CMA生態改性劑改良膨脹土技術及應用

李 君

0 引言

CMA(Changing the Montmoriuonite's Absorbent)膨脹土生態改性劑是由一種復合化學配方+水+活性石灰充分攪拌組成。具有電解和離子交換的作用,有較強的滲透性,能溶于水,在水中離解出帶正電荷的陽離子[X]n+和帶負電荷的陰離子[Y]n-,陽離子與膨脹土膠體表面的陽離子[M]n+產生交換作用,將這些原本吸附在膨脹土顆粒表面、親水性極高的陽離子趕走,代之以親水性較低、粘結力較強的鋁離子及其水合物。使膨脹土顆粒上的吸附水的化學鍵破壞形成自由水,改性后土顆粒形成鍵狀和網狀結構加快反應和離子交換,自由水通過重力、蒸發、壓實作用排除,改變了膨脹土顆粒的結構特征,從而提高膨脹土的抗剪強度,增強膨脹土的水穩性,永久的改變膨脹土的屬性,將膨脹土改性為非膨脹土,且具有比石灰土更穩固更持久的效果。

膨脹土生態改性劑是在水中電解出離子與膨脹土顆粒離子進行交換作用,從而達到將膨脹土改性的目的。作用過程大致是:當膨脹土生態改性劑噴灑在土體上通過滲透達到一定深度將其改性,還可以通過土體本身含水量經土體毛細孔隙到達一定深度。更重要的是膨脹土生態改性劑具有較強的滲透性,能溶于水,它可以隨雨水滲透,到達雨水能到達的深度,這樣就從根本上解決了雨水滲入對膨脹土的影響,做到對大氣風化作用層影響深度范圍內膨脹土體的徹底治理。

1 工程概述

新建鐵路石家莊—武漢客運專線工程,北起河南省與河北省省界,南至湖北省省界,線路全長506.857 km,正線數目為雙線,設計速度目標值為350 km/h,規劃輸送能力單向8 000萬人/年。管段位于淮河以南,沿線多為丘陵崗地,以粉質黏土、黏土、松軟土、弱～中膨脹性黏性土、砂礫石、卵石土層為主,工程地質條件相對較差。沿線軟土及松軟土分布廣泛,成因類型復雜,主要有谷地相、河流沖積相、湖積相沉積等,較為復雜的成因類型及不同類型之間的相變,導致了軟弱土層的空間分布、成層情況及巖性等差異較大。膨脹土、軟土屬高壓縮性土,具有遇水膨脹失水收縮特性,工程性質差。施工時有部分路基采用CMA生態改性進行地基處理。

2 主要施工方法及工藝

模擬試驗→施工準備→現場溶液配制→改性溶液噴灑(三次)→檢測。

2.1 室內模擬試驗

2.1.1 室內模擬試驗目的

各地區的膨脹土都具有相同的工程特性,但因地區不同膨脹土礦物成分和化學成分存在一定的差異,通過試驗校驗該產品對膨脹土的改性效果,選擇適合該土體的最佳配方,保證工程質量。2.1.2 室內模擬試驗的方法與步驟

1)認真進行現場調查,聽取當地人對膨脹土變化規律的描述,觀察原狀的地形地貌,收集當地氣候條件的相關資料以及雨水的滲透深度、大氣風化作用層的影響深度等相關數據。2)在膨脹土路段上分點采取原狀土的土樣,經過室內試驗檢測獲得原狀土各項指標。3)根據原狀土各項指標和調查相關數據,在試驗室內配制若干不同配方的膨脹土生態改性劑小樣,分別對原狀土土樣進行模擬改性試驗,經檢測結果的比較,選擇適合該土體最佳配方,確定單位面積的噴灑量和噴灑次數,最佳配方的改性土樣必須達到非膨脹土的標準。4)室內試驗檢測內容:液限、塑限、濕化、自由膨脹率、顆粒分析、最大干密度、最佳含水量、擊實、承載比、無側限抗壓強度、直剪、膨脹率、膨脹力、收縮(線縮、體縮、縮限)。5)采取原狀土土樣布點與采樣方法,原狀土與改性土檢測技術方法均按GB/T 50123-1999土工試驗方法標準和DT-82土工試驗規程執行。6)室內試驗檢測各項指標作為指導改性施工依據。

2.2 設備與材料要求

2.2.1 設備制作與準備

每個工點自制3個容積不小于1 m3的鐵皮桶,再購置1臺小型抽水泵,即可進行現場噴酒。

2.2.2 材料質量要求

1)膨脹土生態改性劑應符合Q/WZC01-2005膨脹土生態改性劑企業標準的質量要求。

2)石灰選用經水熟化的熟石灰粉,其質量應符合Ⅰ級標準,其活性CaO+MgO含量不低于70%。

3)配制膨脹土生態改性劑水溶液用水應符合下列要求:a.色度不超過15度,并不得呈現其他異色。b.渾濁度不超過5度。c.無肉眼可見的懸浮物。d.不得有異味 。

2.3 施工準備

1)相關工程施工應在改性前按設計要求完成并驗收,改性后不宜再擾動土體以免影響改性效果。2)改性施工前應認真檢查土體的干濕程度,要求土體干燥,以土體表面出現裂紋為宜,應選擇在晴天施工。3)膨脹土生態改性劑配制。膨脹土生態改性劑水溶液配比為:改性劑濃縮液∶水∶石灰(1∶100∶5),按水+濃縮液+石灰的順序充分攪拌組成。

2.4 現場噴灑

1)噴灑施工的方法:將已配制的膨脹土生態改性劑水溶液按設計噴灑量均勻噴灑在膨脹土土體的表面上,通過滲透方法滲入土體,待土體干燥后,用同樣方法再噴灑下一次,當土體含水量較大時,可采用打眼灌入的方法進行施工。

2)噴灑次數與噴灑量:在一般情況下膨脹土生態改性劑水溶液噴灑次數為三次,總噴灑量不小于20 kg/m2。

2.5 質量控制

改性施工的質量控制主要有兩個方面:1)掌握土體的干燥程度,土體一定要干燥,施工時應控制在當膨脹土水溶液按設計量和次數均勻噴灑在土體表面上被土體吸收不流淌為宜。2)噴灑要均勻,噴灑速度不宜過快。

2.6 質量檢測

地基在改性處理完成后,按要求進行碾壓,檢測結果滿足客運專線路基壓實標準(見表1)。

表1 質量檢測結果表

3 模擬試驗數據分析

3.1 試驗設計

先做三組原狀土的自有膨脹率試驗,后將其中一組指標高的原狀土樣風干分散后分成四份,其中一份用于原狀土試驗,其余三份按照三個改性配方完成原狀土的改性工作。三組改性土的編號為:改1、改2、改 3。根據工程特點,分別測定原狀土和改性土的自由膨脹率、顆粒級配。選取原狀土和改3分別進行重型擊實試驗以確定其最大干密度與最優含水率制備試樣,測定相關的膨脹性、力學性及水穩性指標。通過對改性前后各指標的對比以評價改性劑的改性效果與最佳配方。

3.2 試驗成果

依據GB/T 50123-1999土工試驗方法標準,TB 10077-2001鐵路工程巖土分類標準,TB 10102-2004鐵路工程土工試驗規程,分別做了液塑性、顆粒分析對比、膨脹性、擊實承載比、無側限直剪、飽和狀態下無側限直剪、濕化試驗。

3.3 試驗分析

1)試驗成果表明:改性土的可塑性發生了明顯的變化,其液限減小,塑限增大;塑限指數減小。這表明經改性作用,土的親水性明顯減弱。

2)改性土中砂粒組、粉粒組含量明顯比原狀土增大,而粘粒組及膠粒組顯著減小,表明土的比表面積減少,土粒的分散程度降低,土粒之間因離子交換作用變成了比原狀土粒之間更為緊密的結構,土顆粒與水的接觸面積減少。

3)原狀土的自由膨脹率為59%,屬膨脹潛勢中的膨脹土,但其膨脹力較大。經改性作用后,自由膨脹率均降到40%以下,屬非膨脹土。但按最大干密度及最佳含水量制備的試樣測定的相關平膨脹收縮指標顯示,改 1、改 2仍具有微弱的膨脹性,經改3改性作用已消去了膨脹土的膨脹特性。

4)95%壓實度的承載比:改1是原狀土的8.5倍,改3是原狀土的37倍。吸水量:改1是原狀土的62%,改3是原狀土的49%。吸水膨脹率:改 1是原狀土的 34%,改 3是原狀土的4.9%。這表明經改性作用,改性土的吸水性及膨脹性減弱,承載能力大幅度提高,水穩定性增強。

5)改性土無側限強度是原狀土的2倍～3倍,抗剪強度:改1、改 2與原狀土相當,改 3明顯增大。由此說明經改性作用,土的無側限強度及抗剪強度大幅提高。

6)為了模擬邊坡在雨季最不利條件下,邊坡土受力,特征所反映的強度特征。我們選用原狀土及改性土的樣品,按95%的壓實度在CBR模簡中靜壓成型,施加5 kg的標準荷載板,放入水槽中浸泡5晝夜,讓試樣充分吸水膨脹后測定試樣強度變化特征,從試驗結果可知,改性土的無側限強度是原狀土的2.6倍左右。直剪強度C值是原狀土的2.9倍,Φ值是原狀土的3倍,這不僅說明了改性土的強度優于原狀土且說明了改性土的水穩定性優于原狀土。

7)從濕化試驗成果可知,改3水穩性良好,當改性徹底時,經4晝夜浸泡,試樣不崩解。而改1、改2發生不同程度的崩解,這說明改性配方需根據不同的土類特征加以調整。

3.4 試驗結論

通過模擬試驗驗證,經CMA膨脹土生態改性劑改性后膨脹土親水和膨縮性得到了很好改善,土體強度大幅度提高、水穩性好,不發生濕化崩解現象,改性后的土體為非膨脹土。本次試驗中改3配方為最佳配方。

4 結語

CMA生態改性劑改良膨脹土技術在石武客運專線上的應用取得了顯著的效果。其產品及工藝有如下特性:1)環保產品:膨脹土生態改性劑pH值在 6～7之間,無毒、無腐蝕、不易燃易爆、無污染,屬生態環保產品。2)生態環境保護:改性后的土體仍能種植灌木和花草,具有綠化美化環境的功能。3)經濟適用:能按不同的土體配制,適合強、中、弱各種類型膨脹土的改性處理。4)施工方便:施工簡單,工期短,施工進度快,可多組同時施工,平行流水作業。

綜上,采用膨脹土生態改性劑處理路基和邊坡防護方法可行,值得推廣應用。

[1] 余 飛,余 靜,陳善雄,等.膨脹土CMA改性與石灰改性對比試驗[J].華中科技大學學報(自然科學版),2006(8):71-72.

[2] 惠會清,雷勝友.膨脹土膨脹機理及其改良(抑制)方法的研究綜述[J].公路交通科技,2005(S2):55-56.