杜海峰

水泥穩(wěn)定土在高速公路中的應(yīng)用

杜海峰

(安徽省公路橋梁工程公司,安徽合肥 230031)

粉質(zhì)土經(jīng)過水泥改善后有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益,因此,水泥穩(wěn)定土在高速公路工程中可積極應(yīng)用,但要注意控制其關(guān)鍵技術(shù)及影響強(qiáng)度的因素等問題。

高速公路路基;粉質(zhì)土施工;施工工藝

0 引言

泗許高速公路第二標(biāo)段均為粉質(zhì)土,實測CBR值為1.3%,不能滿足公路路基下路堤1.5m以下承載比大于3%的要求,在進(jìn)行路基施工時需要對此粉質(zhì)土進(jìn)行改善[1],使之既能滿足公路工程各項施工技術(shù)規(guī)范要求,又能充分利用現(xiàn)有資源,節(jié)約投資,得到社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙豐收。

1 水泥穩(wěn)定土的作用機(jī)理

水泥和土加水拌和后,水泥與水發(fā)生強(qiáng)烈的水解和水化反應(yīng),分解出Ca(OH)2,并形成其他水化物(3CaO· 2SiO2·3H2O、3CaO·Al2O3·6H2O、CaO·Fe2O3·H2O等),這些水化物在土中形成水泥石骨架,承擔(dān)大部分荷載,而土中的自由粉粒數(shù)量明顯減少,從而得到一種持水能力低、穩(wěn)定性增加、強(qiáng)度明顯提高的粗顆粒,這就是水泥穩(wěn)定土的作用機(jī)理。

水泥穩(wěn)定土主要的作用體現(xiàn)在兩方面,一是改變了土的塑性[2],使之更符合工程要求,二是增加了土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,延長了工程的使用壽命。

對第二標(biāo)段現(xiàn)場的粉質(zhì)土進(jìn)行了顆粒分析及有關(guān)特性試驗,得到了以下幾項基本數(shù)據(jù):

顆粒分析:小于0.075mm的顆粒92.8%;最大干密度:ρdmax=1.72 g/cm3;最佳含水量:ωop=13.9%;CBR值為1.3%;膨脹量為1.79%;液限值:ωL=26.7%;塑限值: ωP=16.1%;塑性指數(shù):IP=10.6。

以上試驗數(shù)據(jù)顯示,該土的液限不大于45%,塑性指數(shù)不大于20,且該土的不均勻系數(shù)Cu不小于5,因此該粉質(zhì)土可以用水泥進(jìn)行改善。經(jīng)過重型擊實試驗確定試驗參數(shù):最大干密度ρdmax=1.95g/m3,最佳含水量ωOP=12%。根據(jù)最佳含水量和計算的干密度制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件,試件的數(shù)量每組6個,在25℃的養(yǎng)護(hù)室保濕養(yǎng)生6d,浸水24h后,進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗及承載比試驗,不同水泥摻量的實驗數(shù)據(jù)見表1。

試驗結(jié)果表明水泥含量為2%時,能夠滿足公路下路堤承載比>3%的要求,又能滿足7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求。

表1 不同水泥摻量的實驗數(shù)據(jù)

2 水泥穩(wěn)定土的施工

2.1 基本參數(shù)的確定

在水泥混合料中,土、水泥和水的數(shù)量可按以下方法確定。

2.1.1 水泥穩(wěn)定土混合料的質(zhì)量

式中 M——水泥土混合料的質(zhì)量,t。

h——路段的高度,m。

b——路段的寬度,m。

L——路段的長度,m。

Pd——水泥穩(wěn)定土的預(yù)期壓實干密度,t/m3。

2.1.2 混合料中水的質(zhì)量

式中 ω——混合料的含水量,%。

2.1.3 混合料中干土的質(zhì)量

式中 C——水泥劑量,%。

2.1.4 混合料中水泥的質(zhì)量

通常水泥的含水量很小,對于施工來說可以忽略不計。第二標(biāo)段取層厚h=0.4m、寬度b=28m、L=100m,則取ρdmax=1.95t/m3, M=1.04×0.4×28×100×1.95=2271.4t取ωop=12.0%,Mω=12.0%×2271.4=272.6t

2.2 施工方法

本工程采用路拌法進(jìn)行水泥摻拌施工。采用虛鋪厚度30cm,壓實厚度25cm,壓實系數(shù)1.2,要求拌合整平、碾壓幾道工序緊緊銜接,在2h內(nèi)完成。

2.2.1 灑水

粉質(zhì)土含水量為6%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最佳含水量,呈粉狀。施工時要補充含水量至12%左右方可進(jìn)行壓實。壓實度達(dá)93%以上滿足公路施工規(guī)范。此類土滲透系數(shù)較小,提前一天灑水自滲厚度為10cm,所以施工時要提前灑水拌合,隨攤鋪隨灑水隨檢測,含水量合適后立即進(jìn)行碾壓成活。

2.2.2 撒鋪

為使水泥撒布均勻,本工程采用面積法進(jìn)行水泥撒鋪。先將需拌合的粉質(zhì)土灑水平整,并用兩輪光面鋼輪壓路機(jī)碾壓1～2遍,使土層表面平整并有一定的壓實度,然后進(jìn)行人工撒鋪,水泥撤鋪均勻后采用旋耕犁翻拌均勻,拌和翻拌次數(shù)不少于5遍。

2.2.3 碾壓

拌和平整后用推土機(jī)攤開,靜碾壓一遍,人工配合平地機(jī)整形至設(shè)計路拱。然后使用14t前光后膠震動壓路機(jī)靜壓、振壓各一遍,再用18t振動壓路機(jī)靜壓、振壓各一遍,最后用16t膠輪壓路機(jī)膠輪碾追密壓實一遍。

2.2.4 為提高一次驗收合格率,應(yīng)增加施工過程的檢測頻率,發(fā)現(xiàn)問題及時處理[3]。

2.2.5 養(yǎng)生

養(yǎng)生期需要保持壓實層長期濕潤,否則表層風(fēng)干土仍是粉狀,膨脹量大。

3 影響水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度的因素分析

3.1 土的物理組成、化學(xué)成分的影響

3.1.1 顆粒級配

土的顆粒級配情況直接影響混合料的密實度,從而影響穩(wěn)定土的強(qiáng)度、滲透性、壓縮性。級配不好,軟弱顆粒比較多,不足以填充粒間空隙,粒間接觸的面積相對小。擊實過程中一些顆粒被壓碎,會導(dǎo)致強(qiáng)度上不去。

3.1.2 顆粒大小

小于0.075mm的顆粒對水泥穩(wěn)定混合料的彎拉強(qiáng)度和彈性模量有很明顯的影響。通常是其含量愈多水泥混合料的強(qiáng)度和彈性模量越小。

3.1.3 土中有機(jī)物含量的影響

土中有機(jī)質(zhì)含量越多,水泥的結(jié)硬度越延緩,水泥穩(wěn)定后,其強(qiáng)度很低;反之,土壤中無有機(jī)質(zhì)其結(jié)硬度增長迅速且強(qiáng)度很高。我國規(guī)定,在用水泥穩(wěn)定土做底基層時,土中有機(jī)質(zhì)含量不得超過2%。

3.1.4 硫酸鹽

硫酸鹽能與結(jié)硬水泥中的鋁酸三鈣結(jié)合生成硫酸鋁酸鈣,造成土體積增大,從而破壞水泥穩(wěn)定土的膠結(jié)。3.1.5 碳酸鹽

土中含有CaCO3,有利于水泥穩(wěn)定。由于多數(shù)植物在石灰質(zhì)的土中不能生長,所以這種土中有機(jī)質(zhì)含量很低,而且土中的任何有機(jī)質(zhì)都被鈣離子所飽和。

3.2 水泥的影響

3.2.1 水泥的類型

由于從拌合到壓實,一般需要的時間至少為2h,采用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的普通硅酸鹽水泥,采用終凝時間較長標(biāo)號為3215級的水泥。水泥的終凝時間越長,則從拌合到壓實的延遲時間對水泥混合料的干密度和抗壓強(qiáng)度的影響越小,因此選用終凝時間長的水泥對于路拌施工是有利的。快硬水泥、早強(qiáng)水泥及已受潮變質(zhì)的水泥不得使用。

3.2.2 水泥摻量

水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度隨水泥劑量增大而增大,每增加單位水泥摻入比所引起的強(qiáng)度增量在不同齡期是不同的,在0～90d范圍內(nèi),齡期越長這種增量越高。經(jīng)大量實驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計,水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度與水泥摻人比例呈冪函數(shù)關(guān)系。通常其摻量以達(dá)到基本指標(biāo)的要求為標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 施工中其他因素的影響

3.3.1 攤鋪水泥

只有使水泥在土中均勻分布才能使水泥在穩(wěn)定土中發(fā)揮最大的功效。

3.3.2 拌合

拌合不均勻會大大影響水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度,水泥含量少的地方強(qiáng)度不能滿足設(shè)計要求,水泥含量高的地方會產(chǎn)生裂縫。

3.3.3 從加水拌合到壓實的延遲時間。

水泥遇到水就發(fā)生水化作用。從加水拌合到進(jìn)行壓實間隔的時間愈長,水泥的水化作用和結(jié)硬度就愈大。它會影響到水泥穩(wěn)定土所能達(dá)到的密實度,間隔時間愈長,影響愈大。因此水一旦加到混合料中,應(yīng)盡快拌合并攤平碾壓成型,延遲時間越長水泥穩(wěn)定土的干密度和抗壓強(qiáng)度損失就越大。

為減少延遲時間的影響,保證水泥穩(wěn)定土達(dá)到應(yīng)有的強(qiáng)度[4],本工程按照國家一些通用規(guī)定,在加水拌合后2h內(nèi)完成壓實。

4 結(jié)束語

通過對水泥穩(wěn)定土的實踐證明:當(dāng)路基原狀土為粉質(zhì)土?xí)r,可采用摻拌水泥的方法增加其強(qiáng)度和承載比。水泥穩(wěn)定土能夠形成良好的板體,有利于就地取材。改外棄換填為原土質(zhì)進(jìn)行水泥改善處理,不但能保證工程質(zhì)量,還可以降低工程造價。

[1] J TJ Fl0—2006.公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[2] J TJ 057—94.公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,1994.

[3] 紀(jì)永剛,叢利.談水泥穩(wěn)定度強(qiáng)度的影響因素[J].黑龍江交通科技,2005,132(2):17219.

[4] 趙健.水泥穩(wěn)定土底基層機(jī)械化施工[G]//中國公路學(xué)會筑路機(jī)械學(xué)會第十四次學(xué)術(shù)年會論文集12003.

責(zé)任編輯:文 月

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杜海峰(19732),男,安徽合肥人,安徽省公路橋梁工程公司工程師。研究方向:路橋工程技術(shù)。