用加固剂加固北京地区粉土及应用研究

1、用加固剂加固北京地区粉土的应用研究杨丽英（北京市公路局公路设计研究院）摘要本文对两种粉状加固剂加固粉土的性能进行了试验分析并通过修筑试验路说明影响加固土力学特性的因素，文中还对加固土的性能进行试验分析，并得出相关结论。关键词加固剂加固粉土试验分析相关结论目前，我国公路工程中普遍使用加固土，通过在土中掺加无机结合料形成半刚性材料以综合提高土的强度、刚度和稳定性。我国使用较多的无机结合料是石灰和水泥，由此形成的石灰土、水泥土、石灰粉煤灰土由于技术性能优良、施工简单且价格低廉近年来在高等级公路中得到推广，并广泛应用于土基表层、基层、底基层和垫层中。在国外应用较多的是水泥土。近年来，随着公路建设规模的

2、不断扩大，在公路建设中遇到的土质情况也千差万别，因此各种特殊土的处理日益引起人们的关注，这些不良土质有的路用性能差，如粉质土遇水不稳定，粘性土膨胀性大，有的土不易施工，如过湿土、重粘土，对这些特殊土使用石灰、水泥进行加固效果不理想。在这种情况下，土壤加固剂开始引起工程技术人员的关注。国外发达国家对土壤加固剂的研究起步较早，他们从环境保护的角度出发，从电化学原理入手，综合土壤力学、土壤化学、有机高分子化学、化学工程、材料工程、环境工程等多学科知识，形成一跨领域的交叉科学-土壤加固学。美国、日本、加拿大、南非等国都从各领域的基本要求出发，研制出适合不同要求、不同土质情况的加固剂。这些加固剂在各国都

3、得到应用，结果表明：使用加固剂，可以节约能源、节省投资且施工快捷，因而加固剂在国外发达国家已形成相当的产业规模，取得巨大的经济效益和社会效益。近几年，随着我国公路发展速度的加快，许多国外加固剂开始向国内推广，我国许多省市也采用进口加固剂修筑了不同等级的公路，取得了宝贵的经验和教训，但由于我国经济水平的制约、土质情况的差别、道路标准的差异、试验手段的不同，这些进口固化剂在我国并没有大规模的应用。近年来，国内工程技术人员开始自主研究开发适合我国国情的固化剂，经过几年的发展，国产固化剂逐渐形成一定的规模，许多品牌的固化剂开始在国内推广应用，并取得良好的效果。一、加固剂的分类加固剂种类繁多，加固机理也

4、有所差异，但从总体上看，加固剂按形态的不同，一般可分为两类：液粉加固剂：一般由无机盐配制的溶液，辅以石灰、水泥等材料，能改善土的技术性能的液粉和粉状材料。道路中使用的该类加固剂要求溶液中固体含量不大于3%不得有沉淀或絮状物。粉状加固剂：由粉状无机盐、石灰、水泥等不同材料混合而成的混合材料。我国自行研制开发的粉状加固剂中掺加活性材料以有效地提高土的性能，该类加固剂的细度应控制在0.075mm标准筛且筛余不超过15%二、加固剂的加固机理我国国产加固剂一般属于粉状加固剂范畴。国内加固剂的研究大多是从水泥的加固机理出发，通过在各种基质材料中添加各种特殊的高分子材料，如早强剂、激发剂、保水剂等以达到提高

5、土的路用性能的目的。虽然加固剂配方不同，成分各异，但加固机理大同小异，一般认为其作用机理为：当固化剂与含有一定水分的土混合后，即发生一系列物理化学反应，首先在土中大量形成富含结晶水的针状结晶体穿插在土颗粒空隙之间形成强度骨架，其次硅酸盐类水化物填充在骨架之中，使固化体系进一步密实，最后在各种激发剂的强烈作用下，加固剂和部分土颗粒参加化学反应，使加固土具有不可逆的良好的耐久性。液粉加固剂的加固机理多是基于电化学机理，各种加固剂溶于水后形成水溶液，喷洒于土中，加固剂包覆于土颗粒周围，同时使土中的胶质电离，失去表面阳性，使之无法吸收水分，从而提高土颗粒之间的吸附力，与此同时形成结晶盐，从而综合提高土

6、的性能。为了研究加固剂的路用性能，我们对两种粉状加固剂和一种液粉加固剂加固粉性土的效果进行了试验分析。本次试验选用的素土是北京地区常见的粉性土，该类土性质不稳定，尤其是水稳性不好，干燥时质地坚硬，遇水容易滑塌，在该类土地区修建公路，其稳定性成为我们必须考虑的问题，同时该种土不易压实，因此，针对该类土一般都需要进行加固。三、粉状加固剂加固土性能试验试验中选用的素士采自兴业路路基土,加固剂选用北京生产的两种固化剂GB-0和B-4,固化剂掺量选用6%1 .土的基本参数一般情况下，掺加固化剂后土的最大干密度增大而最佳含水量降低，本次试验结果也符合这一规律。2 加固土的强度与刚度性能试验(1)加固土的7

7、天强度加固土的7大强度是进行材料组成设计和施工质量检验的重要指标，它主要是用于进行基层、底基层材料组成设计时评价材料的质量和性能，同时也作为施工过程中质量检验与评定的重要指标之一。为了比较加固剂对该类土的加固效果，试验中采用石灰加固土和水泥加固土进行对比试验。石灰选用首钢自产生石灰粉，石灰等级为一级钙质灰，水泥选用普通硅酸盐水泥325掰口425#两种，试验结果见表3。目前，我国公路工程技术规范中对粉状加固剂及加固土的技术要求没有明确规定，本文中粉状加固剂类加固土的强度指标是参考二灰土的指标选用的，见表4。加脱土的强度标准区|囊4团工加固刎美中皿用3al青界公鼎鼐金济二嫣忆：想以F幺部痴&

8、;3'5n1GT皿白币/晒樽0.6-0.B党壮hrM麻吸-jJD.G'O.a一祠I+S-3SIC-J11-r,右靛臭；U.K0.507右决勒姆展把步注5“iS费一-25从表3试验结果看，从早期强度的角度分析，GB-0型及B-4型加固剂加固该粉土效果优于石灰土、水泥土和二灰加固土。(2)加固土的劈裂强度和回弹模量我国沥青路面设计规范中，是采用弹性层状理论进行路面结构设计的，主要思路是根据设计弯沉计算路面厚度，并对高速、一级、二级公路的面层和平刚性基层、底基层进行层底拉应力验算。针对半刚性材料，上述厚度计算和拉应力验算中用到加固土的设计参数为劈裂强度和抗压回弹模量。本次试验中对添加

9、两种固化剂加固土的这两个设计参数进行了室内试验，试验结果见表5。加固土基本设计参数表5加冏剂种类B-4GB-0劈裂强度(MPa)0J80J6676455本次劈裂强度试验中，试验方法参照公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-94)间接抗拉强度试验方法(劈裂试验)(T0806-94)。加固土干密度按最大干密度的95科算,在最佳含水量条件下用静力压实法制备50X50mm式件，试件在20±2c条件下恒温恒湿(相对湿度90%养生6个月，养生期最后一天，试件浸水24小时。抗压回弹模量试验方法参照公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-94)顶面法测定抗压回弹模量试验方法，加

10、固土按最大干密度的95%£最佳含水量条件下制件，试件尺寸100X100mm恒温恒湿养生6个月，养生期最后一天用早强高强水泥净浆抹平两个端面，然后浸水一昼夜后进行抗压模量试验。3 试验路修筑与检测在室内试验得出加固土的基本参数的基础上，在兴业路修筑了加固土试验路(1)试验路概况兴业路(康庄路-京良路)全长5.239公里，采用二级公路标准设计。设计行车速度80公里/小时，设计弯沉0.322毫米。兴业路中k0+000k2+300路基宽16ml路面宽14mk2+300k2+900路基宽9m,路面宽7项k2+900k5+239路基宽12m路面宽9m(2)试验路方案在兴业路采用土壤加固剂修筑试验

11、路，试验路段选在k0+9504段一混凝土板桥南北两侧，两种加固剂GB-0和B-4各修筑300米试验段。试验路段采用加固剂加固土代替10面灰土层作为底基层。加固剂掺加剂量按重量比6%参加，原设计结构层厚度不变。试验路路面结构为：2e沥青石屑4cm中粒式沥壹磴色cm二灰砂砾15cm6%加固上为了观测加固剂在高等级公路中的使用性能，加固土作为路面的底基层，原设计二级路标准按高速公路标准施工。对试验路段的技术要求如下：土壤加固剂GB-0和B-4的掺量均为6%加固土的7天无侧限抗压强度应达到0.7MPa,压实度达到95%(3)试验路施工试验路由北京市公路局大兴分局工程段负责施工。施工时，撒水接近最佳含水

12、量时，按6%1量比撒布加固剂，然后用旋耕机进行搅拌，一般拌和56遍即可使加固剂在土中分布均匀。石灰土采用10%5灰，由于石灰掺量较高，一般拌和810遍。拌和均匀后用振动式压路机进行碾压。试验路检测为了考察加固土的路用性能，施工中对试验路段进行检测。主要的检测项目有：加固土7大强度检验和现场回弹模量检测。7天强度检验在加固土施工现场，加固剂与土拌和均匀后，现场取土，在室内检测加固土的7天无侧限抗压强度，结果见表6。试验路加固土7无弓虽值表表6种类加向卜令水最强度m国花剂7,520.4。间化利'-3.970.6从表6与表3室内加固土7大抗压强度试验结果比较可见：施工现场取样试验测得的加固土

13、的7天强度明显低于室内试验所得结果。室内试验中，采用相同的素土和加固剂，掺加相同的固化剂比例，7天强度接近达1MPa而施工中，加固土7大强度只有0.40.6MPa只有室内结果的一半左右。出现这一现象的原因可从以下几方面分析：首先，室内试验是在相对理想的条件下进行的，可严格地控制试验的每一环节，加固剂与土拌和均匀，试件成型含水量、试件养生温度湿度也可精确控制。而这些有利于加固土形成强度的条件在野外很难严格地人为控制，比如，可能出现加固土内加固剂拌和不均的情况，造成强度不均匀。其次，试验路施工中，压实含水量偏低，也是影响加固土强度形成的关键原因之一。最后，就是施工季节的影响，兴业路试验段施工是在1

14、1月中旬，气温偏低，夜间气温接近0C,加固土强度形成缓慢，初期强度偏低。回弹模量检测试验段施工过程中，我们对试验路段土基和加固土底基层的回弹模量进行了同步检测。土基回弹模量是在土基压实完成后测定的，加固土的回弹模量是在加固土层施工碾压完成后养生7天后测定的。回弹模量检测方法参照承载板法测定土基回弹模量方法（T0943-95）o由于养生时间较短，各结构层的回弹模量偏低，上表中所测数据仅作为与长期回弹模量对比用。（5）加固土性能影响因素通过对加固土进行室内试验和对兴业路加固土试验路段的施工，可总结出影响加固剂性能的主要因素。施工中，碾压含水量对加固土强度形成至关重要试验路段由于含水量偏低，加固土强

15、度比20c时强度大大降低。这是因为水在加固土的强度形成过程中是不可缺少的，水泥完全水化需要本身重量20%的水，离子反应也需在水环境下进行，当添加水量偏少时，不能保证各种反应的充分进行，土的初期强度形成受到阻碍。为了直观地说明水在加固剂反应过程中的作用，我们在室内进行了试验：加固土中加水至最佳含水量，拌和均匀后炯料两小时，在105c条件下烘干6小时，加固土的含水量降低0.5%。这一部分降低的含水量除包括拌和过程中的水分损失外，另外各种反应（包括离子反应、水化反应、水化物的硬化反应等）都开始进行，反应生成的水化物中的结晶水在105c下不可能重新析出，因而，试验测得的含水量比预期要小，这从另一侧面说

16、明了含水量对加固土强度形成的重要性。一般加固土施工碾压的含水量应控制在最佳含水量+2流右。施工和养生温度直接决定加固土的强度加固土的强度形成受温度影响，高温条件下，加固土强度增长速度快。低温时，加固土温度不易形成，受冰冻影响，反而会降低。因此，加固土的施工应尽量在高温季节，一般应不低于5C。4液粉土壤加固剂性能试验液粉土壤固化剂，可用于加固道路路基和基层、底基层。但在公路工程中，许多固化剂在用于加固土时，都需要添加石灰作为催化剂，通过加固剂和石灰的共同作用综合提高土的强度和刚度。本次试验选用一种液粉加固剂进行性能试验，在素土中掺加液粉加固剂的方法是：加固剂按1：200体积比用水稀释，稀释液按干

17、土质量5媾加，另外，参考该固化剂的使用说明书，在土中另外掺加5%生石灰作为催化剂。为了进行比较，试验中对不掺加石灰的加固土进行对照试验。按95%F密度制备5X5cm试件，试件恒温（20±2C）何湿养生6天,为了考察该种加固土的水稳性，试件第7天养生分两批，一批泡水，一批继续恒温恒湿养生，7天无侧限抗压强度试验结果如表8。加固土强度试验结果衰衰8加固剂种类第7天养生条件7天强度（MPQ一一一加固剂泡水0加固剂J不泡水.；0.56加加M+5%石灰,-111尸0.72加固剂+5%石灰不泡水1.03从表8中可以看到：加固剂对土的强度提高有一定的作用，但对水反应敏感，试件恒温恒湿养生7天后，不

18、浸水的试件具有一定的强度，在相同的条件下养生6天浸水一天后加固土试件完全松散，根本没有强度，这说明加固土的强度提高在很大程度上受养生条件的制约。同时加固土的强度还与是否添加生石灰粉有关，掺加5%5灰后，土的强度显著提高，浸水后试件强度可达0.72MPa,而不添加石灰的加固土不浸水强度虽有所提高，浸水后其强度丧失殆尽，这也说明了在该加固剂中添加石灰催化剂的必要性。对出现这一现象的的原因进行分析：从加固剂的加固机理入手，浸水后，大量的水会进入加固土中，使土中已结晶的结晶水重新析出，导致遇水强度降低，因此,应掺加一定剂量的石灰作为催化剂保证各种电化学反应的稳定性。对单纯添加该种加固剂加固土强度的评价不能采用常规的7天无侧限抗压强度试验方法中浸水检验水稳性的方法，这一特殊的要求使得该加固剂目前在我国的推广受到制约。国外许多液粉加固剂都存在这一问题，即水稳性差，即便在干燥状态下，加固土强度相当高，一旦遇水，强度迅速降低甚至完全丧失。我国现行规范半刚性材料配合比组成设计中，要求加固土经一昼夜浸水检验其水稳性，许多国外加固剂不能满足我国规范要求，因此在采用加固剂时应充分考虑其水稳性问题