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1、 .wd.高速公路石灰改良膨胀土试验与施工对照分析胡彦成一、概述在高速公路建设中，沿线经常分布有膨胀土不良土质土源，由于土地珍贵和经济上的因素，有时不得不利用就近的中等或弱膨胀土不良土源作为高速公路路基填料。膨胀土改良方法，及改良膨胀土路用技术的研究，是近年来我国高等级公路建设中的热点课题之一。我们以蚌明高速公路的膨胀土为研究对象，蚌明高速公路多个标段通过膨胀土地区，尤其以五标及九标的土质为最差。我们在施工灰土实验段初期就遇到了击实结果偏大，压实度不能到达设计要求的情况。从施工工艺上改良后依然不能到达。这就使我们考虑到控制压实度的一些关键数据，如标干、含水量等。膨胀土主要是由亲水性较强的粘土矿
2、物成分组成的，具有较大涨缩性能和相对较高的液限、塑限和塑性指数的粘性土。受生成地质条件、地址、水文及气候环境等因素的影响，具有显著的涨缩性、崩解性、多裂隙性、风化特性和强度衰减性等一系列的特殊、复杂的物理力学性质。二、膨胀土石灰改良的工作机理1、膨胀土如果处理不当，对工程建设具有潜在的破坏性。因此，膨胀土改性后再用于高速公路填筑是十分必要的。石灰改良膨胀土是最普遍、最有效的方法之一。石灰与膨胀土之间的化学作用非常复杂，石灰改良的工作机理一般认为有：a化学与物理-化学作用一是离子交换作用，即石灰中钙、镁离子置换土中钠、钾离子，或吸收作用，导致离子单位重量增加。膨胀土与石灰接触后，这一离子交换作用
3、立即发生，使得胶体吸附层减薄，从而使粘土胶状颗粒发生凝聚，粘胶力的亲水性减弱，细颗粒产生絮凝和凝沉，形成较大的集力或积聚体。二是碳酸化作用，即石灰中CaOH2吸收CO2形成质地稳固、水稳性好的CaCO3晶体。这一结晶作用使得土的胶结得到加强，从而提高了石灰土的后期强度。试验说明，碳酸化学反响只有在水的条件下才能进展，在枯燥的碳酸气作用于完全枯燥的石灰粉末时，碳酸反响几乎停顿，说明这种作用需用水。三是结晶作用，在石灰土中除了一局部CaOH2发生碳酸化反响外，另一局部那么在石灰土中自行结晶CaOH2+nH2OCaOH2.nH2O由于结晶作用，CaOH2胶状体逐渐变成晶体，这种晶体能互相作用与土结合
4、成晶体，从而把土粒胶结成整体，提高了石灰土的水稳定性。四是灰结作用，即膨胀土加灰后，使土呈碱性，在碱性环境中石灰与土中的氧化铝逐渐硬结，即：火山灰作用活性硅产品矿物在石灰的碱性激发作用下离解，并在水的参与下CaOH2反响生成含水的碳酸钙和铝酸钙，即： CaOH2+SiO2+n-1H2OXCaSiO2.nH2OXCa OH2+Al2O3+n-1H2OXCaAl2O3.nH2O火山灰反响是在不断吸收水份的情况下逐渐形成的，因而其具有水硬性质。另外，石灰本身会产生消化反响。CaO生成CaOH2后体积增大近一倍，使土固结。b、土的组织构造变化的增强机理化学和物理-化学作用是粘胶粒絮凝、胶结，并使聚粒体
5、外表形成水硬性包膜，水化能力的降低，导致土构造的疏松，胀缩作用也因土的构造疏松而在构造内部消化。当化学和物理-化学作用充分，土的构造 基本稳定，其胀缩性随之消失，同时也增强了土的强度。石灰改良膨胀土主要表达在膨胀土塑性指标下降，以及粘粒含量降低。但是，在一定石灰掺入量条件下，改良膨胀土的性质随着石灰计量而变优。而当石灰计量超过某一值后，石灰稳定土的力学指标和水稳定性反而有所下降。正是这一稳定机制的复杂性，石灰稳定膨胀土的石灰掺入计量，易通过试验比照后确定。2、上述可以看出，石灰改良膨胀土的工作机理相对简单、明确。然而，在高速公路建设中，石灰改良膨胀土的实际应用中，却仍然存在大量的问题有待进一步
6、研究和完善。主要表现在：石灰改良膨胀土的击实标准。当前确定标准干密度的方法，最通用的有三种：1击实试验法；2试验路法；3固体体积法。最通用确实定土和路面材料的标准干密度的方法是击实试验法。按照试验操作规程要求，击实试验分轻型击实和重型击实。小试筒适用于粒径不大于25mm的土，大试筒适用于粒径不大于38mm的土。石灰改良膨胀土的击实试验，标准中明确规定闷料24h的“干法击实试验，但是这一方法在实际工程应用中，宜出现最正确含水量偏底，最大干重度偏高的试验结果。这一击实标准很容易导致外观良好、性能优良石灰稳定土填筑构造的压实度检测难以到达设计压实度要求。由此可见，石灰的掺入对土的击实特性的影响较大，
7、就其机理，可以从钙的水解作用消耗了土中的局部水份，颗粒间的磨阻力因此提高角度来解释。为此，就高液限粘土和构造性强的改良土击实试验，提出了“湿法和“干法击实试验。采用湿法后，击实标准中的最正确含水量提高，最大干重度降低。石灰稳定膨胀土的击实标准研究成果说明，随着石灰掺入量增加，石灰土击实标准中的最大干重度降低，参见图1同时，随着闷料时间增加，呈降低现象。应该指出，就其石灰稳定土的密实度而言，拌和闷料等待时间愈长，对灰土压实愈不利。正是因为实际施工中，石灰土从掺灰闷料砂化、上路控制含水量碾压、质量检测时间等的不同，现场施工与室内标准条件存在显著的差异性，导致室内干重度显著高于现场干重度，尤其是“干
8、法击实标准。综上，石灰改良土的击实方法、灰计量、龄期等对击实标准的影响的研究，有待完善。三、石灰改良膨胀土施工控制与质量评价1、石灰改良膨胀土施工控制过程主要有：一是材料，即膨胀土和石灰。一般要求取土坑中粘性大、呈团块状的膨胀土用机械粉碎，经反复屡次翻拌，到达无大于5cm的土块为止。石灰那么要求III级以上生石灰，钙质生石灰有效CaO、MgO的含量应不底于70%。进厂的石灰要及时使用，防止雨淋。灰土填料应及时使用，以防有效CaO、MgO的流失、衰减。并通过1cm的筛孔。此外，尽量缩短石灰存放时间，妥善覆盖保管，消解时间一般控制在7天，以免有效成分衰减损失过大。二是掺灰拌和，石灰与膨胀土之间发生
9、复杂的化学作用的效果，首要条件是膨胀土的粉碎和拌和均匀。二次掺灰是石灰稳定膨胀土施工最正确工艺之一。即第一次在取土处掺入3%灰量或2%生石灰，使呈团块状的膨胀土崩解，土团容易粉碎，形成较均匀的混合料。一般采用在单位面积上，所铺生石灰厚度与取土深度的比例控制石灰量。挖掘机挖土时，将土和石灰同时挖起堆积在取土坑边，当堆积到一定长度和高度时，再用挖掘机翻拌均匀，进展闷料砂化23天，即可上路。第二次掺入设计要求的剩余灰计量，一般在路基上进展。 基本方法是将路基上的砂化土用推土机初平，旋耕机翻拌、粉碎，平地机细平，松土厚度为2025cm，用压路机静压一遍，使外表粗平后，按松铺厚度计算卸灰，用人工均匀撒布
10、。拌和机械组合必须先进合理，经济适用，并有效保障。采用农用犁翻一遍后，用68旋耕犁排队进展翻拌粉碎23遍，再用农用犁深翻到底一遍，继续以旋耕犁粉碎23遍，最后用宝马路拌机拌12遍，这样一般即可到达含灰均匀，无素土夹层，无大于5cm土块的要求。三是碾压成型，一般拌和均匀的灰土静压一遍后，用平地机细平，作出路拱、纵横坡，到达外表平整，无坑洼现象。石灰与膨胀土之间发生复杂的化学作用大多是在含有水介质条件下完成的。适当增大控制含水量12个百分点有利于石灰与膨胀土化合消除其膨胀性，但不宜增大太多，以免达不到要求的干密度，或引起较大的收缩变形。含灰量要到达标准要求，底于标准的为不合格，要及时掺灰重拌。碾压
11、一般可用振动压路机慢速振压一遍，再用三轮压路机从两边向中间重叠半轮碾压23遍，到达纵横坡度要求，外表平整光洁、无松动和坑洼等现象。同时，两侧路肩应多压23遍。四是质量控制与检测。振压完成后，应及时自检压实度、石灰剂量、含水量，并做好记录。由于石灰计量的衰减和含水量的变化，报监理抽检签认，需要注意时效性。石灰改良土灰剂量随龄期的变化规律，及其对质量控制与检测的影响已逐渐为工程界所重视。EDTA滴定试验，需要考虑掺灰龄期的影响，建设代表性土样不同灰计量的EDTA时程标准曲线是合理的。五是质量控制重点，松铺厚度宜薄不宜厚，一般松厚为2025cm，压实厚为1520cm。采用薄层快填工艺能够提高一次合格
12、率，不返工，进度快，是一项灰土路基施工的成功经历。铺灰前工作面平整度以目测为主，要无坑洼，便于二次均匀布灰。路拌深度由现场开挖观察，灰土直到前一施工层顶面为准，无未经拌和的素土夹层为符合要求。要捡出大于5cm的土块，特别是要捡出在膨胀土形成过程中生成的结核礓石。由于存在30%，显著地高于路用填料强度稳定的设计要求。在这一条件下，是否可以认为石灰改良膨胀土填筑中降低压实度或密实度，仍能很好地满足填料强度性能CBR值、强度稳定测试、现场强度测试等设计要求和路基刚度回弹模量、弯沉等的要求；同时，密实度的降低，根据压实机理的负相关性，施工控制含水量可以适量提高，在南方多雨潮湿地区，不会发生收缩变形的情
13、况下，这一技术路线显然会使路堤构造具有更好的工后稳定性年。因此，石灰改良稳定土路堤构造力学性状的室内、外试验与评价，以及石灰改良膨胀土的改性效果试验测试的有效数据积累与分析，相对传统的压实度、石灰剂量和含水量质量控的方法更加有效合理。四、高速公路石灰改良膨胀土调查石灰稳定膨胀土的灰剂量，一般采用EDTA标准滴定试验，关于一定初始状态，不同石灰掺量的EDTA试验，相关标准制定了详细的实验方法。但是，关于同一石灰计量，不同龄期的EDTA标准曲线，对于实际工程中石灰计量的检测工作，具有重要的应用价值。然而初始状态含水量W确实定，不同的击实方法，所得的最正确含水量相差较大，这就需要根据施工控制的含水量
14、，来制备EDTA标准滴定时程线，以便于施工工程中石灰计量检测时，有相对更加合理的参照标准。根据安徽省蚌明高速公路指挥部委托东南大学交通学院岩土工程研究所承担的膨胀土路用改良特性研究的实验工程的结果可知，五标及九标等膨胀土的性质最差，即土的液限含水量、塑性指数和自由膨胀率相对较高，变异性相对较底，土样性质相对较均匀。室内试验得到石灰改良膨胀土的干法重型击实标准，干重度指标的变异性较低，数值相对膨胀土素土有所降低，参见图2石灰稳定最正确含水量相对膨胀土素土的最正确含水量有所降低，且随着石灰计量增加略有降低。这与石灰稳定土的最正确含水量相对素土应有所提高的一般认识相悖。由此可见，石灰改良膨胀土采用干
15、法重型击实试验标准，确实存在不尽合理之处。首先，最正确含水量，在掺灰后，不升反降，且随着石灰计量增加，略有降低。其次，石灰计量土的最大干重度虽然相对素土有所降低，但是降低幅度偏小，这与最正确含水量偏低不无关系。干法击实标准中，相对较低含水量和相对较高干重度，不仅仅会造成实际工程检测难以到达设计压实度要求。而且实际上按这一状态控制石灰稳定土路堤施工，工后的路堤构造稳定性并不一定最优。石灰改良膨胀土的室内CBR值，相对素土有显著提高，一般超过30%，其平均值随石灰掺量的关系，参见图3由此可以看出，蚌明高速公路膨胀土采用石灰改良后的力学特性，远远超过路用填土 基本力学要求。因此，采用低剂量石灰稳定膨胀土路基是非常合理和有效的处置方法。并且，从力学特性的角度，石灰计量超过5%以后的作用意义不大。考虑到施工搅拌均匀程度难以到达室内试验水平，采用5%消石灰计量用于高速公路路堤各个区域填筑的强度、刚度与稳定的安全
