用加固劑加固北京地區(qū)粉土及應用研究

1、用加固劑加固北京地區(qū)粉土的應用研究楊麗英（北京市公路局公路設計研究院）摘要本文對兩種粉狀加固劑加固粉土的性能進行了試驗分析并通過修筑試驗路說明影響加固土力學特性的因素，文中還對加固土的性能進行試驗分析，并得出相關(guān)結(jié)論。關(guān)鍵詞加固劑加固粉土試驗分析相關(guān)結(jié)論目前，我國公路工程中普遍使用加固土，通過在土中摻加無機結(jié)合料形成半剛性材料以綜合提高土的強度、剛度和穩(wěn)定性。我國使用較多的無機結(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、施工簡單且價格低廉近年來在高等級公路中得到推廣，并廣泛應用于土基表層、基層、底基層和墊層中。在國外應用較多的是水泥土。近年來，隨著公路建設規(guī)模的

2、不斷擴大，在公路建設中遇到的土質(zhì)情況也千差萬別，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，如過濕土、重粘土，對這些特殊土使用石灰、水泥進行加固效果不理想。在這種情況下，土壤加固劑開始引起工程技術(shù)人員的關(guān)注。國外發(fā)達國家對土壤加固劑的研究起步較早，他們從環(huán)境保護的角度出發(fā)，從電化學原理入手，綜合土壤力學、土壤化學、有機高分子化學、化學工程、材料工程、環(huán)境工程等多學科知識，形成一跨領域的交叉科學-土壤加固學。美國、日本、加拿大、南非等國都從各領域的基本要求出發(fā)，研制出適合不同要求、不同土質(zhì)情況的加固劑。這些加固劑在各國都

3、得到應用，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，因而加固劑在國外發(fā)達國家已形成相當?shù)漠a(chǎn)業(yè)規(guī)模，取得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。近幾年，隨著我國公路發(fā)展速度的加快，許多國外加固劑開始向國內(nèi)推廣，我國許多省市也采用進口加固劑修筑了不同等級的公路，取得了寶貴的經(jīng)驗和教訓，但由于我國經(jīng)濟水平的制約、土質(zhì)情況的差別、道路標準的差異、試驗手段的不同，這些進口固化劑在我國并沒有大規(guī)模的應用。近年來，國內(nèi)工程技術(shù)人員開始自主研究開發(fā)適合我國國情的固化劑，經(jīng)過幾年的發(fā)展，國產(chǎn)固化劑逐漸形成一定的規(guī)模，許多品牌的固化劑開始在國內(nèi)推廣應用，并取得良好的效果。一、加固劑的分類加固劑種類繁多，加固機理也

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：液粉加固劑：一般由無機鹽配制的溶液，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：由粉狀無機鹽、石灰、水泥等不同材料混合而成的混合材料。我國自行研制開發(fā)的粉狀加固劑中摻加活性材料以有效地提高土的性能，該類加固劑的細度應控制在0.075mm標準篩且篩余不超過15%二、加固劑的加固機理我國國產(chǎn)加固劑一般屬于粉狀加固劑范疇。國內(nèi)加固劑的研究大多是從水泥的加固機理出發(fā)，通過在各種基質(zhì)材料中添加各種特殊的高分子材料，如早強劑、激發(fā)劑、保水劑等以達到提高

5、土的路用性能的目的。雖然加固劑配方不同，成分各異，但加固機理大同小異，一般認為其作用機理為：當固化劑與含有一定水分的土混合后，即發(fā)生一系列物理化學反應，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?？障吨g形成強度骨架，其次硅酸鹽類水化物填充在骨架之中，使固化體系進一步密實，最后在各種激發(fā)劑的強烈作用下，加固劑和部分土顆粒參加化學反應，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理多是基于電化學機理，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圍，同時使土中的膠質(zhì)電離，失去表面陽性，使之無法吸收水分，從而提高土顆粒之間的吸附力，與此同時形成結(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，我們對兩種粉狀加固劑和一種液粉加固劑加固粉性土的效果進行了試驗分析。本次試驗選用的素土是北京地區(qū)常見的粉性土，該類土性質(zhì)不穩(wěn)定，尤其是水穩(wěn)性不好，干燥時質(zhì)地堅硬，遇水容易滑塌，在該類土地區(qū)修建公路，其穩(wěn)定性成為我們必須考慮的問題，同時該種土不易壓實，因此，針對該類土一般都需要進行加固。三、粉狀加固劑加固土性能試驗試驗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，本次試驗結(jié)果也符合這一規(guī)律。2 加固土的強度與剛度性能試驗(1)加固土的7

7、天強度加固土的7大強度是進行材料組成設計和施工質(zhì)量檢驗的重要指標，它主要是用于進行基層、底基層材料組成設計時評價材料的質(zhì)量和性能，同時也作為施工過程中質(zhì)量檢驗與評定的重要指標之一。為了比較加固劑對該類土的加固效果，試驗中采用石灰加固土和水泥加固土進行對比試驗。石灰選用首鋼自產(chǎn)生石灰粉，石灰等級為一級鈣質(zhì)灰，水泥選用普通硅酸鹽水泥325掰口425#兩種，試驗結(jié)果見表3。目前，我國公路工程技術(shù)規(guī)范中對粉狀加固劑及加固土的技術(shù)要求沒有明確規(guī)定，本文中粉狀加固劑類加固土的強度指標是參考二灰土的指標選用的，見表4。加脫土的強度標準區(qū)|囊4團工加固刎美中皿用3al青界公鼎鼐金濟二嫣憶：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費一-25從表3試驗結(jié)果看，從早期強度的角度分析，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)加固土的劈裂強度和回彈模量我國瀝青路面設計規(guī)范中，是采用彈性層狀理論進行路面結(jié)構(gòu)設計的，主要思路是根據(jù)設計彎沉計算路面厚度，并對高速、一級、二級公路的面層和平剛性基層、底基層進行層底拉應力驗算。針對半剛性材料，上述厚度計算和拉應力驗算中用到加固土的設計參數(shù)為劈裂強度和抗壓回彈模量。本次試驗中對添加

9、兩種固化劑加固土的這兩個設計參數(shù)進行了室內(nèi)試驗，試驗結(jié)果見表5。加固土基本設計參數(shù)表5加冏劑種類B-4GB-0劈裂強度(MPa)0J80J6676455本次劈裂強度試驗中，試驗方法參照公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程(JTJ057-94)間接抗拉強度試驗方法(劈裂試驗)(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法制備50X50mm式件，試件在20±2c條件下恒溫恒濕(相對濕度90%養(yǎng)生6個月，養(yǎng)生期最后一天，試件浸水24小時?？箟夯貜椖Ａ吭囼灧椒▍⒄展饭こ虩o機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程(JTJ057-94)頂面法測定抗壓回彈模量試驗方法，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個月，養(yǎng)生期最后一天用早強高強水泥凈漿抹平兩個端面，然后浸水一晝夜后進行抗壓模量試驗。3 試驗路修筑與檢測在室內(nèi)試驗得出加固土的基本參數(shù)的基礎上，在興業(yè)路修筑了加固土試驗路(1)試驗路概況興業(yè)路(康莊路-京良路)全長5.239公里，采用二級公路標準設計。設計行車速度80公里/小時，設計彎沉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k2+900k5+239路基寬12m路面寬9m(2)試驗路方案在興業(yè)路采用土壤加固劑修筑試驗

11、路，試驗路段選在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米試驗段。試驗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，原設計結(jié)構(gòu)層厚度不變。試驗路路面結(jié)構(gòu)為：2e瀝青石屑4cm中粒式瀝壹磴色cm二灰砂礫15cm6%加固上為了觀測加固劑在高等級公路中的使用性能，加固土作為路面的底基層，原設計二級路標準按高速公路標準施工。對試驗路段的技術(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天無側(cè)限抗壓強度應達到0.7MPa,壓實度達到95%(3)試驗路施工試驗路由北京市公路局大興分局工程段負責施工。施工時，撒水接近最佳含水

12、量時，按6%1量比撒布加固劑，然后用旋耕機進行攪拌，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。拌和均勻后用振動式壓路機進行碾壓。試驗路檢測為了考察加固土的路用性能，施工中對試驗路段進行檢測。主要的檢測項目有：加固土7大強度檢驗和現(xiàn)場回彈模量檢測。7天強度檢驗在加固土施工現(xiàn)場，加固劑與土拌和均勻后，現(xiàn)場取土，在室內(nèi)檢測加固土的7天無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果見表6。試驗路加固土7無弓雖值表表6種類加向卜令水最強度m國花劑7,520.4。間化利'-3.970.6從表6與表3室內(nèi)加固土7大抗壓強度試驗結(jié)果比較可見：施工現(xiàn)場取樣試驗測得的加固土

13、的7天強度明顯低于室內(nèi)試驗所得結(jié)果。室內(nèi)試驗中，采用相同的素土和加固劑，摻加相同的固化劑比例，7天強度接近達1MPa而施工中，加固土7大強度只有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)試驗是在相對理想的條件下進行的，可嚴格地控制試驗的每一環(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度的條件在野外很難嚴格地人為控制，比如，可能出現(xiàn)加固土內(nèi)加固劑拌和不均的情況，造成強度不均勻。其次，試驗路施工中，壓實含水量偏低，也是影響加固土強度形成的關(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,加固土強度形成緩慢，初期強度偏低?；貜椖Ａ繖z測試驗段施工過程中，我們對試驗路段土基和加固土底基層的回彈模量進行了同步檢測。土基回彈模量是在土基壓實完成后測定的，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天后測定的?；貜椖Ａ繖z測方法參照承載板法測定土基回彈模量方法（T0943-95）o由于養(yǎng)生時間較短，各結(jié)構(gòu)層的回彈模量偏低，上表中所測數(shù)據(jù)僅作為與長期回彈模量對比用。（5）加固土性能影響因素通過對加固土進行室內(nèi)試驗和對興業(yè)路加固土試驗路段的施工，可總結(jié)出影響加固劑性能的主要因素。施工中，碾壓含水量對加固土強度形成至關(guān)重要試驗路段由于含水量偏低，加固土強

15、度比20c時強度大大降低。這是因為水在加固土的強度形成過程中是不可缺少的，水泥完全水化需要本身重量20%的水，離子反應也需在水環(huán)境下進行，當添加水量偏少時，不能保證各種反應的充分進行，土的初期強度形成受到阻礙。為了直觀地說明水在加固劑反應過程中的作用，我們在室內(nèi)進行了試驗：加固土中加水至最佳含水量，拌和均勻后炯料兩小時，在105c條件下烘干6小時，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程中的水分損失外，另外各種反應（包括離子反應、水化反應、水化物的硬化反應等）都開始進行，反應生成的水化物中的結(jié)晶水在105c下不可能重新析出，因而，試驗測得的含水量比預期要小，這從另一側(cè)面說

16、明了含水量對加固土強度形成的重要性。一般加固土施工碾壓的含水量應控制在最佳含水量+2流右。施工和養(yǎng)生溫度直接決定加固土的強度加固土的強度形成受溫度影響，高溫條件下，加固土強度增長速度快。低溫時，加固土溫度不易形成，受冰凍影響，反而會降低。因此，加固土的施工應盡量在高溫季節(jié)，一般應不低于5C。4液粉土壤加固劑性能試驗液粉土壤固化劑，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時，都需要添加石灰作為催化劑，通過加固劑和石灰的共同作用綜合提高土的強度和剛度。本次試驗選用一種液粉加固劑進行性能試驗，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，稀釋液按干

17、土質(zhì)量5媾加，另外，參考該固化劑的使用說明書，在土中另外摻加5%生石灰作為催化劑。為了進行比較，試驗中對不摻加石灰的加固土進行對照試驗。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天無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如表8。加固土強度試驗結(jié)果衰衰8加固劑種類第7天養(yǎng)生條件7天強度（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：加固劑對土的強度提高有一定的作用，但對水反應敏感，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，根本沒有強度，這說明加固土的強度提高在很大程度上受養(yǎng)生條件的制約。同時加固土的強度還與是否添加生石灰粉有關(guān)，摻加5%5灰后，土的強度顯著提高，浸水后試件強度可達0.72MPa,而不添加石灰的加固土不浸水強度雖有所提高，浸水后其強度喪失殆盡，這也說明了在該加固劑中添加石灰催化劑的必要性。對出現(xiàn)這一現(xiàn)象的的原因進行分析：從加固劑的加固機理入手，浸水后，大量的水會進入加固土中，使土中已結(jié)晶的結(jié)晶水重新析出，導致遇水強度降低，因此,應摻加一定劑量的石灰作為催化劑保證各種電化學反應的穩(wěn)定性。對單純添加該種加固劑加固土強度的評價不能采用常規(guī)的7天無側(cè)限抗壓強度試驗方法中浸水檢驗水穩(wěn)性的方法，這一特殊的要求使得該加固劑目前在我國的推廣受到制約。國外許多液粉加固劑都存在這一問題，即水穩(wěn)性差，即便在干燥狀態(tài)下，加固土強度相當高，一旦遇水，強度迅速降低甚至完全喪失。我國現(xiàn)行規(guī)范半剛性材料配合比組成設計中，要求加固土經(jīng)一晝夜浸水檢驗其水穩(wěn)性，許多國外加固劑不能滿足我國規(guī)范要求，因此在采用加固劑時應充分考慮其水穩(wěn)性問題