固化劑在加固土中的試驗研究

董志鵬

(中鐵濟南工程建設監理有限公司,濟南 250022)

1 概述

隨著鐵路建設規模的不斷擴大,在鐵路建設中遇到的土質情況也千差萬別。我國早在1967年就開始利用粉煤灰混合料做路基結構層,但由于早期強度低,基層鋪筑后不能及時開放交通,并且受施工季節的限制等缺陷,對特殊土質單純的使用石灰、水泥進行加固效果并不理想。在這種情況下,土壤固化劑開始引起工程技術人員的關注。固化劑加固土是采用一定的物理化學方法使土的物理力學性能適應工程需求的技術。我國在這方面起步較晚,20世紀80年代開始引進這項技術,雖然在這方面積累了一定的經驗,但缺乏一定的針對性,通用性差。針對粉土這類土，用水泥、二灰以及石灰等常規結合料加固效果不好的基礎上尋找合適的化學固化劑進一步強化其加固性能，并且系統地試驗研究二灰加固結合固化劑加固土的路用性能和加固機理。

2 試驗材料

2.1 試驗用土

試驗所用的土樣來源于某鐵路施工段的粉土,為黃色和深黃色。其各種物理化學性能指標見表1、表2。

表1 土的物理性質

表2 土的粒度成分分析

2.2 固化劑選擇和配方

試驗所應用的固化劑CPN(以后簡稱固化劑)是一種無機鹽,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)而析出硅酸的膠質沉淀。無水物為無定形、天藍色或黃綠色,為玻璃狀。相對密度隨模數的降低而增大,無固定的熔點。

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,提高其無側限抗壓強度,增加耐久性；(2)在一定程度上能夠減少二灰用量,激發粉煤灰活性,從而可以提高粉煤灰摻入量；(3)具有良好的性能價格比。

路基基層混合材料配比試驗步驟如下：(1)配置固化劑水溶液；(2)稱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)測定混合料的含水量、密度、最佳含水量及最大干密度等指標；(5)將混合料放進模具中搗實,然后放到壓力機上壓實；(6)將試件脫模,放進養護箱養護；(7)標準養護7 d后,測定混合料的回彈模量,然后將試件放到壓力機上進行無側限強度試驗。

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機膠結材料,并且是氣硬性膠結材料,石灰由于其來源廣泛,生產工藝簡單,成本低廉,所以至今仍被廣泛使用。石灰中CaO和MgO含量對穩定土混合料的強度有明顯的影響。有效鈣含量小于20%時,穩定土混合料的強度就明顯下降。本試驗所用的熟石灰的MgO的含量高于5%,所以屬于鎂質熟石灰,其物理化學性質如表3所示。

2.3.2 粉煤灰

粉煤灰是火力發電廠的副產品,是從粉煤灰的鍋爐煙氣中收集的粉狀灰粒,國外將其稱為“飛灰”、“磨細燃料灰”。本試驗用粉煤灰的基本性質見表4。

表3 試驗用熟石灰的物理化學性質

表4 粉煤灰的基本性質

3 物理力學試驗分析

從路基力學的角度對路基破損狀況分析看,路基各結構層產生的破壞主要是由豎向力、水平剪應力及底部的彎拉應力所引起的。因此,對固化劑加固土的物理-化學性能分析從抗壓強度、抗彎拉強度、抗彎拉模量、劈裂強度等幾個方面進行研究。試驗過程與石灰加固土進行平行試驗,通過與石灰加固土的對比,找出其加固效果的程度以及變化規律特點。

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,養生7 d,飽水24 h后求其飽水抗壓強度值,并根據飽水抗壓強度與固化劑劑量的關系曲線來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)。悶料時間對抗壓強度的影響見表6，固化劑的無側限抗壓強度見表7。

由以上結果可以看出,隨著劑量的增大,固化劑加固土的早期強度也隨之增大,相互之間存在正比關系,但是劑量的增大也要考慮使用的具體技術與經濟要求。一般來說5%左右的固化劑加固土能滿足工程實際的使用要求。從表中也可看出,固化劑加固土1的強度比加固土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,因而火山灰反應更充分、更完全。此外,不同的悶料時間對固化劑加固土的早期強度也有明顯的影響。以3%的固化劑加固土為例,隨著時間的延長,早期強度也隨之下降,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晶性膠結物,將固相顆粒土膠結并密化穩定土結構,此時碾壓成型將有利于早期強度的提高。隨著悶料時間的延長,水分逐漸損失,對于混合料中火山灰進一步的反應有弱化的作用,因而早期強度也隨之下降。從上述分析中可以肯定,固化劑加固土早期強度低,但增長較快,后期強度高,但增長較慢；固化劑加固二灰土比固化劑加固石灰土強度要高。

表5 固化劑劑量與抗壓強度關系

表6 悶料時間對抗壓強度的影響

表7 固化劑的無側限抗壓強度 MPa

3.2 水穩定性

基層材料的水穩定性是材料穩定性的一個重要方面。路基基層往往受到路基水的下滲作用。同時,地下水通過毛細管上升而產生浸蝕,如果基層材料因水穩性不足而破壞,就會直接發射到面層上,從而影響路基的服務及使用壽命。將標準養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定其水穩定系數(R飽/R干)與二灰土及石灰加固土水穩定系數(R飽/R干)，見表8。

表8 固化劑加固土的水穩定系數

從表8中可以看出,兩種固化劑和二灰加固土的水穩系數比兩種石灰加固土的水穩系數高,另外兩種固化劑和石灰加固土比兩種石灰加固土的水穩系數高,且水穩系數隨齡期增加而增長。這是因為固化劑加固土中反應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,阻止水對土顆粒基團的浸潤,保持了加固土的強度、穩定性。

隨齡期增長,水化硅酸鈣凝膠體的數量也在增加,故水穩系數也隨齡期而逐漸增長。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晶體構成,這些晶體及凝膠是含水的,不具有憎水性,在外界水的浸潤下,易發生水化解離作用,降低土顆粒間聯結強度,破壞加固土穩定性,所以石灰加固土水穩定性系數沒有固化劑加固土水穩定性系數高。

3.3 凍穩定性

半剛性基層材料的凍融循環試驗目前還沒有統一的試驗規程。材料的抗凍能力可以用經受凍融循環的次數和經受一定次數凍融作用的強度損失來表征,這些指標與凍融方法有關。將養生至規定齡期的試件飽水1晝夜后,在-20 ℃冰箱內凍12 h,取出放在20 ℃水中融化12 h,此為一循環,經5次凍融循環后的飽水抗壓強度與未經凍融循環的試件飽水抗壓強度的比值稱為抗凍系數,即：抗凍系數=試件經凍融循環后的飽水抗壓強度/試件未經凍融循環后的飽水抗壓強度。各種加固土28 d齡期試件,經5次凍融循環后測其凍穩定系數(R飽/R干),列于表9中。

加固土的抗凍性能與材料中孔隙率、顆粒間聯結強度、液相中離子濃度等多因素有關。其中顆粒間聯結強度對抗凍性能起著主要作用。若顆粒間聯結強度高,足以抵消因凍脹作用引起的內應力,則材料的抗凍性能就好,凍穩定系數就高。抗壓強度從一定程度上反映了材料顆粒間聯結強度的大小,一般來說,抗壓強度高的材料其抗凍性能就好一些。在這一點上,凍穩定性試驗結果與前抗壓強度的試驗結果是對應的。由前面試驗結果分析可知,固化劑加固土中顆粒間聯結強度比石灰土中顆粒間聯結強度大,抗壓強度比石灰土高,則固化劑加固土抗凍效果比石灰土好一些。隨著齡期增長而不斷增大,其耐凍系數會不斷提高,則固化劑加固土的耐凍系數(R凍/R飽),隨齡期增長而不斷提高。這說明固化劑加固土中,由固化劑形成的水化硅酸鈣凝膠體及結晶體填充于土顆粒之間,由于水化硅酸鈣凝膠體及結晶體有憎水功能,由它所形成的膠體及結晶體具有疏水效果,外界自由水較難進入土體內部,而只有少量結合水存在于晶體內部。凍脹作用力主要是由于水結冰體積增大產生較大毛細管壓力引起的。水減少了,凍脹壓力也就相應減少了。石灰土中較易進入自由水,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度損失也就多一些。綜上所述,可以得出如下結果：固化劑加固土凍穩定性比石灰土強,這對于潮濕寒冷地區提高路基抗凍穩定性具有實用意義。

表9 固化劑加固二灰土的凍穩定系數

3.4 劈裂強度

試件制備同時進行了抗壓強度試驗,將已到齡期的試件經飽水后置于壓力機上,試件上下加壓條,在1 mm/min的速率下,測試其劈裂強度。將標準養生的試件測定其劈裂強度列于表10。

表10 固化劑加固土與石灰加固土劈裂強度

劈裂強度反應了材料的抗拉強度,抗拉強度同材料的“原始黏聚力”及“固化黏聚力”有關。“原始黏聚力”是指材料在水分作用下發生團聚,由表面張力提供的一種自身所固有的黏聚力。“固化黏聚力”是指材料在加入添加劑后由添加劑與材料間起物理、化學反應所帶來的黏聚力。“原始黏聚力”對同一土質來說變化不大,但“固化黏聚力”則變化幅度較大。對固化加固土來說,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結強度共同構成的,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狀結構,并且這種結構隨齡期的增長而不斷發展,引起固化劑加固土劈裂強度隨齡期增加而增長。

石灰土劈裂強度主要由火山灰反應和碳酸反應提供,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,過大的顆粒間距就可能引起排斥力。石灰土顆粒間連接強度同固化劑加固土相比少了分子間引力一項,其凝膠及晶體與土顆粒間的連接強度也不如固化劑加固土高,其劈裂強度就比固化劑加固土劈裂強度低一些。從上面的分析可知,劈裂強度由“原始黏聚力”及“固化黏聚力”一經形成,在反應期內變化一般不大,只有“固化黏聚力”隨齡期增長而增加。可以這樣認為,劈裂強度隨齡期增長而增加的現象,在一定程度上反映出材料內部晶體和凝膠隨齡期增長而增多的性質。

3.5 室內抗壓回彈模量

抗壓回彈模量試驗采用φ10 cm×10 cm的圓柱形試件,以《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTJ067—94)中頂面法測試件的室內抗壓回彈模量值(表11),主要儀器是路基材料強度試驗儀。回彈模量E的計算公式

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,相同外力作用下會產生較小的變形,具有更好的使用品質。由數據分析可知,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 抗彎拉強度與抗彎拉回彈模量

抗彎拉模量是通過測試試件的撓度來反推抗彎拉回彈模量。到達規定齡期時,在MTS850材料試驗機進行三分點分級加載,測定壓頭兩端兩個加力點的分級撓度。由簡支梁三分點加載的施力點撓度公式反推出抗彎拉回彈模量E(MPa)的計算見式(2),計算抗彎拉強度Rw見式(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——試件底部兩個支點之間的跨距，mm;

J——試件斷面轉動慣量，mm4；

h——試件寬度，mm。

Rw=p×I/(b×h2)(3)

式中p——試件破壞時最大壓力，N；

I——試件長度，mm;

h——試件寬度，mm。

抗彎拉強度和抗彎拉回彈模量表征了材料的荷載擴散能力。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散能力。

4 結語

本文主要針對在二灰穩定土基礎上,固化劑對粉土的加固作用進行了試驗研究,試驗過程與石灰加固土進行平行試驗,通過與石灰加固土的對比,找出其加固效果的不同程度以及變化規律特點,得出以下結論。

表12 7 d和28 d齡期的抗彎拉強度 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度較低,后期強度較高,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,抗壓強度、水穩性、凍穩性隨齡期的增長而不斷提高。固化劑加固土的水穩性與凍穩性隨著齡期的增長而增強,水穩定系數與耐凍性系數隨著齡期而增大,從凍穩性試驗明顯看出,固化劑加固土在28 d齡期時就具有一定凍穩性,而石灰加固土28 d齡期時不具備凍穩定性。

(3)土體自身的物理化學性質對固化劑加固土的強度具有內在聯系。土的黏粒含量、塑性指數等一些物理性質與固化劑加固土強度在一定范圍內存在正相關關系。

(4)固化劑加固土的早期結構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晶體均多于石灰加固土,形成的凝膠結構與纖維狀晶體較石灰加固土完整,其整體結構較好,可以用作路基基層材料。

[1] 沙慶林.高等級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].巖土工程學報，1998,20(4)：12-75.

[6] 譚文英，汪益敏，等.土固化材料的研究現狀[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性能研究[J].華南理工大學學報，2004,32(3),83-87.

[8] 蘇 群，徐淵博，等.國際以及國內圖土壤固化劑的研究現狀和前景[J].黑龍江工程學院學報(自然科學版)，2005,19(3)：1-4.