固化剂在加固土中的试验研究

董志鹏

(中铁济南工程建设监理有限公司,济南 250022)

1 概述

随着铁路建设规模的不断扩大,在铁路建设中遇到的土质情况也千差万别。我国早在1967年就开始利用粉煤灰混合料做路基结构层,但由于早期强度低,基层铺筑后不能及时开放交通,并且受施工季节的限制等缺陷,对特殊土质单纯的使用石灰、水泥进行加固效果并不理想。在这种情况下,土壤固化剂开始引起工程技术人员的关注。固化剂加固土是采用一定的物理化学方法使土的物理力学性能适应工程需求的技术。我国在这方面起步较晚,20世纪80年代开始引进这项技术,虽然在这方面积累了一定的经验,但缺乏一定的针对性,通用性差。针对粉土这类土，用水泥、二灰以及石灰等常规结合料加固效果不好的基础上寻找合适的化学固化剂进一步强化其加固性能，并且系统地试验研究二灰加固结合固化剂加固土的路用性能和加固机理。

2 试验材料

2.1 试验用土

试验所用的土样来源于某铁路施工段的粉土,为黄色和深黄色。其各种物理化学性能指标见表1、表2。

表1 土的物理性质

表2 土的粒度成分分析

2.2 固化剂选择和配方

试验所应用的固化剂CPN(以后简称固化剂)是一种无机盐,呈青灰色，透明的黏稠液体,溶于水呈碱性。遇酸分解(空气中的CO2也能引起分解)而析出硅酸的胶质沉淀。无水物为无定形、天蓝色或黄绿色,为玻璃状。相对密度随模数的降低而增大,无固定的熔点。

选择和研制固化剂的原则：(1)能够改善路基基层混合材料的性能,提高其无侧限抗压强度,增加耐久性；(2)在一定程度上能够减少二灰用量,激发粉煤灰活性,从而可以提高粉煤灰掺入量；(3)具有良好的性能价格比。

路基基层混合材料配比试验步骤如下：(1)配置固化剂水溶液；(2)称量各种原材料并混合均匀；(3)量取固化剂水溶液倒入混合料中搅拌均匀；(4)测定混合料的含水量、密度、最佳含水量及最大干密度等指标；(5)将混合料放进模具中捣实,然后放到压力机上压实；(6)将试件脱模,放进养护箱养护；(7)标准养护7 d后,测定混合料的回弹模量,然后将试件放到压力机上进行无侧限强度试验。

2.3 熟石灰及粉煤灰2.3.1 熟石灰

石灰是工程中常用的无机胶结材料,并且是气硬性胶结材料,石灰由于其来源广泛,生产工艺简单,成本低廉,所以至今仍被广泛使用。石灰中CaO和MgO含量对稳定土混合料的强度有明显的影响。有效钙含量小于20%时,稳定土混合料的强度就明显下降。本试验所用的熟石灰的MgO的含量高于5%,所以属于镁质熟石灰,其物理化学性质如表3所示。

2.3.2 粉煤灰

粉煤灰是火力发电厂的副产品,是从粉煤灰的锅炉烟气中收集的粉状灰粒,国外将其称为“飞灰”、“磨细燃料灰”。本试验用粉煤灰的基本性质见表4。

表3 试验用熟石灰的物理化学性质

表4 粉煤灰的基本性质

3 物理力学试验分析

从路基力学的角度对路基破损状况分析看,路基各结构层产生的破坏主要是由竖向力、水平剪应力及底部的弯拉应力所引起的。因此,对固化剂加固土的物理-化学性能分析从抗压强度、抗弯拉强度、抗弯拉模量、劈裂强度等几个方面进行研究。试验过程与石灰加固土进行平行试验,通过与石灰加固土的对比,找出其加固效果的程度以及变化规律特点。

3.1 固化剂最佳掺量的确定

为确定固化剂加固土中固化剂最佳掺量的配比,将两种土分别以3种不同的固化剂剂量配比(1%/3%/5%)及不同的二灰配合比加固,养生7 d,饱水24 h后求其饱水抗压强度值,并根据饱水抗压强度与固化剂剂量的关系曲线来确定各种土最佳固化剂剂量。将不同剂量固化剂加固土的7 d饱水抗压强度值列于表5中(注：固化剂1为液体中模,固化剂2为液体底模高浓度,土样1偏粉,土样2偏黏)。闷料时间对抗压强度的影响见表6，固化剂的无侧限抗压强度见表7。

由以上结果可以看出,随着剂量的增大,固化剂加固土的早期强度也随之增大,相互之间存在正比关系,但是剂量的增大也要考虑使用的具体技术与经济要求。一般来说5%左右的固化剂加固土能满足工程实际的使用要求。从表中也可看出,固化剂加固土1的强度比加固土2要高,从前面土颗粒的粒度分析中得知土样1比土样2的比面积大,因而火山灰反应更充分、更完全。此外,不同的闷料时间对固化剂加固土的早期强度也有明显的影响。以3%的固化剂加固土为例,随着时间的延长,早期强度也随之下降,可以理解为在早期水分充分的情况下,固化剂与石灰作用生成硅酸钙等非火山灰结晶性胶结物,将固相颗粒土胶结并密化稳定土结构,此时碾压成型将有利于早期强度的提高。随着闷料时间的延长,水分逐渐损失,对于混合料中火山灰进一步的反应有弱化的作用,因而早期强度也随之下降。从上述分析中可以肯定,固化剂加固土早期强度低,但增长较快,后期强度高,但增长较慢；固化剂加固二灰土比固化剂加固石灰土强度要高。

表5 固化剂剂量与抗压强度关系

表6 闷料时间对抗压强度的影响

表7 固化剂的无侧限抗压强度 MPa

3.2 水稳定性

基层材料的水稳定性是材料稳定性的一个重要方面。路基基层往往受到路基水的下渗作用。同时,地下水通过毛细管上升而产生浸蚀,如果基层材料因水稳性不足而破坏,就会直接发射到面层上,从而影响路基的服务及使用寿命。将标准养生条件下各龄期固化剂和二灰加固土、固化剂和石灰加固土测定其水稳定系数(R饱/R干)与二灰土及石灰加固土水稳定系数(R饱/R干)，见表8。

表8 固化剂加固土的水稳定系数

从表8中可以看出,两种固化剂和二灰加固土的水稳系数比两种石灰加固土的水稳系数高,另外两种固化剂和石灰加固土比两种石灰加固土的水稳系数高,且水稳系数随龄期增加而增长。这是因为固化剂加固土中反应生成的水化硅酸钙凝胶体有憎水作用,能够起到一种“屏蔽”作用,阻止水对土颗粒基团的浸润,保持了加固土的强度、稳定性。

随龄期增长,水化硅酸钙凝胶体的数量也在增加,故水稳系数也随龄期而逐渐增长。石灰土中虽然也有胶体存在,但这种胶体大都是由铝离子、钙离子、硅离子等形成的凝胶及它们的结晶体构成,这些晶体及凝胶是含水的,不具有憎水性,在外界水的浸润下,易发生水化解离作用,降低土颗粒间联结强度,破坏加固土稳定性,所以石灰加固土水稳定性系数没有固化剂加固土水稳定性系数高。

3.3 冻稳定性

半刚性基层材料的冻融循环试验目前还没有统一的试验规程。材料的抗冻能力可以用经受冻融循环的次数和经受一定次数冻融作用的强度损失来表征,这些指标与冻融方法有关。将养生至规定龄期的试件饱水1昼夜后,在-20 ℃冰箱内冻12 h,取出放在20 ℃水中融化12 h,此为一循环,经5次冻融循环后的饱水抗压强度与未经冻融循环的试件饱水抗压强度的比值称为抗冻系数,即：抗冻系数=试件经冻融循环后的饱水抗压强度/试件未经冻融循环后的饱水抗压强度。各种加固土28 d龄期试件,经5次冻融循环后测其冻稳定系数(R饱/R干),列于表9中。

加固土的抗冻性能与材料中孔隙率、颗粒间联结强度、液相中离子浓度等多因素有关。其中颗粒间联结强度对抗冻性能起着主要作用。若颗粒间联结强度高,足以抵消因冻胀作用引起的内应力,则材料的抗冻性能就好,冻稳定系数就高。抗压强度从一定程度上反映了材料颗粒间联结强度的大小,一般来说,抗压强度高的材料其抗冻性能就好一些。在这一点上,冻稳定性试验结果与前抗压强度的试验结果是对应的。由前面试验结果分析可知,固化剂加固土中颗粒间联结强度比石灰土中颗粒间联结强度大,抗压强度比石灰土高,则固化剂加固土抗冻效果比石灰土好一些。随着龄期增长而不断增大,其耐冻系数会不断提高,则固化剂加固土的耐冻系数(R冻/R饱),随龄期增长而不断提高。这说明固化剂加固土中,由固化剂形成的水化硅酸钙凝胶体及结晶体填充于土颗粒之间,由于水化硅酸钙凝胶体及结晶体有憎水功能,由它所形成的胶体及结晶体具有疏水效果,外界自由水较难进入土体内部,而只有少量结合水存在于晶体内部。冻胀作用力主要是由于水结冰体积增大产生较大毛细管压力引起的。水减少了,冻胀压力也就相应减少了。石灰土中较易进入自由水,其含水量比固化剂加固土中要大,则冻胀压力也就大,由冻胀压力引起的强度损失也就多一些。综上所述,可以得出如下结果：固化剂加固土冻稳定性比石灰土强,这对于潮湿寒冷地区提高路基抗冻稳定性具有实用意义。

表9 固化剂加固二灰土的冻稳定系数

3.4 劈裂强度

试件制备同时进行了抗压强度试验,将已到龄期的试件经饱水后置于压力机上,试件上下加压条,在1 mm/min的速率下,测试其劈裂强度。将标准养生的试件测定其劈裂强度列于表10。

表10 固化剂加固土与石灰加固土劈裂强度

劈裂强度反应了材料的抗拉强度,抗拉强度同材料的“原始黏聚力”及“固化黏聚力”有关。“原始黏聚力”是指材料在水分作用下发生团聚,由表面张力提供的一种自身所固有的黏聚力。“固化黏聚力”是指材料在加入添加剂后由添加剂与材料间起物理、化学反应所带来的黏聚力。“原始黏聚力”对同一土质来说变化不大,但“固化黏聚力”则变化幅度较大。对固化加固土来说,其“固化黏聚力”是由双电层减薄后颗粒间较大的吸引力和形成的凝胶及晶体与土颗粒的联结强度共同构成的,不但这种晶体和土颗粒相互连接,而且晶体之间也相互连接形成一空间网状结构,并且这种结构随龄期的增长而不断发展,引起固化剂加固土劈裂强度随龄期增加而增长。

石灰土劈裂强度主要由火山灰反应和碳酸反应提供,若灰量、水量适中,土颗粒间距离可能处于小的吸引力位置附近,若灰量或水量偏大,土颗粒间有较多自由灰或自由水存在,增大了颗粒间距,过大的颗粒间距就可能引起排斥力。石灰土颗粒间连接强度同固化剂加固土相比少了分子间引力一项,其凝胶及晶体与土颗粒间的连接强度也不如固化剂加固土高,其劈裂强度就比固化剂加固土劈裂强度低一些。从上面的分析可知,劈裂强度由“原始黏聚力”及“固化黏聚力”一经形成,在反应期内变化一般不大,只有“固化黏聚力”随龄期增长而增加。可以这样认为,劈裂强度随龄期增长而增加的现象,在一定程度上反映出材料内部晶体和凝胶随龄期增长而增多的性质。

3.5 室内抗压回弹模量

抗压回弹模量试验采用φ10 cm×10 cm的圆柱形试件,以《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ067—94)中顶面法测试件的室内抗压回弹模量值(表11),主要仪器是路基材料强度试验仪。回弹模量E的计算公式

E=PH/L(1)

式中E——回弹模量，kPa；

P——单位压力，MPa；

H——试件高度，mm；

L——试件回弹形变。

表11 28 d龄期的回弹模量

回弹模量表征了材料在外力作用下抵抗变形的能力。弹性模量值大的材料,相同外力作用下会产生较小的变形,具有更好的使用品质。由数据分析可知,加了固化剂后,加固土的模量提高明显,且土样1比土样2要高,固化剂加固土具有比石灰加固土较好的抵抗变形能力。

3.6 抗弯拉强度与抗弯拉回弹模量

抗弯拉模量是通过测试试件的挠度来反推抗弯拉回弹模量。到达规定龄期时,在MTS850材料试验机进行三分点分级加载,测定压头两端两个加力点的分级挠度。由简支梁三分点加载的施力点挠度公式反推出抗弯拉回弹模量E(MPa)的计算见式(2),计算抗弯拉强度Rw见式(3)。

E=5(P0.5-P0)L3/324(Δ0.5-Δ0)J(2)

式中P0.5及P0——终荷载及初荷载，N；

L——试件底部两个支点之间的跨距，mm;

J——试件断面转动惯量，mm4；

h——试件宽度，mm。

Rw=p×I/(b×h2)(3)

式中p——试件破坏时最大压力，N；

I——试件长度，mm;

h——试件宽度，mm。

抗弯拉强度和抗弯拉回弹模量表征了材料的荷载扩散能力。由表12、表13可以看出,加入固化剂后,二灰土和石灰土的荷载扩散能力有了明显的提高,且固化剂加固具有比石灰加固较好的荷载扩散能力。

4 结语

本文主要针对在二灰稳定土基础上,固化剂对粉土的加固作用进行了试验研究,试验过程与石灰加固土进行平行试验,通过与石灰加固土的对比,找出其加固效果的不同程度以及变化规律特点,得出以下结论。

表12 7 d和28 d龄期的抗弯拉强度 MPa

表13 7 d和28 d龄期的抗弯拉回弹模量 MPa

(1)固化剂加固土初期强度较低,后期强度较高,这一特性最为突出。并且具有一定的抗弯拉能力,表明其具有良好板体性。

(2)固化剂加固土后,抗压强度、水稳性、冻稳性随龄期的增长而不断提高。固化剂加固土的水稳性与冻稳性随着龄期的增长而增强,水稳定系数与耐冻性系数随着龄期而增大,从冻稳性试验明显看出,固化剂加固土在28 d龄期时就具有一定冻稳性,而石灰加固土28 d龄期时不具备冻稳定性。

(3)土体自身的物理化学性质对固化剂加固土的强度具有内在联系。土的黏粒含量、塑性指数等一些物理性质与固化剂加固土强度在一定范围内存在正相关关系。

(4)固化剂加固土的早期结构的整体性要好于单纯的二灰土,固化剂加固土所生成的凝胶物和结晶体均多于石灰加固土,形成的凝胶结构与纤维状晶体较石灰加固土完整,其整体结构较好,可以用作路基基层材料。

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