生石灰粉处理过湿土的掺量计算和强度特性.doc

生石灰粉处理过湿土的掺量计算和强度特性 http:/www.CME 2006-6-13 来源：科技论文集 文李 俊 上海市市政工程研究院 摘 要 本文通过理论和试验分析，对生石灰粉处理后，过湿土的含水量变化进行了分析，得到了含水量变化与石灰剂量、有效钙含量和原状土含水量等之间的相关关系，并据此对过湿土处理的生石灰粉掺量计算进行了分析研究。通过实测，对处理后的土路基强度特性进行了研究分析，建立了上路床处理后的土路基顶面回弹模量与弯沉之间的相互关系，可供设计和施工参考使用。关键词过湿土 生石灰粉 含水量回弹模量一、 概述随着高等级公路的迅速发展及对土路基强度和稳定性认识的提高，采用石灰处理土路基已十分普遍。石灰处理土是通过在土中掺入石灰（熟石灰或生石灰）来获得土基强度的提高。根据处理的目的不同和石灰掺入量的不同，石灰处理土可分为石灰稳定土和石灰改善土。石灰稳定土是通过掺入足够剂量的石灰，经过土中火山灰物质的凝硬性反应，得到足够的强度，一般用于道路结构的底基层或基层的处理中。石灰改善土是通过较低的石灰掺量，经过离子交换，引起土的絮凝作用或结构重组，提高土的工作性能和抗剪强度，使土基能在较经济的情况下达到充分压实的目的，并能够承受其上层摊铺时的施工机械作用。对于江南潮湿地区，因其一般地下水位较高，雨水较多，土壤一般呈过湿状态，往往难以达到土基规定的压实要求，对道路路面结构的承载能力和整体稳定性带来不良后果，且不利于垫层或基层的规范施工，采用低剂量的磨细生石灰粉处理能够比较经济而有效地改变这种状况，生石灰粉的掺量一般不取决于土基强度的提高，而取决于施工用土的天然含水量。二、 生石灰粉对过湿土含水量的影响掺入磨细生石灰粉对过湿土含水量的影响，从以下几个方面反映出来：1、磨细生石灰粉掺入土中后，直接使土中的干料增加，从而使土中的含水量降低w1。土中干料的增加量即为掺入土中的生石灰粉的重量pc：p1pcp0 -生石灰粉掺量，pc/ p0 ，；p0 -掺入生石灰粉的过湿土中的干土重，g。2、生石灰粉掺入过湿土中，其有效氧化钙cao与土中的水分发生化学反应，生成氢氧化钙ca(oh)2，反应式如下：cao + h2o -ca(oh)2+62.80千焦/mol上述化学反应为放热反应。在反应过程中，生石灰中有效的氧化钙cao将吸收土中的水分为：w20.32pc = 0.32p0式中：w2- 被生石灰吸收的过湿土水分，g；- 生石灰中有效钙含量，；pc- 过湿土中掺入的磨细生石灰粉重，g。3、 生石灰粉中的游离氧化钙cao与水发生化学反应，生成氢氧化钙ca(oh)2，使固体成分增加，从而使含水量降低。固体成分的增加量即为土中水分的减少量，即p2w20.32pc=0.32p0。 4、石灰土在拌和、闷料过程中水分蒸发引起含水量变化。这种水分蒸发产生于二方面的作用：一是拌和、闷料过程中水分的自然蒸发，就如晾土一样；二是石灰土在化学反应过程中产生大量热量，加速水分蒸发，这种蒸发对过湿土含水量的影响更为重要。假设自生石灰粉掺入过湿土中拌和至碾压这段时间，水分蒸发量为w3，引入蒸发系数，其定义为因掺入生石灰引起的水分蒸发量与生石灰消解水化反应对水分的吸收量之比。则掺入量为，有效cao含量为的生石灰造成土中含水量减少为：w3w2(2-1)w30.32p0(2-2)汇总以上四个因素，设湿土中的水分为w0，湿土中的干土重为p0，湿土的原始含水量为w0w0/ p0，则按掺量掺入土中的磨细生石灰粉，引起过湿土的含水量下降，可按下式计算式中：dw1a . w0(2-4)可看作由于生石灰粉加入土中使干料增加引起土的含水量降低；dw20.32 . q . a . (1+w0)=dw2+dw2(2-5)可看作由于生石灰粉吸水和ca(oh)2增加引起的土含水量降低；dw30.32 . h . q . a(2-6)可看作因生石灰粉消解发热导致土中分蒸发使之含水量降低。三、 蒸发系数的实验室测定分析从以上含水量变化公式可以看到，生石灰粉掺入土中，因水化放热引起土中水分蒸发，对土的含水量影响是比较大的。为此我们对水分蒸发进行了实验室试验。试验是在气温222、湿度6070的条件下进行的。试验过程采用了三种生石灰粉掺量（4、7、10），所用生石灰粉的有效钙含量经测定为74，试验结果如表3-1。实测结果显示，因为石灰土中水分蒸发，主要与水化放热有关，故石灰土的水分蒸发损失量随石灰掺量的增大而增大，且原状土的含水量大，则蒸发也大，如图31所示。对上述结果进行拟合回归，可得石灰土水分蒸发量w3的计算模型如下：dw3(71a7) w0-4.36a-0.6 （） (3-1)利用公式(2-6)，可得蒸发系数以上两式中，a、q、w0均以小数计通过计算，我们看到，蒸发系数随原状土的增大而增大，但因蒸发系数是生石灰粉与土发生化学反应引起水分蒸发量与吸水量之比，故蒸发系数反随石灰掺量的增大而减小，尽管蒸发掉的水分是增大的。以4石灰（有效钙70）掺量为例，当原状土含水量为26左右时，蒸发系数可取2。此外，水分蒸发需要一个时间过程。试验表明，过湿土中掺加生石灰粉后，其水分蒸发在最初23个小时内最大，约占所测20个小时蒸发量的50以上，如图32。应该看到，在施工现场，水分蒸发要受到空气、温度、阳光、风力、湿度以及施工现场所处的地理位置等的影响，这些影响又是随时变化的，要准确估计水分蒸发或测算蒸发系数是非常困难或不现实的。通过实验室控制的单一的试验条件，得到的水分蒸发和蒸发系数，可能与施工现场的实际情况有所不同，但它对于我们估算实际的蒸发情况，从而确定所需的石灰掺量，还是具有一定的参考和帮助作用的。四、 含水量变化的计算与实验室验证上节对因生石灰水化放热反应引起过湿土内水分蒸发进行了实测分析，由此我们可以利用式（2-3）计算含水量的变化，如表41，并将计算结果与实验室结果进行了验证，如图4145所示。通过比较可以看到，采用式(2-3)对含水量的变化进行计算与实测结果吻合良好，仅个别不正常点两者所得含水量变化的误差超出1%。由此可见，采用（23）计算公式，可有效的计算生石灰粉对过湿土含水量的影响。五、 石灰土的压实特性众所周知，土的压实特性可以通过葡氏击实曲线来了解，实际施工时，应在最佳含水量附近进行，这样才能使土获得最大的干密度，从而保证土基的强度稳定性。掺加了生石灰的石灰土，其击实曲线与原状土是不一样的。击实曲线在道路工程中分轻型和重型二种，根据本文研究的目的，我们主要对重型击实下的土与石灰土的最佳含水量、最大干密度进行分析比较。图51，图52代表了实验室对二种较具代表性土壤在不同石灰掺量下的击实曲线。实验结果证明，土中掺入石灰后，最大干密度降低，而最佳含水量提高；石灰剂量增大，最大干密度降低，最佳含水量提高。表51列举了实验室测得的部分素土和石灰土的最大干密度、最佳含水量。实测数据显示，与素土相比，对于4掺量的石灰土，最佳含水量增加约12；对于10掺量的石灰土，最佳含水量增加约23。此外，从图51和图52可以看出，石灰土的击实曲线比素土平坦，即压实含水量的范围比素土更宽。以施工要求95的压实度作为控制，石灰土的压实含水量上限约可比素土增加1左右。综合上述分析，由于最佳含水量及击实曲线宽度的增加，石灰土的施工压实含水量比素土可增加约为：4石灰土：约2310石灰土：约34六、 生石灰粉处理过湿土的掺量计算生石灰粉掺入过湿土中后，能降低土的含水量，改变土的压实特性，综合此两方面的作用，可以获得为满足施工压实要求的生石灰粉合理掺量。首先，将素土的压实含水量提高24%（视石灰掺量而定，石灰掺量低取低值，石灰掺量高取高值），作为石灰土的施工压实含水量。然后通过式（23）利用下式（61），计算所需的生石灰粉掺量。式中： w0-原过湿土含水量（以小数计） w1-石灰土的施工压实含水量（以小数计） -生石灰粉中的活性cao含量(以小数计) -蒸发系数，可按式3-2计算或从表3-2查取前表41已计算了各种含水量的素土在不同的石灰掺量和有效钙含量情况下的含水量减少值。实际应用中，可根据所购石灰的有效钙含量、原状土含水量及所需含水量减少量反查需掺加的石灰掺量。表61即为根据上述方法反查计算生石灰粉掺量的一个实例。该表中所取土最佳含水量16，压实含水量上限可取18，生石灰粉掺量4时取压实临界含水量21。七、 石灰处理土的强度特性1、 石灰处理土的cbr值提高经过生石灰粉处理的土，其cbr强度将得到很大的改善，这在上海地区尤其重要。上海地区的土壤浸水cbr值一般在8 以下，较难达到部颁规范对高等级道路的要求，经过生石灰粉处理后，浸水cbr值可提高到30以上（表71、表72）。在饱水过程中同时的膨胀试验显示，石灰土的浸水膨胀量约为素土的1/301/50，这也从一个侧面反映了石灰土的水稳定性比素土好得多。2、 石灰处理土路基的回弹模量在上海地区，未经处理的土路基，回弹模量是很低的，一般在25mpa以下。经过生石灰粉处理的土路基，回弹模量可以得到很大的提高，这对于提高路面结构的强度、减薄面层结构厚度有一定的实用和经济价值。表73是素土和上路床处理后的石灰土路基现场回弹模量的实测值。表中数值是在晴朗天气条件下测定，石灰土龄期在30天左右。从实测结果看，石灰土上路床的回弹模量变化范围较大，高石灰粉掺量（7）的回弹模量比低石灰粉掺量（4）要好。另一方面，因上路床只有30cm，其顶面的回弹模量很大程度上还要受到下路床压实状态、模量大小的影响，这也是造成其模量变化较大的原因。经过生石灰粉处理的石灰土上路床顶面的回弹模量变化在33.9mpa177.8mpa，剔除特别好的和特别差的数值，实测回弹模量在40 mpa 140 mpa，平均86mpa，标准偏差36 mpa，按85的概率考虑实测值的波动界限，回弹模量可取值50mpa。该值既未考虑模量随龄期的继续增长，也未考虑不利季节模量的降低。3、 石灰土路基的弯沉测定石灰土路基上路床施工完毕，进行弯沉测定是相当重要的。弯沉值能够反映路基结构的整体强度、施工质量。弯沉测定比模量测定更快速简便。通过弯沉测定可以反算路基上路床顶面的回弹模量值，以决定是否维持或更改原路面结构的设计，或根据原设计模量值，检查和控制施工水平和施工质量。为利用弯沉值评价石灰土路基的强度状况，建立弯沉与回弹模量之间的关系是必要的。对于未经处理的土路基，按照现行规范，其弯沉和模量的关系有三种计算公式可作参考：1) 理论公式：e0=10002pd/l0（1m02）a0（71）公路沥青路面设计规范jtj014972) 根据全国各地经验关系式汇总：e0=2430l0-0.7（72）公路沥青路面设计规范jtj014973) 根据某几段竣工土基上的实测数据回归分析后的关系式：l09308 e0-0.938（73）公路路面基层施工技术规范jtj03493以上各式中：e0代表土基回弹模量(mpa)，l0代表土基标准车弯沉(0.01mm)，p为标准车单轮轮胎接地压强(mpa)，(为当量圆半径(cm)，(0代表土的泊松比(取0.35)，(0为均匀体弯沉系数(取0.712)。利用以上三个关系式计算时，在e0=4060mpa时，l0比较接近；或在l0=1.53mm时，e0比较接近。当路基上路床采用生石灰粉处理以后，其弯沉与模量之间是否还能套用土路基的关系式，即使能套用，上述三个关系式哪一个更合适，或者我们可以找到更好的关系式，来反映这种情况下的路基顶面弯沉与模量的关系。为此，我们在作石灰土路基上路床顶面回弹模量测定时，同时测定了模量测定点的回弹弯沉值。实测结果显示，石灰土上路床顶面的回弹模量与相应的回弹弯沉具有良好的相关关系（见图7-1），相关系数达到0.95(n=15)。相关关系式为：l028803 e0-1.1382(7-4)利用这一关系式，可以对生石灰粉处理的上路床顶面进行弯沉检验时的弯沉指标计算。图7-2是关系式（7-4）与规范参考关系式（7-2）、（7-3）的对照。从对照图（7-2）我们发现，在模量较低时与规范关系式（7-2）较接近；在模量较大时，与规范关系式（7-3）较接近。利用实测关系式（7-4），在相同模量时，计算得到的弯沉值比规范参考公式计算所得大得多；或在弯沉相同时，实测公式计算得到的模量比规范计算公式所得大得多。4、 石灰处理土的无侧限抗压强度石灰处理土在碾压以后，一般三天在湿润条件下的强度即可达0.150.30mpa。石灰本身并没有强度，石灰土获得强度的原因是其中的石灰逐渐与土的组份起作用而形成新的凝胶化合物结构。土同石灰起作用的两种主要成分是氧化铝和二氧化硅。这一作用是缓慢而长期的，其化学反应式如下：sio2x ca(oh)2n h2ox caosio2m h2oal2o3ca(oh)2n h2ocaoal2o3m h2o 从以上反应式可见，石灰与土在长期化学作用而形成强度过程中，需要许多水分，这是石灰土碾压成型后需要湿润养生的原因。表74是室内不同掺量的石灰土7天、35天、180天饱水抗压强度。试验采用77试件成型，按最大干密度计算石灰土用料。试件在无侧限抗压前饱水1天。石灰土随龄期的增长显示于图73。石灰土强度试验结果显示：（1）就无侧限强度而言，并非石灰剂量越高越好，当石灰剂量达到一定程度时，强度反而下降；（2）石灰土后期强度增长较大，6个月时强度仍呈继续增长趋势。八、 石灰处理过湿土的经济意义对过湿土采用生石灰粉处理，表面上看，由于掺加了生石灰粉，提高了工程造价，但实际上，过湿土由于采用了磨细生石灰粉处理，可以带来很多经济利益。1、 生石灰粉处理过湿土可以有效地缩短工期过去，对于过湿土的处理只能采用换料或翻拌晾晒。更换填料一方面因不能就地取材、就近用料而增加工程费用，另一方面，上海地区周边的土源天然含水量均很高，实际上都是过湿土，无料可换，一般只能对不良土（如淤泥土等）进行更换。翻拌晾晒需要时间，影响工期，尤其是上海雨水较多的情况下，翻拌晾晒难度更大，对工程影响更甚。有时候，为了获得符合规定要求的含水量，常常需要等待几个月，甚至半年，这也是过去上海一直采用轻型压实标准的缘故。随着重型压实标准的提出，翻拌晾晒难度更大。采用生石灰粉处理以后，对土的含水量要求不再苛刻，一般只要有35天的下雨间隙，石灰土施工即可正常进行，从而大大地缩短了施工工期。在上海城市外环线道路工程一期路基施工时，正值上海几十年未遇的雨水高峰。从1997年10月下旬至次年5月，正值路基准备施工时，下雨过程一直不断，且多为大雨和暴雨，如果按过去晾晒等待的话，将大大地影响施工工期，结合本研究成果，采用生石灰粉处理以后，利用下雨过程的35天间隙，抓紧进行翻拌、处理和碾压，顺利地保证了土路基施工按时完成。经过生石灰粉处理后的土路基，碾压结束再有12天的养生，即对雨水具有较强的抵抗能力，这又是一般土路基所不能比拟的。在沪杭高速公路（上海段）的建设中，为了减少高路堤填土的工后沉降，需要进行堆载预压。要达到堆载预压的效果，需要充分的预压时间。在总工期受到限制的情况下，要保证预压时间，就要缩短土路基的施工工期；但要保证土路基的施工质量，同样需要有足够的施工周期，这就要压缩堆载预压时间，这是一对矛盾。由于采用了生石灰粉处理，大大地压缩了土路基的施工工期，解决了堆载预压的时间问题，从而保证了高路堤填土的工后沉降控制，使沪杭高速公路得以在规定时间内高质量地完成。2、 采用生石灰粉处理后的土更容易压实众所周知，土体压实是通过外力压实功的作用，排除土中空气实现的。一般来说，土的含水量超出相应压实功能的最佳含水量3时，便很难压实到所需的压实度。当含水量大时，外力不能直接作用于土粒，而只能传给土粒周围的水分或封闭的空气，此时，尽管花费很大的压实功，也难以改变土粒的原来状况。若盲目地继续施加更大的外力，不但不会明显地增加土的密实度，反而使土体产生剪切破坏，而导致“弹簧”现象。但湿土掺入生石灰粉后，使土的含水量减少，改变了土的带电状态，土粒表面水膜减薄，分散性增强，内磨阻力提高，封闭空气减少，并且通过离子交换，加强了土壤颗粒的联结靠拢作用，在外力作用下，土颗粒之间更容易产生相对位移，土中空气容易排除，从而使土体更容易压实。路基的容易压实，不但缩短了碾压工期，节省了碾压所需的机械台班，且大大减少了土路基压实经常出现的“弹簧”现象，减少了返工损失。3、 强度提高对路面结构具有积极作用通过掺加生石灰粉，改变了过湿土的压实性质，并提高了路基的cbr