěn)性不好，干燥時(shí)質(zhì)地堅(jiān)硬，遇水容易滑塌，在該類(lèi)土地區(qū)修建公路，其穩(wěn)定性成為我們必須考慮的問(wèn)題，同時(shí)該種土不易壓實(shí)，因此，針對(duì)該類(lèi)土一般都需要進(jìn)行加固。三、粉狀加固劑加固土性能試驗(yàn)試驗(yàn)中選用的素士采自興業(yè)路路基土,加固劑選用北京生產(chǎn)的兩種固化劑GB-0和B-4,固化劑摻量選用6%1 .土的基本參數(shù)一般情況下，摻加固化劑后土的最大干密度增大而最佳含水量降低，本次試驗(yàn)結(jié)果也符合這一規(guī)律。2 加固土的強(qiáng)度與剛度性能試驗(yàn)(1)加固土的7

7、天強(qiáng)度加固土的7大強(qiáng)度是進(jìn)行材料組成設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量檢驗(yàn)的重要指標(biāo)，它主要是用于進(jìn)行基層、底基層材料組成設(shè)計(jì)時(shí)評(píng)價(jià)材料的質(zhì)量和性能，同時(shí)也作為施工過(guò)程中質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定的重要指標(biāo)之一。為了比較加固劑對(duì)該類(lèi)土的加固效果，試驗(yàn)中采用石灰加固土和水泥加固土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。石灰選用首鋼自產(chǎn)生石灰粉，石灰等級(jí)為一級(jí)鈣質(zhì)灰，水泥選用普通硅酸鹽水泥325掰口425#兩種，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。目前，我國(guó)公路工程技術(shù)規(guī)范中對(duì)粉狀加固劑及加固土的技術(shù)要求沒(méi)有明確規(guī)定，本文中粉狀加固劑類(lèi)加固土的強(qiáng)度指標(biāo)是參考二灰土的指標(biāo)選用的，見(jiàn)表4。加脫土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)區(qū)|囊4團(tuán)工加固刎美中皿用3al青界公鼎鼐金濟(jì)二嫣憶：想以F幺部癡&

8、;3'5n1GT皿白幣/曬樽0.6-0.B黨壯hrM麻吸-jJD.G'O.a一祠I+S-3SIC-J11-r,右靛臭；U.K0.507右決勒姆展把步注5“iS費(fèi)一-25從表3試驗(yàn)結(jié)果看，從早期強(qiáng)度的角度分析，GB-0型及B-4型加固劑加固該粉土效果優(yōu)于石灰土、水泥土和二灰加固土。(2)加固土的劈裂強(qiáng)度和回彈模量我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，是采用彈性層狀理論進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，主要思路是根據(jù)設(shè)計(jì)彎沉計(jì)算路面厚度，并對(duì)高速、一級(jí)、二級(jí)公路的面層和平剛性基層、底基層進(jìn)行層底拉應(yīng)力驗(yàn)算。針對(duì)半剛性材料，上述厚度計(jì)算和拉應(yīng)力驗(yàn)算中用到加固土的設(shè)計(jì)參數(shù)為劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量。本次試驗(yàn)中對(duì)添加

9、兩種固化劑加固土的這兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。加固土基本設(shè)計(jì)參數(shù)表5加冏劑種類(lèi)B-4GB-0劈裂強(qiáng)度(MPa)0J80J6676455本次劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)中，試驗(yàn)方法參照公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ057-94)間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法(劈裂試驗(yàn))(T0806-94)。加固土干密度按最大干密度的95科算,在最佳含水量條件下用靜力壓實(shí)法制備50X50mm式件，試件在20±2c條件下恒溫恒濕(相對(duì)濕度90%養(yǎng)生6個(gè)月，養(yǎng)生期最后一天，試件浸水24小時(shí)?？箟夯貜椖Ａ吭囼?yàn)方法參照公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ057-94)頂面法測(cè)定抗壓回彈模量試驗(yàn)方法，加

10、固土按最大干密度的95%£最佳含水量條件下制件，試件尺寸100X100mm恒溫恒濕養(yǎng)生6個(gè)月，養(yǎng)生期最后一天用早強(qiáng)高強(qiáng)水泥凈漿抹平兩個(gè)端面，然后浸水一晝夜后進(jìn)行抗壓模量試驗(yàn)。3 試驗(yàn)路修筑與檢測(cè)在室內(nèi)試驗(yàn)得出加固土的基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，在興業(yè)路修筑了加固土試驗(yàn)路(1)試驗(yàn)路概況興業(yè)路(康莊路-京良路)全長(zhǎng)5.239公里，采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)行車(chē)速度80公里/小時(shí)，設(shè)計(jì)彎沉0.322毫米。興業(yè)路中k0+000k2+300路基寬16ml路面寬14mk2+300k2+900路基寬9m,路面寬7項(xiàng)k2+900k5+239路基寬12m路面寬9m(2)試驗(yàn)路方案在興業(yè)路采用土壤加固劑修筑試驗(yàn)

11、路，試驗(yàn)路段選在k0+9504段一混凝土板橋南北兩側(cè)，兩種加固劑GB-0和B-4各修筑300米試驗(yàn)段。試驗(yàn)路段采用加固劑加固土代替10面灰土層作為底基層。加固劑摻加劑量按重量比6%參加，原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)層厚度不變。試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)為：2e瀝青石屑4cm中粒式瀝壹磴色cm二灰砂礫15cm6%加固上為了觀測(cè)加固劑在高等級(jí)公路中的使用性能，加固土作為路面的底基層，原設(shè)計(jì)二級(jí)路標(biāo)準(zhǔn)按高速公路標(biāo)準(zhǔn)施工。對(duì)試驗(yàn)路段的技術(shù)要求如下：土壤加固劑GB-0和B-4的摻量均為6%加固土的7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到0.7MPa,壓實(shí)度達(dá)到95%(3)試驗(yàn)路施工試驗(yàn)路由北京市公路局大興分局工程段負(fù)責(zé)施工。施工時(shí)，撒水接近最佳含水

12、量時(shí)，按6%1量比撒布加固劑，然后用旋耕機(jī)進(jìn)行攪拌，一般拌和56遍即可使加固劑在土中分布均勻。石灰土采用10%5灰，由于石灰摻量較高，一般拌和810遍。拌和均勻后用振動(dòng)式壓路機(jī)進(jìn)行碾壓。試驗(yàn)路檢測(cè)為了考察加固土的路用性能，施工中對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行檢測(cè)。主要的檢測(cè)項(xiàng)目有：加固土7大強(qiáng)度檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)回彈模量檢測(cè)。7天強(qiáng)度檢驗(yàn)在加固土施工現(xiàn)場(chǎng)，加固劑與土拌和均勻后，現(xiàn)場(chǎng)取土，在室內(nèi)檢測(cè)加固土的7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表6。試驗(yàn)路加固土7無(wú)弓雖值表表6種類(lèi)加向卜令水最強(qiáng)度m國(guó)花劑7,520.4。間化利'-3.970.6從表6與表3室內(nèi)加固土7大抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果比較可見(jiàn)：施工現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)測(cè)得的加固土

13、的7天強(qiáng)度明顯低于室內(nèi)試驗(yàn)所得結(jié)果。室內(nèi)試驗(yàn)中，采用相同的素土和加固劑，摻加相同的固化劑比例，7天強(qiáng)度接近達(dá)1MPa而施工中，加固土7大強(qiáng)度只有0.40.6MPa只有室內(nèi)結(jié)果的一半左右。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可從以下幾方面分析：首先，室內(nèi)試驗(yàn)是在相對(duì)理想的條件下進(jìn)行的，可嚴(yán)格地控制試驗(yàn)的每一環(huán)節(jié)，加固劑與土拌和均勻，試件成型含水量、試件養(yǎng)生溫度濕度也可精確控制。而這些有利于加固土形成強(qiáng)度的條件在野外很難嚴(yán)格地人為控制，比如，可能出現(xiàn)加固土內(nèi)加固劑拌和不均的情況，造成強(qiáng)度不均勻。其次，試驗(yàn)路施工中，壓實(shí)含水量偏低，也是影響加固土強(qiáng)度形成的關(guān)鍵原因之一。最后，就是施工季節(jié)的影響，興業(yè)路試驗(yàn)段施工是在1

14、1月中旬，氣溫偏低，夜間氣溫接近0C,加固土強(qiáng)度形成緩慢，初期強(qiáng)度偏低?；貜椖Ａ繖z測(cè)試驗(yàn)段施工過(guò)程中，我們對(duì)試驗(yàn)路段土基和加固土底基層的回彈模量進(jìn)行了同步檢測(cè)。土基回彈模量是在土基壓實(shí)完成后測(cè)定的，加固土的回彈模量是在加固土層施工碾壓完成后養(yǎng)生7天后測(cè)定的?；貜椖Ａ繖z測(cè)方法參照承載板法測(cè)定土基回彈模量方法（T0943-95）o由于養(yǎng)生時(shí)間較短，各結(jié)構(gòu)層的回彈模量偏低，上表中所測(cè)數(shù)據(jù)僅作為與長(zhǎng)期回彈模量對(duì)比用。（5）加固土性能影響因素通過(guò)對(duì)加固土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和對(duì)興業(yè)路加固土試驗(yàn)路段的施工，可總結(jié)出影響加固劑性能的主要因素。施工中，碾壓含水量對(duì)加固土強(qiáng)度形成至關(guān)重要試驗(yàn)路段由于含水量偏低，加固土強(qiáng)

15、度比20c時(shí)強(qiáng)度大大降低。這是因?yàn)樗诩庸掏恋膹?qiáng)度形成過(guò)程中是不可缺少的，水泥完全水化需要本身重量20%的水，離子反應(yīng)也需在水環(huán)境下進(jìn)行，當(dāng)添加水量偏少時(shí)，不能保證各種反應(yīng)的充分進(jìn)行，土的初期強(qiáng)度形成受到阻礙。為了直觀地說(shuō)明水在加固劑反應(yīng)過(guò)程中的作用，我們?cè)谑覂?nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)：加固土中加水至最佳含水量，拌和均勻后炯料兩小時(shí)，在105c條件下烘干6小時(shí)，加固土的含水量降低0.5%。這一部分降低的含水量除包括拌和過(guò)程中的水分損失外，另外各種反應(yīng)（包括離子反應(yīng)、水化反應(yīng)、水化物的硬化反應(yīng)等）都開(kāi)始進(jìn)行，反應(yīng)生成的水化物中的結(jié)晶水在105c下不可能重新析出，因而，試驗(yàn)測(cè)得的含水量比預(yù)期要小，這從另一側(cè)面說(shuō)

16、明了含水量對(duì)加固土強(qiáng)度形成的重要性。一般加固土施工碾壓的含水量應(yīng)控制在最佳含水量+2流右。施工和養(yǎng)生溫度直接決定加固土的強(qiáng)度加固土的強(qiáng)度形成受溫度影響，高溫條件下，加固土強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快。低溫時(shí)，加固土溫度不易形成，受冰凍影響，反而會(huì)降低。因此，加固土的施工應(yīng)盡量在高溫季節(jié)，一般應(yīng)不低于5C。4液粉土壤加固劑性能試驗(yàn)液粉土壤固化劑，可用于加固道路路基和基層、底基層。但在公路工程中，許多固化劑在用于加固土?xí)r，都需要添加石灰作為催化劑，通過(guò)加固劑和石灰的共同作用綜合提高土的強(qiáng)度和剛度。本次試驗(yàn)選用一種液粉加固劑進(jìn)行性能試驗(yàn)，在素土中摻加液粉加固劑的方法是：加固劑按1：200體積比用水稀釋?zhuān)♂屢喊锤?/p>

17、土質(zhì)量5媾加，另外，參考該固化劑的使用說(shuō)明書(shū)，在土中另外摻加5%生石灰作為催化劑。為了進(jìn)行比較，試驗(yàn)中對(duì)不摻加石灰的加固土進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。按95%F密度制備5X5cm試件，試件恒溫（20±2C）何濕養(yǎng)生6天,為了考察該種加固土的水穩(wěn)性，試件第7天養(yǎng)生分兩批，一批泡水，一批繼續(xù)恒溫恒濕養(yǎng)生，7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表8。加固土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果衰衰8加固劑種類(lèi)第7天養(yǎng)生條件7天強(qiáng)度（MPQ一一一加固劑泡水0加固劑J不泡水.；0.56加加M+5%石灰,-111尸0.72加固劑+5%石灰不泡水1.03從表8中可以看到：加固劑對(duì)土的強(qiáng)度提高有一定的作用，但對(duì)水反應(yīng)敏感，試件恒溫恒濕養(yǎng)生7天后，不

18、浸水的試件具有一定的強(qiáng)度，在相同的條件下養(yǎng)生6天浸水一天后加固土試件完全松散，根本沒(méi)有強(qiáng)度，這說(shuō)明加固土的強(qiáng)度提高在很大程度上受養(yǎng)生條件的制約。同時(shí)加固土的強(qiáng)度還與是否添加生石灰粉有關(guān)，摻加5%5灰后，土的強(qiáng)度顯著提高，浸水后試件強(qiáng)度可達(dá)0.72MPa,而不添加石灰的加固土不浸水強(qiáng)度雖有所提高，浸水后其強(qiáng)度喪失殆盡，這也說(shuō)明了在該加固劑中添加石灰催化劑的必要性。對(duì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象的的原因進(jìn)行分析：從加固劑的加固機(jī)理入手，浸水后，大量的水會(huì)進(jìn)入加固土中，使土中已結(jié)晶的結(jié)晶水重新析出，導(dǎo)致遇水強(qiáng)度降低，因此,應(yīng)摻加一定劑量的石灰作為催化劑保證各種電化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性。對(duì)單純添加該種加固劑加固土強(qiáng)度的評(píng)價(jià)不能采用常規(guī)的7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法中浸水檢驗(yàn)水穩(wěn)性的方法，這一特殊的要求使得該加固劑目前在我國(guó)的推廣受到制約。國(guó)外許多液粉加固劑都存在這一問(wèn)題，即水穩(wěn)性差，即便在干燥狀態(tài)下，加固土強(qiáng)度相當(dāng)高，一旦遇水，強(qiáng)度迅速降低甚至完全喪失。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范半剛性材料配合比組成設(shè)計(jì)中，要求加固土經(jīng)一晝夜浸水檢驗(yàn)其水穩(wěn)性，許多國(guó)外加固劑不能滿(mǎn)足我國(guó)規(guī)范要求，因此在采用加固劑時(shí)應(yīng)充分考慮其水穩(wěn)性問(wèn)題