董志鵬

(中鐵濟(jì)南工程建設(shè)監(jiān)理有限公司,濟(jì)南 250022)

1 概述

隨著鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,在鐵路建設(shè)中遇到的土質(zhì)情況也千差萬(wàn)別。我國(guó)早在1967年就開(kāi)始利用粉煤灰混合料做路基結(jié)構(gòu)層,但由于早期強(qiáng)度低,基層鋪筑后不能及時(shí)開(kāi)放交通,并且受施工季節(jié)的限制等缺陷,對(duì)特殊土質(zhì)單純的使用石灰、水泥進(jìn)行加固效果并不理想。在這種情況下,土壤固化劑開(kāi)始引起工程技術(shù)人員的關(guān)注。固化劑加固土是采用一定的物理化學(xué)方法使土的物理力學(xué)性能適應(yīng)工程需求的技術(shù)。我國(guó)在這方面起步較晚,20世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù),雖然在這方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn),但缺乏一定的針對(duì)性,通用性差。針對(duì)粉土這類(lèi)土，用水泥、二灰以及石灰等常規(guī)結(jié)合料加固效果不好的基礎(chǔ)上尋找合適的化學(xué)固化劑進(jìn)一步強(qiáng)化其加固性能，并且系統(tǒng)地試驗(yàn)研究二灰加固結(jié)合固化劑加固土的路用性能和加固機(jī)理。

2 試驗(yàn)材料

2.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)所用的土樣來(lái)源于某鐵路施工段的粉土,為黃色和深黃色。其各種物理化學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

表1 土的物理性質(zhì)

表2 土的粒度成分分析

2.2 固化劑選擇和配方

試驗(yàn)所應(yīng)用的固化劑CPN(以后簡(jiǎn)稱(chēng)固化劑)是一種無(wú)機(jī)鹽,呈青灰色，透明的黏稠液體,溶于水呈堿性。遇酸分解(空氣中的CO2也能引起分解)而析出硅酸的膠質(zhì)沉淀。無(wú)水物為無(wú)定形、天藍(lán)色或黃綠色,為玻璃狀。相對(duì)密度隨模數(shù)的降低而增大,無(wú)固定的熔點(diǎn)。

選擇和研制固化劑的原則：(1)能夠改善路基基層混合材料的性能,提高其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,增加耐久性；(2)在一定程度上能夠減少二灰用量,激發(fā)粉煤灰活性,從而可以提高粉煤灰摻入量；(3)具有良好的性能價(jià)格比。

路基基層混合材料配比試驗(yàn)步驟如下：(1)配置固化劑水溶液；(2)稱(chēng)量各種原材料并混合均勻；(3)量取固化劑水溶液倒入混合料中攪拌均勻；(4)測(cè)定混合料的含水量、密度、最佳含水量及最大干密度等指標(biāo)；(5)將混合料放進(jìn)模具中搗實(shí),然后放到壓力機(jī)上壓實(shí)；(6)將試件脫模,放進(jìn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)；(7)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后,測(cè)定混合料的回彈模量,然后將試件放到壓力機(jī)上進(jìn)行無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.3 熟石灰及粉煤灰2.3.1 熟石灰

石灰是工程中常用的無(wú)機(jī)膠結(jié)材料,并且是氣硬性膠結(jié)材料,石灰由于其來(lái)源廣泛,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,成本低廉,所以至今仍被廣泛使用。石灰中CaO和MgO含量對(duì)穩(wěn)定土混合料的強(qiáng)度有明顯的影響。有效鈣含量小于20%時(shí),穩(wěn)定土混合料的強(qiáng)度就明顯下降。本試驗(yàn)所用的熟石灰的MgO的含量高于5%,所以屬于鎂質(zhì)熟石灰,其物理化學(xué)性質(zhì)如表3所示。

2.3.2 粉煤灰

粉煤灰是火力發(fā)電廠(chǎng)的副產(chǎn)品,是從粉煤灰的鍋爐煙氣中收集的粉狀灰粒,國(guó)外將其稱(chēng)為“飛灰”、“磨細(xì)燃料灰”。本試驗(yàn)用粉煤灰的基本性質(zhì)見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)用熟石灰的物理化學(xué)性質(zhì)

表4 粉煤灰的基本性質(zhì)

3 物理力學(xué)試驗(yàn)分析

從路基力學(xué)的角度對(duì)路基破損狀況分析看,路基各結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的破壞主要是由豎向力、水平剪應(yīng)力及底部的彎拉應(yīng)力所引起的。因此,對(duì)固化劑加固土的物理-化學(xué)性能分析從抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉模量、劈裂強(qiáng)度等幾個(gè)方面進(jìn)行研究。試驗(yàn)過(guò)程與石灰加固土進(jìn)行平行試驗(yàn),通過(guò)與石灰加固土的對(duì)比,找出其加固效果的程度以及變化規(guī)律特點(diǎn)。

3.1 固化劑最佳摻量的確定

為確定固化劑加固土中固化劑最佳摻量的配比,將兩種土分別以3種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(yǎng)生7 d,飽水24 h后求其飽水抗壓強(qiáng)度值,并根據(jù)飽水抗壓強(qiáng)度與固化劑劑量的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)確定各種土最佳固化劑劑量。將不同劑量固化劑加固土的7 d飽水抗壓強(qiáng)度值列于表5中(注：固化劑1為液體中模,固化劑2為液體底模高濃度,土樣1偏粉,土樣2偏黏)。悶料時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表6，固化劑的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表7。

由以上結(jié)果可以看出,隨著劑量的增大,固化劑加固土的早期強(qiáng)度也隨之增大,相互之間存在正比關(guān)系,但是劑量的增大也要考慮使用的具體技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要求。一般來(lái)說(shuō)5%左右的固化劑加固土能滿(mǎn)足工程實(shí)際的使用要求。從表中也可看出,固化劑加固土1的強(qiáng)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的比面積大,因而火山灰反應(yīng)更充分、更完全。此外,不同的悶料時(shí)間對(duì)固化劑加固土的早期強(qiáng)度也有明顯的影響。以3%的固化劑加固土為例,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),早期強(qiáng)度也隨之下降,可以理解為在早期水分充分的情況下,固化劑與石灰作用生成硅酸鈣等非火山灰結(jié)晶性膠結(jié)物,將固相顆粒土膠結(jié)并密化穩(wěn)定土結(jié)構(gòu),此時(shí)碾壓成型將有利于早期強(qiáng)度的提高。隨著悶料時(shí)間的延長(zhǎng),水分逐漸損失,對(duì)于混合料中火山灰進(jìn)一步的反應(yīng)有弱化的作用,因而早期強(qiáng)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(qiáng)度低,但增長(zhǎng)較快,后期強(qiáng)度高,但增長(zhǎng)較慢；固化劑加固二灰土比固化劑加固石灰土強(qiáng)度要高。

表5 固化劑劑量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

表6 悶料時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

表7 固化劑的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 MPa

3.2 水穩(wěn)定性

基層材料的水穩(wěn)定性是材料穩(wěn)定性的一個(gè)重要方面。路基基層往往受到路基水的下滲作用。同時(shí),地下水通過(guò)毛細(xì)管上升而產(chǎn)生浸蝕,如果基層材料因水穩(wěn)性不足而破壞,就會(huì)直接發(fā)射到面層上,從而影響路基的服務(wù)及使用壽命。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)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測(cè)定其水穩(wěn)定系數(shù)(R飽/R干)與二灰土及石灰加固土水穩(wěn)定系數(shù)(R飽/R干)，見(jiàn)表8。

表8 固化劑加固土的水穩(wěn)定系數(shù)

從表8中可以看出,兩種固化劑和二灰加固土的水穩(wěn)系數(shù)比兩種石灰加固土的水穩(wěn)系數(shù)高,另外兩種固化劑和石灰加固土比兩種石灰加固土的水穩(wěn)系數(shù)高,且水穩(wěn)系數(shù)隨齡期增加而增長(zhǎng)。這是因?yàn)楣袒瘎┘庸掏林蟹磻?yīng)生成的水化硅酸鈣凝膠體有憎水作用,能夠起到一種“屏蔽”作用,阻止水對(duì)土顆?；鶊F(tuán)的浸潤(rùn),保持了加固土的強(qiáng)度、穩(wěn)定性。

隨齡期增長(zhǎng),水化硅酸鈣凝膠體的數(shù)量也在增加,故水穩(wěn)系數(shù)也隨齡期而逐漸增長(zhǎng)。石灰土中雖然也有膠體存在,但這種膠體大都是由鋁離子、鈣離子、硅離子等形成的凝膠及它們的結(jié)晶體構(gòu)成,這些晶體及凝膠是含水的,不具有憎水性,在外界水的浸潤(rùn)下,易發(fā)生水化解離作用,降低土顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度,破壞加固土穩(wěn)定性,所以石灰加固土水穩(wěn)定性系數(shù)沒(méi)有固化劑加固土水穩(wěn)定性系數(shù)高。

3.3 凍穩(wěn)定性

半剛性基層材料的凍融循環(huán)試驗(yàn)?zāi)壳斑€沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)規(guī)程。材料的抗凍能力可以用經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù)和經(jīng)受一定次數(shù)凍融作用的強(qiáng)度損失來(lái)表征,這些指標(biāo)與凍融方法有關(guān)。將養(yǎng)生至規(guī)定齡期的試件飽水1晝夜后,在-20 ℃冰箱內(nèi)凍12 h,取出放在20 ℃水中融化12 h,此為一循環(huán),經(jīng)5次凍融循環(huán)后的飽水抗壓強(qiáng)度與未經(jīng)凍融循環(huán)的試件飽水抗壓強(qiáng)度的比值稱(chēng)為抗凍系數(shù),即：抗凍系數(shù)=試件經(jīng)凍融循環(huán)后的飽水抗壓強(qiáng)度/試件未經(jīng)凍融循環(huán)后的飽水抗壓強(qiáng)度。各種加固土28 d齡期試件,經(jīng)5次凍融循環(huán)后測(cè)其凍穩(wěn)定系數(shù)(R飽/R干),列于表9中。

加固土的抗凍性能與材料中孔隙率、顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度、液相中離子濃度等多因素有關(guān)。其中顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度對(duì)抗凍性能起著主要作用。若顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度高,足以抵消因凍脹作用引起的內(nèi)應(yīng)力,則材料的抗凍性能就好,凍穩(wěn)定系數(shù)就高。抗壓強(qiáng)度從一定程度上反映了材料顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的大小,一般來(lái)說(shuō),抗壓強(qiáng)度高的材料其抗凍性能就好一些。在這一點(diǎn)上,凍穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果與前抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果是對(duì)應(yīng)的。由前面試驗(yàn)結(jié)果分析可知,固化劑加固土中顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度比石灰土中顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度大,抗壓強(qiáng)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(zhǎng)而不斷增大,其耐凍系數(shù)會(huì)不斷提高,則固化劑加固土的耐凍系數(shù)(R凍/R飽),隨齡期增長(zhǎng)而不斷提高。這說(shuō)明固化劑加固土中,由固化劑形成的水化硅酸鈣凝膠體及結(jié)晶體填充于土顆粒之間,由于水化硅酸鈣凝膠體及結(jié)晶體有憎水功能,由它所形成的膠體及結(jié)晶體具有疏水效果,外界自由水較難進(jìn)入土體內(nèi)部,而只有少量結(jié)合水存在于晶體內(nèi)部。凍脹作用力主要是由于水結(jié)冰體積增大產(chǎn)生較大毛細(xì)管壓力引起的。水減少了,凍脹壓力也就相應(yīng)減少了。石灰土中較易進(jìn)入自由水,其含水量比固化劑加固土中要大,則凍脹壓力也就大,由凍脹壓力引起的強(qiáng)度損失也就多一些。綜上所述,可以得出如下結(jié)果：固化劑加固土凍穩(wěn)定性比石灰土強(qiáng),這對(duì)于潮濕寒冷地區(qū)提高路基抗凍穩(wěn)定性具有實(shí)用意義。

表9 固化劑加固二灰土的凍穩(wěn)定系數(shù)

3.4 劈裂強(qiáng)度

試件制備同時(shí)進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),將已到齡期的試件經(jīng)飽水后置于壓力機(jī)上,試件上下加壓條,在1 mm/min的速率下,測(cè)試其劈裂強(qiáng)度。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的試件測(cè)定其劈裂強(qiáng)度列于表10。

表10 固化劑加固土與石灰加固土劈裂強(qiáng)度

劈裂強(qiáng)度反應(yīng)了材料的抗拉強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度同材料的“原始黏聚力”及“固化黏聚力”有關(guān)。“原始黏聚力”是指材料在水分作用下發(fā)生團(tuán)聚,由表面張力提供的一種自身所固有的黏聚力?！肮袒ぞ哿Α笔侵覆牧显诩尤胩砑觿┖笥商砑觿┡c材料間起物理、化學(xué)反應(yīng)所帶來(lái)的黏聚力?！霸拣ぞ哿Α睂?duì)同一土質(zhì)來(lái)說(shuō)變化不大,但“固化黏聚力”則變化幅度較大。對(duì)固化加固土來(lái)說(shuō),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體與土顆粒的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度共同構(gòu)成的,不但這種晶體和土顆粒相互連接,而且晶體之間也相互連接形成一空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并且這種結(jié)構(gòu)隨齡期的增長(zhǎng)而不斷發(fā)展,引起固化劑加固土劈裂強(qiáng)度隨齡期增加而增長(zhǎng)。

石灰土劈裂強(qiáng)度主要由火山灰反應(yīng)和碳酸反應(yīng)提供,若灰量、水量適中,土顆粒間距離可能處于小的吸引力位置附近,若灰量或水量偏大,土顆粒間有較多自由灰或自由水存在,增大了顆粒間距,過(guò)大的顆粒間距就可能引起排斥力。石灰土顆粒間連接強(qiáng)度同固化劑加固土相比少了分子間引力一項(xiàng),其凝膠及晶體與土顆粒間的連接強(qiáng)度也不如固化劑加固土高,其劈裂強(qiáng)度就比固化劑加固土劈裂強(qiáng)度低一些。從上面的分析可知,劈裂強(qiáng)度由“原始黏聚力”及“固化黏聚力”一經(jīng)形成,在反應(yīng)期內(nèi)變化一般不大,只有“固化黏聚力”隨齡期增長(zhǎng)而增加?？梢赃@樣認(rèn)為,劈裂強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象,在一定程度上反映出材料內(nèi)部晶體和凝膠隨齡期增長(zhǎng)而增多的性質(zhì)。

3.5 室內(nèi)抗壓回彈模量

抗壓回彈模量試驗(yàn)采用φ10 cm×10 cm的圓柱形試件,以《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ067—94)中頂面法測(cè)試件的室內(nèi)抗壓回彈模量值(表11),主要儀器是路基材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀。回彈模量E的計(jì)算公式

E=PH/L(1)

式中E——回彈模量，kPa；

P——單位壓力，MPa；

H——試件高度，mm；

L——試件回彈形變。

表11 28 d齡期的回彈模量

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(huì)產(chǎn)生較小的變形,具有更好的使用品質(zhì)。由數(shù)據(jù)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。

3.6 抗彎拉強(qiáng)度與抗彎拉回彈模量

抗彎拉模量是通過(guò)測(cè)試試件的撓度來(lái)反推抗彎拉回彈模量。到達(dá)規(guī)定齡期時(shí),在MTS850材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三分點(diǎn)分級(jí)加載,測(cè)定壓頭兩端兩個(gè)加力點(diǎn)的分級(jí)撓度。由簡(jiǎn)支梁三分點(diǎn)加載的施力點(diǎn)撓度公式反推出抗彎拉回彈模量E(MPa)的計(jì)算見(jiàn)式(2),計(jì)算抗彎拉強(qiáng)度Rw見(jiàn)式(3)。

E=5(P0.5-P0)L3/324(Δ0.5-Δ0)J(2)

式中P0.5及P0——終荷載及初荷載，N；

L——試件底部?jī)蓚€(gè)支點(diǎn)之間的跨距，mm;

J——試件斷面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mm4；

h——試件寬度，mm。

Rw=p×I/(b×h2)(3)

式中p——試件破壞時(shí)最大壓力，N；

I——試件長(zhǎng)度，mm;

h——試件寬度，mm。

抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉回彈模量表征了材料的荷載擴(kuò)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(kuò)散能力有了明顯的提高,且固化劑加固具有比石灰加固較好的荷載擴(kuò)散能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)在二灰穩(wěn)定土基礎(chǔ)上,固化劑對(duì)粉土的加固作用進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)過(guò)程與石灰加固土進(jìn)行平行試驗(yàn),通過(guò)與石灰加固土的對(duì)比,找出其加固效果的不同程度以及變化規(guī)律特點(diǎn),得出以下結(jié)論。

表12 7 d和28 d齡期的抗彎拉強(qiáng)度 MPa

表13 7 d和28 d齡期的抗彎拉回彈模量 MPa

(1)固化劑加固土初期強(qiáng)度較低,后期強(qiáng)度較高,這一特性最為突出。并且具有一定的抗彎拉能力,表明其具有良好板體性。

(2)固化劑加固土后,抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)性、凍穩(wěn)性隨齡期的增長(zhǎng)而不斷提高。固化劑加固土的水穩(wěn)性與凍穩(wěn)性隨著齡期的增長(zhǎng)而增強(qiáng),水穩(wěn)定系數(shù)與耐凍性系數(shù)隨著齡期而增大,從凍穩(wěn)性試驗(yàn)明顯看出,固化劑加固土在28 d齡期時(shí)就具有一定凍穩(wěn)性,而石灰加固土28 d齡期時(shí)不具備凍穩(wěn)定性。

(3)土體自身的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)固化劑加固土的強(qiáng)度具有內(nèi)在聯(lián)系。土的黏粒含量、塑性指數(shù)等一些物理性質(zhì)與固化劑加固土強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)存在正相關(guān)關(guān)系。

(4)固化劑加固土的早期結(jié)構(gòu)的整體性要好于單純的二灰土,固化劑加固土所生成的凝膠物和結(jié)晶體均多于石灰加固土,形成的凝膠結(jié)構(gòu)與纖維狀晶體較石灰加固土完整,其整體結(jié)構(gòu)較好,可以用作路基基層材料。

[1] 沙慶林.高等級(jí)鐵路半剛性基層瀝青路基[M].北京：人民交通出版社,1991.

[2] 方左英.路基工程[M].北京：人民交通出版社,1990.

[3] 張登良.加固土原理[M].北京：人民交通出版社，1990.

[4] 楊東明.土壤固化劑在普通鐵路基層上的應(yīng)用[J].遼寧交通科技，2005(6)：45-46.

[5] 劉順妮，林宗壽，等.高含水黏土固化劑的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998,20(4)：12-75.

[6] 譚文英，汪益敏，等.土固化材料的研究現(xiàn)狀[J].中外鐵路，2004,24(4)：169-172.

[7] 張麗娟，汪益敏，等.電離子固化劑加固土的壓實(shí)性能研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,32(3),83-87.

[8] 蘇 群，徐淵博，等.國(guó)際以及國(guó)內(nèi)圖土壤固化劑的研究現(xiàn)狀和前景[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005,19(3)：1-4.