（森林工程专业论文）石灰土有效钙镁含量与强度关系的试验研究.pdf

摘要 近二十多年来，作为改性材料，将石灰掺加于天然细粒土特别是粘土中以获 得稳定的石灰土越来越常见。石灰土具有强度高、板体性强且造价低等性能，在 我国公路建设中被广泛应用于路基、路面底基层及基层( 非高等级公路) 中。随着 高等级公路发展迅猛，许多公路建设项目采用石灰土作为改良土分层填筑路基， 利用其整体性强、承载力高、刚度大、水稳性好的特点，提升了工程的质量。 随着石灰土在公路工程旌工中的不断应用，石灰土施工工艺也越来越成熟。 但是在实际施工质量检测中发现，石灰剂量和压实度的控制往往达不到预期效 果，其原因主要是石灰剂量随着时间发生了变化，石灰中有效的钙镁离子与土中 活性硅、活性铝等物质发生物化反应导致的。灰剂量的检测值与实际掺加的灰剂 量有较大差距，以实际掺入的灰剂量值大小对应的最大干密度来检测压实度不符 合实际，这给施工的质量检测带来很大的不确定因素，国内这方面的研究和讨论 分析也非常之多。 论文在分析石灰土反应机理和各种影响因素的基础上，通过大量室内试验， 分析了压实度、石灰剂量、养护条件、含水量等对石灰土中有效钙镁含量衰减的 影响规律，并就石灰土施工过程中影响灰剂量和压实度的实际影响因素进行了分 析，为工程实际提出了建议和改进意见。 关键词石灰土钙镁含量衰减试验研究 t h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne f f e c t i v e c a l c i u ma n dm a g n e s i u mc o n t e n ti nl i m e - s o i la n ds t r e n g t h a b s t r a c t i nt h er e c e n tt w e n t yy e a r s ，i ti sv e r yc o m m o nt oa d dl i m ei n t on a t u r a lg r a n u l e s o i lo rc l a ys oa st oo b t a i ns t a b l em a t e r i a la st h em o d i f i e dm a t e r i a l a sl i m e s o i lh a s s u c hf u n c t i o n sa sh i g hs t r e n g t h ，s t r o n gi n t e g r i t ya n dc h e a pc o s t ，i ti sw i d e l yu s e dt o t h eb o t t o m ，s u b - b a s ea sw e l la sb a s ei np a v e m e n t t h eh i g hc l a s sh i g h w a yd e v e l o p s q u i c k l yi n t h er e c e n ty e a r s a sar e s u l t ，m a n yr o a dc o n s t r u c t i o n p r o j e c t sa d o p t l i m e - s o i lt of i l la n db u i l ds u b g r a d e ，w h i c ht a k e st h ea d v a n t a g e so fi t ss t r o n gi n t e g r i t y , h i g hc a r r y i n gc a p a c i t y , h u g er i g i d i t ya n dw a t e rs t a b i l i t ys oa st op r o m o t et h eq u a l i t y o fp r o j e c tc o n s t r u c t i o n a st h el i m e - s o i li s c o n s t a n t l ya p p l i e di nr o a dc o n s t r u c t i o n ，t h ec o n s t r u c t i o n t e c h n i q u eo fl i m e - s o i li sm o r ea n dm o r em a t u r e h o w e v e r ，i ti sv e r yc o m m o nt h a t l i m ec o n t e n to i c o m p a c t n e s sc a nn o tc o n f o r mt ot h es t a n d a r dr e q u i r e m e n t si nt h er e a l c o n s t r u c t i o n q u a l i t yi n s p e c t i o n ，m a i n l yb e c a u s el i m ec o n t e n tc h a n g e sa st h et i m e p a s s e sa n dp h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n st a k ep l a c ei ne f f e c t i v ec a l c i u ma n d m a g n e s i u mh y d r o n i u mi nl i m e s o i la sw e l la sa c t i v es i l i c o na n da c t i v ea l u m i n i u mi n s o i l t h e r ei sag r e a tg a pb e t w e e nt h ei n s p e c t e da m o u n to fl i m ec o n t e n ta n dt h er e a l o n e t h em e a n st ou s et h eg r e a t e s td r yd e n s i t yc o r r e s p o n d i n gw i t ht h er e a ll i m e c o n t e n tt oi n s p e c tt h ec o m p a c t i o nd o e sn o tc o n f o r mt ot h er e a l i t y ，w h i c hb r i n g ss o m e u n c e r t a i nf a c t o r st ot h eq u a l i t yi n s p e c t i o no ft h ec o n s t r u c t i o n t h i sh a sb e e ns t u d i e d ， d i s c u s s e da n da n a l y z e dm a n yt i m e sd o m e s t i c a l l y o nt h eb a s i so fa n a l y s i sw i t hr e g a r dt ol i m e s o i lr e a c t i o nm e c h a n i s ma n da l l k i n d so fi m p a c tf a c t o r s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h el a wa b o u tt h ei n f l u e n c eo f c o m p a c t n e s s ，l i m ec o n t e n t ，c o n s e r v a t i o nc o n d i t i o na n dw a t e rc o n t e n to ne f f e c t i v e c a l c i u ma n dm a g n e s i u mc o n t e n td e c a y i n gi nl i m e - s o i la sw e l la st h ei m p a c to fr e a l f a c t o r so nl i m ec o n t e n ta n dc o m p a c t n e s si nt h ep r o c e s so fl i m e s o i lc o n s t r u c t i o nb y m e a n so fm a n yi n d o o re x p e r i m e n t s ，w h i c hp r o v i d e su s e f u ls u g g e s t i o n sf u rt h er e a l c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s t l i m e - s o i l ，c a l c i u ma n dm a g n e s i u mc o n t e n t ，d e c a y i n g ， e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。文中所 引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的人士在致谢中 均己说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林业大学。 对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名： 导师签名 日期 召产批、 棚多 少。7 占。，占 致谢 本论文是在导师李国芬副教授的悉心指导下完成的，导师深厚的学术造诣、 渊博的理论知识、严谨的治学态度以及一丝不苟的钻研精神，对学生都是莫大的= 教诲，导师的谆谆教导将使学生终生受益在攻读硕士学位期问，导师在学习和 生活上都给予了学生很多的鼓励和帮助，在此论文完成之际，谨向导师表示诚挚 的谢意和深深的敬意 感谢昊育琦副教授在研究生学习期间给予的指导与培养；感谢土木工程学院 实验中心给我提供试验场所和试验仪器，感谢实验中心各位老师在试验过程中的 帮助；感谢高敏杰老师在论文修改时提出的建议；感谢交通土建教研室每一位老 师对我的支持与帮助 感谢一直以来与我朝夕相处的硕士研究生杨正军、王华阳，朱耀庭等对我的 支持与帮助，感谢他们和我一起度过这几年难忘的时光；感谢李熙众，马青娜等 研究生在试验过程中的帮助，祝愿他们的明天会更好。 特别感谢我的家人及朋友，多年的学习生涯，他们一直都无微不至地关心我， 支持我、鼓励我，是我前进的动力和力量的源泉，借此论文完成之际，向他们表 达我衷心的感谢和祝福，祝愿他们身体健康、幸福快乐 作者：邓永忠 二00 七年六月 1 前言 1 1 概述 随着国民经济的快速发展，交通基础设施建设的规模正在迅速扩大。到2 0 0 6 年底，我国高速公路总里程已经达到4 5 4 万公里，位居世界第二。2 0 0 1 年，我 国制定“国家高速公路网规划”，根据这个规划，我国高速公路总里程将在2 0 l o 年达到5 万公里，在2 0 2 0 年达到7 万公里，基本上形成国家高速公路网。在 规模扩大的同时，对交通基础设施的要求也在不断提高，其中公路建设正在向高 等级、高标准方向发展。这必然给公路设计者和建设者在经济效益和技术要求方 面提出了更高的要求。 公路工程建设中，常采用在土体中掺入石灰、水泥、粉煤灰等无机结合料的 办法来提高土体的强度、降低土体的压缩性或改善土体的变形特性，这种混合土 常称为无机结合料稳定土。无机结合料稳定土以其稳定性好、抗冻性强、结构本 身自成板体等特点，在高速公路的建设中具有很高地位。石灰土又是无机结合料 稳定材料中非常普遍的一种，在工程应用中尤为广泛。 1 2 石灰土的应用历史和现状 1 2 1 石灰土的应用历史 石灰土是在粉碎的或原来松散的土( 包括各种粗、中、细粒土) 中，掺入适 量的石灰和水，经过拌和得到的混合料在压实与养生后，其抗压强度符合规定要 求的一种混合料。其中，石灰土是用石灰稳定细粒土得到的混合料的简称。本文 研究主要以作为路基和路面底基层的石灰稳定细粒土为主 石灰土具有良好的力学性能和整体性，也有较好的水稳性和一定的抗冻性， 它的初期强度较低，后期强度较高；但由于干缩和冷缩，易产生裂缝。石灰土可 适用于各类路面的基层和底基层，但是不宜用于作高等级路面的基层，而多用作 底基层。在冰冻地区的潮湿路段，以及其他地区的过分潮湿路段，更不宜用采用 石灰土作基层川。 用掺加石灰的办法改善土体的稳定性和提高土体的力学性能早已为人们所 熟知。据记载，中国商朝( 公元前1 6 世纪前1 1 世纪) 就已经懂得用石灰稳定 土壤“i 。在古代中国，石灰土常被用作城廓、寺塔的地基，如：北京高大城墙、 圆明园宫殿的地基等“1 ；在国外，用石灰拌和的粉土和粘土曾用来修建过希腊 和罗马帝国的一些道路r s ，。 大约在1 9 3 0 年前后，随着土力学试验的发展，石灰稳定土开始在世界范围 内普及和全面接受“。世界各国广泛利用石灰稳定土作为路基或堤坝的填筑材 料，尤其是高速公路、高速铁路、机场道路等重大工程。世界各国还将石灰稳定 土用作房屋、桥梁等建筑物的地基，并且规模比以前大得多。到2 0 世纪9 0 年代 末期，一些重大建筑物，如高层建筑、大型发电厂，开挖深度达1 0 余米，石灰 稳定土垫层厚度远远超过以前认为经济合理的石灰稳定土垫层厚度( 1 - 3 m ) l 。 我国最早是从1 9 5 4 年开始在公路上应用石灰土作为路面基层，在约3 0 年期 间石灰土基层是我国等级公路上的主要基层类型，石灰土在我国城市道路和公路 上使用得非常广泛。几乎在我国的各个地区都使用石灰土做路面的基层或底基 层，特别在河北、河南、山东、山西等省的城市道路和公路上，使用得更多、更 广。应该说，石灰稳定土，而且主要是石灰土，在我国以往的公路建设和城市道 路建设中发挥了很大的作用。在1 9 8 0 年以前，石灰土几乎是我国道路路面使用 的唯一半剐性材料，1 9 7 9 年9 月完工的宁六一级公路使用的则全是石灰土基层。 但是随着社会的发展和对等级公路使用质量要求的不断提高，在上世纪7 0 年代 中期，我国公路逐步使用水泥稳定材料基层取代石灰土基层。上世纪8 0 年代以 后到现在，石灰土基本不再用于路面基层，而只用于路基和路面的底基层。 1 2 2 石灰土在土木工程中的应用现状 石灰常被用来稳定膨胀性粘土、湿陷性黄土、红秸土、分散性土、淤泥、金 属污染土等等1 。石灰稳定的过程主要有两个：其一是随着石灰中的钙离子取 代土中低价的阳离子( 比如粘土颗粒表面的钠离子) 而发生的阳离子交换，没有 发生交换的钙离子可能会被吸收，造成总的离子单位重量增大；其二是当石灰与 土混合时，通过粘土颗粒的絮凝，土的组织发生了变化。随着石灰含量的增加， 人为地减少了粘粒含量，因而也就相应减小了膨胀与收缩。 在我国道路路面工程中，为什么石灰土能得到很广泛的应用呢? 需要从技术、 经济和以往道路上的交通情况来回答问题。 我国在不少地区都缺乏天然沙砾和碎石材料。为铺筑路面基层和底基层，外 运石料往往过大和造价过高，客观上难于实现。使用少量石灰稳定沿线的土用作 路面的基层和底基层可以大大减少外运材料的数量，大幅度降低工程造价。由于 多数土都可以用石灰进行稳定和石灰土混合料能达到一定的强度水平，这个强度 水平足以适用多数道路( 一般交通的道路) 的需要，也由于我国很多地区都生产 石灰，石灰是我国最普遍和最廉价的路面用结合料，他的价格比水泥低得多，因 此，数十年来石灰稳定土不单在一般道路上使用很广，发挥着重要作用，就是在 我国当前的高等级公路建设中，石灰稳定土( 尤其是石灰土) 也发挥着重要作用。 在很多地区的高等级公路建设中，石灰土被用作路面的底基层和路基改善层。 虽然石灰土的强度在三类半刚性材料中是最低的，但他的刚性和分布荷载能 2 力仍然较传统的级配碎石和级配砾石大得多”，使路面结构能够承受较大的交 通量。在土基较差的路段上，使用石灰土结构层与其他半刚性材料一样，更明显 优越于级配集料结构层。这些都是石灰土在我国使用得非常广泛的重要原因。 石灰土在我国和其他一些国家广泛使用，这是因为石灰土具有下列一些主要 的优点： ( 1 ) 石灰土具有较高的抗压强度和一定的抗拉强度。强度形成得好的石灰土是 一种整体性材料，具有板体作用。石灰土具有较好的永稳性和一定的冰冻稳定性。 ( 2 ) 多数土都可以用石灰来稳定。石灰特别可以用来稳定不适宜用其他结合料 稳定的塑性指数高的粘性土。 ( 3 ) 由于石灰土是一种缓凝慢硬材料，从加水拌和到完成压实的延迟时间( 甚 至达2 3 d ) 对其压实度和强度没有明显影响。因此石灰土便于施工。既可以用 就地拌和法施工，又可以用集中拌和法旄工，甚至用人工拌和。 ( 4 ) 在缺乏优质粒料的地区，采用石灰土做路面的基层( 高速和一般公路除外) 和底基层，经常是比较经济的。 ( 5 ) 设计正确、旌工质量好的石灰土基层或底基层的使用效果经常是最好的。 石灰土的使用性能比较优良。经验证明，只要石灰土混合料的强度符合规定 要求，石灰土结构层沥青路面的质量一般都是好的，都能满足设计交通量的需要。 虽然石灰土的收缩性大，抗裂性能差，特别是在薄沥青面层的情况下，沥青面层 会产生很多裂缝，但也不是所有的石灰土基层沥青路面都有相同程度的裂缝，有 的路段裂缝多，有的路段裂缝少。裂缝的多少与被稳定的土的性质有关，也与所 用的沥青质量和沥青面层的结构有关。 美国加利福尼亚洲曾广泛调查了有石灰处治基层的路面的野外使用性能。调 查表明，只有2 0 有石灰土基层的路面有明显的收缩裂缝并最后反射到沥青面层 上。根据室内收缩资料的理论计算和许多地区的野外使用性能资料，美国曾得出 结论：对于典型的野外使用条件，石灰土的收缩不是很广泛。 虽然石灰土具有许多重要的优点，且应用得很广，但相对于其他结合料稳定 土，它也有许多重要的缺点： ( 1 ) 就一般的土而言，石灰土的强度有一定的限制，强度的可调节范围不大， 特别是它的抗拉强度较低。因此，将它用做重交通高等级道路路面的基层就不大 适宜。 ( 2 ) 塑性指数小的土，即使用1 2 以上的石灰进行稳定，也达不到较高的强度。 ( 3 ) 石灰土的收缩系数常大于另两类半刚性材料的收缩系数。在相同条件下， 石灰土基层的收缩裂缝比较严重。 ( 4 ) 石灰土的表层较水泥土基层和石灰粉煤灰基层的表层更容易因水侵入而 软化，在裂缝中的冲刷唧浆现象也更严重。 ( 5 ) 石灰土的早期强度低，在温度较低时，其强度随龄期增长缓慢。需要在第 一次重冰冻到来之前1 1 5 个月就停止施工。因此石灰土的施工期短于水泥土 的施工期。 ( 6 ) 石灰土的水稳性和冻稳性较其他两类半刚性材料差。 石灰土经过7 0 多年的应用与实践，人们已经在石灰土的使用方面取得了比较 丰富的使用经验。石灰土以其众多的优点而受到岩土工程界的重视。 1 3 论文研究的目的和意义 目前，有关石灰土的质量检测，在施工现场通常采用环刀法或灌砂法进行， 测定其灰剂量和压实度，然后将检测结果( 干密度、灰剂量) 与最大干密度、设 计灰剂量进行比较，判定质量是否合格，而忽略了石灰土在成型过程中灰剂量的 衰减。这显然与实际情况有所出入。 在理想的情况下，一个2 5 0 m 4 0 m 左右的施工作业面( 高速公路) ，填筑一层 石灰土从掺灰备土到成型检测通常需要5 6 天时间。石灰土混合料从出料到成 型检测需要2 3 天时间1 。在此期间，石灰土的有效钙含量未发生明显衰减， 则成型验收时测出的灰剂量值基本反映了灰土的实际含灰量。这种情况下，按设 计灰剂量计算的掺灰量完成的石灰土达到了预期的设计要求。但实际旋工中由于 不良气候条件的干扰、不同施工工序之间存在不同程度的矛盾、相关工程项目设 计变更滞后及履行报验程序引起的延误、施工安排失误引起的停工等原因。常常 致使石灰土施工周期变长，有时甚至长达半个月以上，石灰土中的有效钙含量发 生较大了的衰减，这时检测出的灰剂量必然小于设计值“”。最终得出质量不合 格需要返工处理的结论，但实际施工时耗用的石灰量却是足够的。因此尽管石 灰土施工方法是正确的，但实际做成的石灰土经检测灰剂量指标却常常达不到设 计要求。 以石灰改良过湿土施工为例，首先取土坑挖方、掺一定量的生石灰、打堆闷 料，时间一般在7 2 0 天左右，过湿土和石灰发生反应，使土体颗粒松散，土的 性质改变，土的含水量、塑性指数降低，然后闷灰土运至路基，根据灰剂量检测， 确定是否满足设计灰剂量，若灰剂量小于设计剂量，则需进行第二次加灰，加灰 时必须拌和均匀，然后及时完成路基处理及碾压成型。但石灰土的最大干密度、 灰剂量会随着闷灰时间的长短而发生变化，给质量检测带来一定的难度，即如何 合理地确定不同闷灰时间石灰土的最大干密度、灰剂量标准的难题“。这也是 本文研究的重点内容。 在施工过程中，施工单位一般都能按公路工程无机结合料稳定材料试验规 程“要求建立检测石灰剂量的e d t a 用量标准曲线。但是，由于标准曲线是 在最佳含水量、标准颗粒大小和标准时间的条件下建立的，因此，相关条件与实 际施工中存在差别。这为施工单位的反检测提供了有利因素，而为监理、监督单 位的质量检测带来了一定的难度。现以某公路建设工程石灰土的施工为例来谈谈 石灰土石灰剂量上的疑难检测“。在石灰土施工过程中，出现石灰剂量不足的 情况，与标准试验要求5 或1 0 的剂量相差1 3 或2 4 ，而施工现场 4 人员则可以有充分的理由说明石灰的剂量是足够的，如强调含水量( 由于石灰土 的压实度是满足要求的) 对剂量影响的同时，还强调石灰士龄期对剂量的影响。 然而事实上并非如此，双方因此会在检测中产生争端，从而增加施工的难度。有 时也会因施工过程中发现稳定土的灰剂量报验时不能满足设计要求，施工的实际 掺灰量明显过大( 由于一次掺灰检测不合格，采取二次掺灰处理导致) ，遇到这种 情况可能不得不再次掺灰和翻拌，这也大大影响石灰稳定士的碾压成型质量。其 实这种现象往往由于灰剂量衰减引起“”。 道路路基和路面底基层施工中，石灰稳定土类材料是最常见的，石灰土施工 中保证其强度和稳定性的最关键指标就是压实度，它直接关系到道路的整个性能 和使用年限。控制i 程质量最有效的手段之一是检测，而准确确定各项检测所取 用的标准值更是影响到检测结果的主要因素。在以石灰土为填料的路基施工质量 检测中，如何根据石灰土灰剂量的检测值来确定其对应的最大干密度，并找出二 者的相关曲线将对路基压实度检测提供切实、可靠的标准值为依据。因此，如何 更好的测定实际石灰土的灰剂量就成为检测的重点。 控制工程质量最有效的手段是检测，而准确确定各项检测所取用的标准值更 是影响其质量优劣的主要因素。如何测定存放一定时间石灰土混合料的石灰剂量 和确定压实标准，尚无规程或规范可用。本文在分析影响石灰剂量变化各种因素 的基础上，通过室内试验得出不同影响因素条件下石灰土强度形成过程中有效钙 镁含量衰减与时间关系的变化规律、以及相同影响因素下干密度与时间的变化规 律。经过讨论分析，提出改进的灰剂量检测方法，对工程中石灰土质量检测方法 提出建议。本文的研究成果将为道路施工压实度的控制提供更为科学、准确的方 法，将有利于减少工程检测误差，提高石灰土路基施工质量，并可进一步降低工 程造价，节省工程投资，具有重要的经济意义和社会意义。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外对这些方面的研究 由于国际上发达国家很少采用半刚性基层沥青路面这种结构形式，只是采用 结合稳定粒料及稳定细粒土作为底基层或作为路基改善层，另外国外使用最广泛 的结合料多为沥青和水泥，很少使用石灰，因此相关此方面的研究并不多。张起 森等合译的匈牙利布达佩斯科技大学a 凯兹迪的专著稳定土道路，对石灰 稳定土等做了大量深入研究。1 9 7 6 年，r s a n d r e s 也曾研究过影响石灰混合料 耐久性的因素等。 1 4 2 国内对这些方面的研究 与国外相反，由于我国的特殊国情，石灰土等半刚性材料作路基、底基层的 沥青路面结构在我国经历了长期的历史发展过程，为我国公路特别是高等级公路 的发展做出巨大贡献。因此我国对半刚性基层沥青路面的研究很多很广，也取得 了巨大的成果。改革开放以后，随着我国高速公路的飞速发展，国家在“七五” 和“八五”期间分别设立了一个重点科技( 攻关) 项目，分别是“高等级公路半刚 性基层沥青路面结构设计和抗滑表层的研究”和“高等级公路半刚性基层沥青路 面典型结构设计的研究。”这两个专题的研究都取得了配套的研究成果，对我国 在半刚性基层沥青路面的使用和研究方面有着重要的指导意义。沙庆林院士在上 个世纪7 0 年代就进行了石灰土的调查和研究。后来黑龙江、广西等地也相继进 行了一系列的研究，并取得了一定的成果。商庆森进行了黄河地区石灰、稳定细 粒土的强度影响因素研究，得出了石灰土影响强度的主次因素。长安大学的张登 良教授曾经对石灰土强度形成机理、影响因素都作过研究，在他的专著加固土 原理中有论述，这也是我国最早的稳定土方面的专著。另外张起森等曾经合译 过匈牙利布达佩斯科技大学a 凯兹迪的专著稳定土道路一书，此书对石灰 稳定土等也做了深入研究。但是在这些著作写作的时期，石灰土有效钙镁含量衰 减的问题并没有引起大家关注研究。 上世纪9 0 年代后，国内有一部分学者开始对有效钙镁含量的衰减对石灰土检 测以及其压实质量的影响进行研究，淮阴公路管理处的王业广等人研究了石灰土 堆放时间对最大干密度的影响，得出最大干密度呈减小趋势，对规范的压实度标 准提出应予以修正；交通部公路科学研究所郭大进等对有效钙镁含量的衰减问题 做过专题研究，得出现行使用的e d t a 检测在实际施工现场检测的过程中缺乏可 比性，因为该方法忽略了时间对灰剂量的影响，因此准确性、可靠性较差。另外， 还有一些专家学者针对某些道路做过灰剂量衰减方面的研究，例如呼和浩特市郊 区林业局的韩艳芬等针对淮江高速公路的高液限粘土；河海大学岩土工程研究所 张福海等针对宁淮高速公路的膨胀土二次掺灰等。他们通过研究得出灰剂量衰减 曲线，指导石灰土路基施工，取得良好效果。但是，上述研究在试验过程中并没 有很好的考虑压实度、灰剂量和养生条件等的影响因素。 1 5 研究的内容 ( 1 ) 原材料试验，即测定土、石灰的技术性质的试验，确定原材料的物理和 化学性质。 ( 2 ) 针对灰剂量、压实度、养生条件三个影响因素，对石灰土强度形成过程 中石灰土中有效钙镁含量的衰减进行交叉试验，对试验结果分析研究，得出三种 6 影响因素各自的影响规律。 ( 3 ) 研究相同灰剂量下，石灰土干密度的增长规律。 ( 4 ) 根据试验分析得出的影响规律，针对灰剂量衰减对石灰土施工质量检测 的影响，提出石灰土施工过程中质量控制的新方法。 7 2 石灰土灰剂量衰减的原因分析 2 1 石灰土强度形成过程中的反应机理 从二十世纪六十年代开始，国内外学者对石灰稳定土强度反应机理进行了大 量的研究。在土中掺入适量的石灰，并在最佳含水量下拌匀压实，使石灰与土发 生一系列物理、化学反应，从而使土的工程性质发生根本的变化“”。初期表现 为土的结团、塑性降低等：后期变化主要表现在结晶结构的形成，从而提高土的 强度与稳定性“”。具体地讲，石灰与土的相互作用主要表现为以下四个方面。 离子交换与凝聚作用 土的微小颗粒具有一定的胶体性质，它们一般都带有负电荷，表面吸附着一 定数量钠、氢、钾等低价阳离子。石灰是一种强电解质，在土中加入石灰和水后， 石灰在溶液中电解出来的钙离子就与吸附在土粒周围的钠、氢、钾阳离子产生离 子交换作用，原来的钠( 钾) 土变成钙土，土颗粒表面所吸附的离子由一价变成 了二价，减少了土颗粒表面吸附水膜的厚度，使土颗粒相互之间更为接近，分子 引力随着增加，使得钙离子约束在土粒表面，土颗粒的双电层变薄，改变了土的 带电状态“”。这种交换是有条件的，吸附在土粒周围的阳离子的吸附能必须 小于钙离子。离子交换的结果使得土颗粒迅速靠拢，小颗粒聚集成大颗粒并相互 咬合，组成一个稳定结构，从而提高土体的强度。这就是凝聚作用。这种聚集受 到孔隙水中电解质浓度的影响“”1 。不过，不要把离子交换看成是凝聚作用发 生的唯一原因，因为在c a ( o h ) 2 加入之前，在钙离子浓度达到饱和的土中也应该 存在着离子交换，在反应缓慢时不发生这种过程，这种现象还没有满意的解释“” t h o m p s o n 2 1 1 认为离子交换对石灰稳定土的物理性质指标影响较大，几乎所有类 型的土，即使加入少量的石灰均有此反应。这是土加入石灰后初期性质得到改善 的主要原因2 ”。 吸附和离子交换程度是有限的，过量的石灰加入对土的物化性能改变不大， 而且它们对土的影响几乎是立即的，这是石灰“改性点”的实质。一定量的石灰 加入后，改变了土的粘性，形成的团聚体增强了土颗粒的结合。加入超量石灰时， 除吸附和离子交换外，仍然有相当一部分石灰包围在土颗粒表面。这些生石灰颗 粒与孔隙溶液接触，发生水化，形成一层包裹在外面的微晶或非晶c a ( o h ) 2 ，它 们具有微弱的胶结性，将聚集在一起的土颗粒联成一体，形成覆盖在土颗粒表面 的c a ( o h ) 2 膜，共同构成了土的骨架。不过，这层膜本身的强度不大，不能抵抗 很大的外力。当石灰含量过多时，这层膜的形成阻碍了土颗粒的接触，力学性质 8 反而下降。同时，石灰的加入，破坏了士颗粒的原始胶结，使强度有下降趋势， 对结构性较强的粘土来说，这种作用尤为明显。因此，稳定土初期强度最终表现 为诸因素综合作用的结果。 国火山灰作用 士中的粘土矿物、非粘土矿物如活性s i 0 ：、a 1 ：0 。( 土中的活性s i o z 、a 1 。0 s 等物质来自粘粒中相应的氧化物及其水化物和层状硅酸盐的溶解“3 2 “。等与 石灰中的游离钙离子发生火山灰反应，生成水化硅酸钙( c s h ) 3 c a 0 2 s i 0 ：h 2 0 ) 或水化铝酸钙( c a h ) 3 c a 0 2 a l 。0 。c a ( 0 h ) ：1 2 h ：0 ) 及水化硅铝酸钙( c s a h ) 。其 反应式如式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 所示： x c a ( o h ) 2 + s i 0 2 + n h 2 0 专x c a s i 0 2 ( n + 1 ) h 2 0 ( 2 - 1 ) x c a ( o h ) 2 + m 2 0 3 + n h 2 0 专x c a a 1 2 0 3 ( n + 1 ) h 2 0 ( 2 2 ) c s h 有c s h ( i ) 和c s h ( i i ) 两种晶体形式和一种叫做雪硅钙石( t o b e i m o n s i t e ) 的胶体形式，这种胶体是晶体生长过程的初始形态。这些生成物与硅酸盐水泥水 化后的生成物相同2 ”。上述形成的含水的硅酸钙和铝酸钙结晶和熟石灰结晶网 格都是胶凝物质，它具有水硬性并能在固体和水两相环境下发生硬化。张小平等 人的试验结果表明：这些胶凝物质能将矿物颗粒连接和胶结起来，在土微粒团外 围形成一层稳定保护膜，填充颗粒空隙，使颗粒间产生结合料，减少了颗粒间的 空隙与透水性，从而改变了整个孔隙结构，同时提高密实度，这是石灰土获得强 度和水稳定性的基本原因“”。但由于火山灰反应是在不断吸收水分的情况下发 生的，速度较慢。 土中的原生矿物如石英、长石等几乎不与石灰反应，在形成雪硅钙石之前， 土中必须有最小含量的石灰加入才能使土的性质改变。e a d e s 等人通过试验假 定，在高p h 值的环境中，s i 0 ：从粘土矿物中分离出来，遇c a “形成水化硅酸钙， 只要土中存在c a ( o h ) ：和一定的s i 0 。这种过程就会继续。生成物产生后，土颗 粒的边缘受到腐蚀。高国瑞用扫描电镜观察龄期长的石灰稳定土，发现了大量的 纤维状物质，据此，他认为石灰稳定土的强度增长受到这些丝状物的产生和生长 速度的控制“”。但w i l d 对丝状物的出现提出质疑，认为强度增长的原因归因 于胶体的产生和土结构的改善更为合适“”。 火山灰反应发生的前提条件之一是强碱性环境( p h 1 2 4 ) 。使土壤p h 值达 到1 2 4 所需要的最小灰剂量因土类与石灰的质量而异，但是通常接近3 。这是 通常情况下，在土中掺入少许石灰( 通常指0 2 5 ) ，土的强度不会有明显改善的 原因”。 ( 3 ) 碳酸化反应 石灰和土拌和后，与空气中或与土中水反应生成消石灰( c a ( o h ) ：) ，然后 再与的与空气中或与土中c o ：反应生成具有微结晶性能的c a c 0 ，和m g c 0 。，加强了 土粒之间的连接，其化学反应式如式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) ： 9 c a o + h 2 0 = c a ( o h ) 2 ( 2 3 ) c a ( o h ) 2 + c 0 2 = c a c 0 3 + h 2 0 ( 2 - 4 ) 试验表明，碳酸化反应只是在有水的条件才能进行。当用干燥碳酸气作用于 完全干燥的石灰粉末时，这反应几乎完全停止进行。因为碳酸化的作用需要水。 g l e n n 等人“将石灰稳定土样放在空气中养生，结果测出了c a c 0 。南京大 学地质系及江苏省建筑设计院“”将现场取得的生石灰桩加固土土样在偏光显微 镜下观察，发现了新生的方解石晶体。但是，在实际应用中，除非是表层灰土， 否则，c 0 。是很难进入土中与消石灰发生反应的。g l e n n 的试验结果表明，表层 处理时约有2 5 的c a c 0 。的生成可归因于碳酸化作用，用石灰处理深层土的土样， 在取样和试验过程中不可避免地要暴露在空气中，很难说明方解石微晶是在取样 前生成的。黎灿明在其论文中认为，碳酸化作用必然会降低石灰稳定士中有效 c a 0 、m 9 0 含量，削弱石灰与土的进一步反应，因而会产生不良的后果“”。 c a c 0 。是坚硬的结晶体，具有较高的强度和水稳性，它和其它生成的复杂盐 类把土粒胶结起来，从而对土的胶结作用使土得到了加固。由于c o ：可能由混合 料的孔隙渗入，也可能由土本身产生，当石灰土的表层碳酸化后则形成一层硬壳， 而阻碍c o ：进一步渗入，因而c a ( o h ) ：的碳化是个相当长的反应过程，所以石灰 硬化及火山灰反应是石灰土强度后期强度增长的主要原因。 结晶作用 石灰和土拌和后生成的消石灰( c a ( o h ) ：) ，由于水分较少，只有少部分离解， 还有少部分的c a ( 0 n ) ：进行化学作用，绝大部分饱和c a ( o h ) 。在灰土中自行结晶， 熟石灰与水作用生成熟石灰结晶网格，其化学反应式如下： c a ( o h ) 2 + n h 2 0 斗c a ( o h ) 2 n h 2 0 ( 2 - 5 ) 石灰吸收水分( 胶体)含水晶体( 晶体) 由于结晶作用，c a ( o h ) 。由胶体逐渐成为晶体。这种晶体能够相互结合，并 与土粒结合起来形成共晶体，把土粒胶结成整体。晶体c a ( o h ) ：与不定形( 非晶 体) 的c a ( 0 n ) 。相比，溶解度几乎小一半，因而石灰士的稳定性得到提高。 在上述几种石灰稳定土强度形成过程反应机理中，离子交换作用，火山灰作 用是主要的，消石灰碳酸化作用和结晶作用是次要的，在这一点上岩土工程界已 经形成了基本统一的认识3 1 “”。不过，对于不同龄期的石灰稳定土来说， 前2 种物理化学反应对石灰稳定土强度所起作用的大小是不同的。b o a r d m a n 通 过试验发现龄期小于7 天的石灰稳定土中几乎没有火山灰反应产物生成”，据 此，他将石灰稳定土的早期强度( o 7 天龄期) 增长归因于粘土颗粒的离子交换 和凝聚作用，将石灰稳定土的后期强度( 7 天以后) 的增长归因子火山灰反应 l o 2 2 现行使用灰剂量的检测方法及其缺陷 根据公路工程无机结合料稳定材料试验规程”“要求，先在实验室内绘 制出石灰剂量标准曲线( 滴定己知灰剂量的标准试样所消耗的e d t a 溶液量与灰 剂量的关系曲线) 。然后在需要检测灰剂量的石灰土中选取一定质量具有代表的 试样，制备混合料悬浮液，使其p h 值为1 2 5 1 3 0 ，然后加入钙红指示剂，使 溶液呈玫瑰红色。用e d t a 二钠标准液进行滴定，直到溶液变成纯蓝色为止，根 据试样的e d t a 二钠溶液消耗量在标准曲线上查出所对应的灰剂量。这种方法适 用于工地快速测定石灰稳定土中石灰的剂量，并可以检查拌和的均匀性，一般进 行一次测定只需十分钟时间。 公路工程无机结合料稳定材料试验规程“中给出的e d t a 滴定法假设 石灰一次性掺加，并假设7d 内土中有效氧化钙和氧化镁含量不变，灰剂量检测 工作在石灰掺加后7 d 内完成。将石灰土中( c a “) 溶解在氯化铵( n 也c 1 ) 水溶液 中测出钙离子的浓度，在标准曲线上查出石灰土中石灰的剂量。但石灰在土中初 期主要发生的是四种化学反应中的离子交换反应，而且这种反应几乎是石灰与土 一经接触就迅即反应。石灰浆( c a ( o h ) ：) 中游离的钙离子( c a ”) 同粘土矿物吸附的 综合体中的钠离子( n a + ) 、氢离子( h + ) 发生离子交换，则游离的石灰钙离子( c a 2 + ) 浓度就减少了。随着时间增长，反应愈趋完善，因而石灰剂量呈衰减趋势。而且， 该试验方法的假设有时与工程实际相差较远，比如在江苏省高速公路建设中对于 高含水量的膨胀土采用二次掺灰的施工工艺，第一次掺灰到灰剂量检测之间的时 间有时超过1 个月，与规范的假定条件差别很大。e d t a 的消耗量与混合料悬浮 液中的游离钙离子有关，随着龄期的增长石灰土中的一部分钙离子已经与土中的 矿物发生反应，生成新的化合物“”，因此游离钙离子减少，用初始的e d t a 二 纳的耗量的标准曲线确定的掺灰量必然下降。从石灰土强度形成机理中分析也可 以看出，石灰中的c a 2 + 离子与吸着水膜中的低价阳离子会发生离子交换，所以随 着时间延长，石灰土中游离氧化钙和氧化镁含量减少了，因此在掺灰后不同的时 间测定试样所消耗的e d t a 量将明显不同，这就是石灰土旌工中常会遇到的“灰 剂量衰减”现象。 用规范法检测的是土体中游离氧化钙和氧化镁含量，而不是实际掺入的石灰 的含量，所谓的灰剂量衰减实际上指的是某一固定含灰量的试样消耗的有效钙镁 含量随放置时间延长发生衰减，并不是土中掺入的石灰量随时间发生衰减。也就 是说按规范中的检测方法，即使初始掺灰量达到了设计值，但是由于检测时间的 滞后，也会出现检测的灰剂量达不到设计值的情况为使检测结果能反应工程中 实际掺灰的情况，必须事先制定一个跟时间有关的灰剂量检测标准”。 3 室内试验方法 3 1 主体试验的思路和方法 本课题主要通过室内试验对不同压实度、不同灰剂量、不同养生条件下石灰 土中有效钙镁含量随时间衰减规律进行研究。最终通过e d t a 滴定试验得出不同 条件下有效钙镁含量衰减的规律。由于影响因素较多，试验量大，所以采用正交 试验设计法设计试验。这种方法的优点是试验次数少，效果好，方法简单，使用 方便，效率高。 3 1 1 试验参数的选定 石灰土中有效钙镁含量发生变化是因为，随着石灰土强度的形成，土中的硅 离子等与有效钙镁离子发生反应。检测石灰土的石灰剂量是为检验石灰土的压实 效果是否达到标准要求提供依据，因此在试验中考虑参数选定时，首先要考虑影 响石灰土强度形成的主要因素。下面就通过对石灰土强度形成过程中主要影响因 素的探讨，来确定试验用的原材料和各种参数。 a ) 土质 各种成因的土都可以用石灰来稳定，但生产实践说明，粘性土较好，其稳定 的效果显著，强度也高。采用的土质，既要考虑其强度，还要考虑到施工时易于 粉碎便于碾压成型。因此，一般采用塑性指数i p 为1 0 2 0 的土”，易于粉碎 均匀，便于碾压成型，铺筑效果较好。对于选用粘士的塑性指数，许多学者都曾 经做过研究，罗金玲1 认为选用塑性指数为1 2 1 8 的粘性土为好，塑性指数 1 2 的土不宜用石灰稳定；陈瑛瑜等人“钉则认为应优先选用塑性指数为1 2 2 0 的粘性土本试验使用的土，取自南京三桥南接线施工中其中一个土场的秸 土。该土样土的土工试验按照 公路土工试验规程 3 e i ( j t j0 5 1 9 3 ) 进行。测得 土的液限为：w 1 = 3 9 6 ，土的塑限为：w 。= 2 3 5 ，士的塑性指数为；i p - - 1 6 2 。用重 型标准击实试验方法进行击实，得到素土的最佳含水量。= 1 2 7 ，最大干密度 p d m a x = 1 8 9 6 9 c m 3 。 石灰 各种化学组成的石灰均可用于稳定土。石灰的等级愈高( 即c a o + m g o 的含量 愈高) 时，在同样石灰剂量下有较多的c a o 和m g o 起作用，因而稳定效果愈好。 石灰的细度愈大，其比表面愈大，在相同剂量下与土粒的作用愈充分，因而效果 愈好。一般施工中所用的石灰质量应符合级以上标准，并尽量缩短石灰的存放 时间，最好在生产后不迟于三个月内投入使用。 使用石灰来稳定土时，国内通常是将生石灰块加水使之消解为消石灰并过筛 后使用。国外有用磨细的生石灰粉稳定湿粘土，获得良好效果。近十多年来，国 内已开始生产袋装生石灰粉。 通过对比分别使用生石灰粉和消石灰的石灰土，可以发现：使用生石灰粉的 压实效果和质量更好。这是因为生石灰粉在消解中可放出大量热能，加快了土与 石灰之间的反应速度。另外，刚消解的石灰呈胶状氢氧化钙，其活性和溶解度均 较高，能保证石灰与土中的胶粒更好地作用。因而，采用生石灰粉稳定的效 果优于消石灰。石灰土是以石灰作为胶凝材料，所以石灰质量的好坏直接影响石 灰土的性能，对试验结果影响很大。本课题中为更好的体现石灰对石灰剂量变化 的影响，试验中采用生石灰粉作为原料。根据公路工程无机结合料稳定材料试 验规程( w 0 8 0 1 3 9 4 ) ”测得其有效钙镁含量为7 8 ，满足公路路面基层 施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 的规定。在试验前把