生石灰粉處理過濕土的摻量計(jì)算和強(qiáng)度特性

1、生石灰粉處理過濕土的摻量計(jì)算和強(qiáng)度特性http:/www.CME2006-6-13來源：科技論文集文李俊上海市市政工程研究院摘要本文通過理論和試驗(yàn)分析，對生石灰粉處理后，過濕土的含水量變化進(jìn)行了分析，得到了含水量變化與石灰劑量、有效鈣含量和原狀土含水量等之間的相關(guān)關(guān)系，并據(jù)此對過濕土處理的生石灰粉摻量計(jì)算進(jìn)行了分析研究。通過實(shí)測，對處理后的土路基強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究分析，建立了上路床處理后的土路基頂面回彈模量與彎沉之間的相互關(guān)系，可供設(shè)計(jì)和施工參考使用。關(guān)鍵詞過濕土生石灰粉含水量回彈模量一、概述隨著高等級公路的迅速發(fā)展及對土路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性認(rèn)識的提高，采用石灰處理土路基已十分普遍。石灰處理土是通

2、過在土中摻入石灰(熟石灰或生石灰)來獲得土基強(qiáng)度的提高。根據(jù)處理的目的不同和石灰摻入量的不同，石灰處理土可分為石灰穩(wěn)定土和石灰改善土。石灰穩(wěn)定土是通過摻入足夠劑量的石灰，經(jīng)過土中火山灰物質(zhì)的凝硬性反應(yīng)，得到足夠的強(qiáng)度，一般用于道路結(jié)構(gòu)的底基層或基層的處理中。石灰改善土是通過較低的石灰摻量，經(jīng)過離子交換，引起土的絮凝作用或結(jié)構(gòu)重組，提高土的工作性能和抗剪強(qiáng)度，使土基能在較經(jīng)濟(jì)的情況下達(dá)到充分壓實(shí)的目的，并能夠承受其上層攤鋪時(shí)的施工機(jī)械作用。對于江南潮濕地區(qū)，因其一般地下水位較高，雨水較多，土壤一般呈過濕狀態(tài)，往往難以達(dá)到土基規(guī)定的壓實(shí)要求，對道路路面結(jié)構(gòu)的承載能力和整體穩(wěn)定性帶來不良后果，且不利

3、于墊層或基層的規(guī)范施工，采用低劑量的磨細(xì)生石灰粉處理能夠比較經(jīng)濟(jì)而有效地改變這種狀況，生石灰粉的摻量一般不取決于土基強(qiáng)度的提高，而取決于施工用土的天然含水量。二、生石灰粉對過濕土含水量的影響摻入磨細(xì)生石灰粉對過濕土含水量的影響，從以下幾個(gè)方面反映出來：1、磨細(xì)生石灰粉摻入土中后，直接使土中的干料增加，從而使土中的含水量降低Sw1土中干料的增加量即為摻入土中的生石灰粉的重量pc:p1=pc=ap0紀(jì)生石灰粉摻量，a=pc/p0,%；p0摻入生石灰粉的過濕土中的干土重，go2、生石灰粉摻入過濕土中，其有效氧化鈣cao與土中的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氧化鈣ca(oh)2,反應(yīng)式如下：cao+h2o-

4、ca(oh)2+62.80千焦/mol上述化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，生石灰中有效的氧化鈣cao將吸收土中的水分為：w2=0.329pc=0.329ap0式中：Aw2被生石灰吸收的過濕土水分，g；9生石灰中有效鈣含量，%;pc過濕土中摻入的磨細(xì)生石灰粉重，go3、生石灰粉中的游離氧化鈣cao與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氧化鈣ca(oh)2,使固體成分增加，從而使含水量降低。固體成分的增加量即為土中水分的減少量，即4p2=Aw2=0.329pc=0.329a0p04、石灰土在拌和、悶料過程中水分蒸發(fā)引起含水量變化。這種水分蒸發(fā)產(chǎn)生于二方面的作用：一是拌和、悶料過程中水分的自然蒸發(fā)，就如晾土一樣

5、；二是石灰土在化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量熱量，加速水分蒸發(fā)，這種蒸發(fā)對過濕土含水量的影響更為重要。假設(shè)自生石灰粉摻入過濕土中拌和至碾壓這段時(shí)間，水分蒸發(fā)量為w3,引入蒸發(fā)系數(shù)小其定義為因摻入生石灰引起的水分蒸發(fā)量與生石灰消解水化反應(yīng)對水分的吸收量之比。則摻入量為a,有效cao含量為8的生石灰造成土中含水量減少為：Aw3=yAw2(2-1)w3=0.32ria(2-2)p0匯總以上四個(gè)因素，設(shè)濕土中的水分為w0,濕土中的干土重為p0,濕土的原始含水量為w0=w0/p0,則按摻量a摻入土中的磨細(xì)生石灰粉，引起過濕土的含水量下降，可按下式計(jì)算式中：dw1=a.w0(2-4)可看作由于生石灰粉加入土中使干

6、料增加引起土的含水量降低；dw2=0.32.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；dw3=0.32.h.q.a(2-6)可看作因生石灰粉消解發(fā)熱導(dǎo)致土中分蒸發(fā)使之含水量降低。三、蒸發(fā)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測定分析從以上含水量變化公式可以看到，生石灰粉摻入土中，因水化放熱引起土中水分蒸發(fā)，對土的含水量影響是比較大的。為此我們對水分蒸發(fā)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。試驗(yàn)是在氣溫222C、濕度6070%的條件下進(jìn)行的。試驗(yàn)過程采用了三種生石灰粉摻量(4%、7%、10%),所用生石灰粉的有效鈣含量經(jīng)測定為74%,試驗(yàn)結(jié)果如表3-1。實(shí)測結(jié)果顯示，因?yàn)槭?/p>

7、土中水分蒸發(fā)，主要與水化放熱有關(guān)，故石灰土的水分蒸發(fā)損失量隨石灰摻量的增大而增大，且原狀土的含水量大，則蒸發(fā)也大，如圖3-1所示。對上述結(jié)果進(jìn)行擬合回歸，可得石灰土水分蒸發(fā)量Sw3的計(jì)算模型如下：dw3=(71a+7)w0-4.36a-0.6(%)(3-1)利用公式(2-6),可得蒸發(fā)系數(shù)以上兩式中，a、q、w0均以小數(shù)計(jì)通過計(jì)算，我們看到，蒸發(fā)系數(shù)隨原狀土的增大而增大，但因蒸發(fā)系數(shù)是生石灰粉與土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起水分蒸發(fā)量與吸水量之比，故蒸發(fā)系數(shù)反隨石灰摻量的增大而減小，盡管蒸發(fā)掉的水分是增大的。以4%石灰(有效鈣70%)摻量為例，當(dāng)原狀土含水量為26%左右時(shí)，蒸發(fā)系數(shù)可取ri=2o此外，水分

8、蒸發(fā)需要一個(gè)時(shí)間過程。試驗(yàn)表明，過濕土中摻加生石灰粉后，其水分蒸發(fā)在最初23個(gè)小時(shí)內(nèi)最大，約占所測20個(gè)小時(shí)蒸發(fā)量的50%以上，如圖32。應(yīng)該看到，在施工現(xiàn)場，水分蒸發(fā)要受到空氣、溫度、陽光、風(fēng)力、濕度以及施工現(xiàn)場所處的地理位置等的影響，這些影響又是隨時(shí)變化的，要準(zhǔn)確估計(jì)水分蒸發(fā)或測算蒸發(fā)系數(shù)是非常困難或不現(xiàn)實(shí)的。通過實(shí)驗(yàn)室控制的單一的試驗(yàn)條件，得到的水分蒸發(fā)和蒸發(fā)系數(shù)，可能與施工現(xiàn)場的實(shí)際情況有所不同，但它對于我們估算實(shí)際的蒸發(fā)情況，從而確定所需的石灰摻量，還是具有一定的參考和幫助作用的。四、含水量變化的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證上節(jié)對因生石灰水化放熱反應(yīng)引起過濕土內(nèi)水分蒸發(fā)進(jìn)行了實(shí)測分析，由此我們可

9、以利用式（2-3）計(jì)算含水量的變化，如表4-1,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖4145所示。通過比較可以看到，采用式（2-3）對含水量的變化進(jìn)行計(jì)算與實(shí)測結(jié)果吻合良好，僅個(gè)別不正常點(diǎn)兩者所得含水量變化的誤差超出1%。由此可見，采用（2-3）計(jì)算公式，可有效的計(jì)算生石灰粉對過濕土含水量的影響。五、石灰土的壓實(shí)特性眾所周知，土的壓實(shí)特性可以通過葡氏擊實(shí)曲線來了解，實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)在最佳含水量附近進(jìn)行，這樣才能使土獲得最大的干密度，從而保證土基的強(qiáng)度穩(wěn)定性。摻加了生石灰的石灰土，其擊實(shí)曲線與原狀土是不一樣的。擊實(shí)曲線在道路工程中分輕型和重型二種，根據(jù)本文研究的目的，我們主要對重型擊實(shí)下的土與

10、石灰土的最佳含水量、最大干密度進(jìn)行分析比較。圖51,圖52代表了實(shí)驗(yàn)室對二種較具代表性土壤在不同石灰摻量下的擊實(shí)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，土中摻入石灰后，最大干密度降低，而最佳含水量提高；石灰劑量增大，最大干密度降低，最佳含水量提高。表5-1列舉了實(shí)驗(yàn)室測得的部分素土和石灰土的最大干密度、最佳含水量。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，與素士相比，對于4%摻量的石灰土，最佳含水量增加約12%;對于10%摻量的石灰土，最佳含水量增加約23%。止匕外，從圖5-1和圖52可以看出，石灰土的擊實(shí)曲線比素士平坦，即壓實(shí)含水量的范圍比素士更寬。以施工要求95%的壓實(shí)度作為控制，石灰土的壓實(shí)含水量上限約可比素士增加1%左右。綜合上述分

11、析，由于最佳含水量及擊實(shí)曲線寬度的增加，石灰土的施工壓實(shí)含水量比素土可增加約為：4%石灰土：約23%10%石灰土：約34%六、生石灰粉處理過濕土的摻量計(jì)算生石灰粉摻入過濕土中后，能降低土的含水量，改變土的壓實(shí)特性，綜合此兩方面的作用，可以獲得為滿足施工壓實(shí)要求的生石灰粉合理摻量。首先，將素土的壓實(shí)含水量提高24%（視石灰摻量而定，石灰摻量低取低值，石灰摻量高取高值），作為石灰土的施工壓實(shí)含水量。然后通過式（23）利用下式（61）,計(jì)算所需的生石灰粉摻量。式中：w0-原過濕土含水量（以小數(shù)計(jì)）w1-石灰土的施工壓實(shí)含水量（以小數(shù)計(jì)）0一生石灰粉中的活性cao含量（以小數(shù)計(jì)）丁-蒸發(fā)系數(shù)，可按式3

12、-2計(jì)算或從表3-2查取前表4-1已計(jì)算了各種含水量的素土在不同的石灰摻量和有效鈣含量情況下的含水量減少值。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)所購石灰的有效鈣含量、原狀土含水量及所需含水量減少量反查需摻加的石灰摻量。表6-1即為根據(jù)上述方法反查計(jì)算生石灰粉摻量的一個(gè)實(shí)例。該表中所取土最佳含水量16%,壓實(shí)含水量上限可取18%,生石灰粉摻量4%時(shí)取壓實(shí)臨界含水量21%。七、石灰處理土的強(qiáng)度特性1、石灰處理土的cbr值提高經(jīng)過生石灰粉處理的土，其cbr強(qiáng)度將得到很大的改善，這在上海地區(qū)尤其重要。上海地區(qū)的土壤浸水cbr值一力在8%以下，較難達(dá)到部頒規(guī)范對高等級道路的要求，經(jīng)過生石灰粉處理后，浸水cbr值可提高到3

13、0%以上（表71、表72）。在飽水過程中同時(shí)的膨脹試驗(yàn)顯示，石灰土的浸水膨脹量約為素土的1/301/50,這也從一個(gè)側(cè)面反映了石灰土的水穩(wěn)定性比素土好得多。2、石灰處理土路基的回彈模量在上海地區(qū)，未經(jīng)處理的土路基，回彈模量是很低的，一般在25mpa以下。經(jīng)過生石灰粉處理的土路基，回彈模量可以得到很大的提高，這對于提高路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、減薄面層結(jié)構(gòu)厚度有一定的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。表7-3是素土和上路床處理后的石灰土路基現(xiàn)場回彈模量的實(shí)測值。表中數(shù)值是在晴朗天氣條件下測定，石灰土齡期在30天左右。從實(shí)測結(jié)果看，石灰土上路床的回彈模量變化范圍較大，高石灰粉摻量（7%）的回彈模量比低石灰粉摻量（4%）要好。

14、另一方面，因上路床只有30cm,其頂面的回彈模量很大程度上還要受到下路床壓實(shí)狀態(tài)、模量大小的影響，這也是造成其模量變化較大的原因。經(jīng)過生石灰粉處理的石灰土上路床頂面的回彈模量變化在33.9mpa177.8mpa，剔除特別好的和特別差的數(shù)值，實(shí)測回彈模量在40mpa140mpa,平均86mpa,標(biāo)準(zhǔn)偏差36mpa,按85%的概率考慮實(shí)測值的波動界限，回彈模量可取值50mpa。該值既未考慮模量隨齡期的繼續(xù)增長，也未考慮不利季節(jié)模量的降低。3、石灰土路基的彎沉測定石灰土路基上路床施工完畢，進(jìn)行彎沉測定是相當(dāng)重要的。彎沉值能夠反映路基結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度、施工質(zhì)量。彎沉測定比模量測定更快速簡便。通過彎沉測定

15、可以反算路基上路床頂面的回彈模量值，以決定是否維持或更改原路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，或根據(jù)原設(shè)計(jì)模量值，檢查和控制施工水平和施工質(zhì)量。為利用彎沉值評價(jià)石灰土路基的強(qiáng)度狀況，建立彎沉與回彈模量之間的關(guān)系是必要的。對于未經(jīng)處理的土路基，按照現(xiàn)行規(guī)范，其彎沉和模量的關(guān)系有三種計(jì)算公式可作參考：1）理論公式：e0=1000X2pd/l0X（1m02）a0（71）公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范jtj014-972）根據(jù)全國各地經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式匯總：e0=2430l0-0.7（72）公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范jtj014-973）根據(jù)某幾段竣工土基上的實(shí)測數(shù)據(jù)回歸分析后的關(guān)系式：l0=9308e0-0.938（73）公路路面基層施工技術(shù)

16、規(guī)范jtj03493以上各式中：e0代表土基回彈模量（mpa）,l0代表土基標(biāo)準(zhǔn)車彎沉（0.01mm）,p為標(biāo)準(zhǔn)車單輪輪胎接地壓強(qiáng)（mpa）,（為當(dāng)量圓半徑（cm）,（0代表土的泊松比（取0.35）,（0為均勻體彎沉系數(shù)（取0.712）o利用以上三個(gè)關(guān)系式計(jì)算時(shí)，在e0=4060mpa時(shí)，l0比較接近；或在l0=1.53mm時(shí)，e0比較接近當(dāng)路基上路床采用生石灰粉處理以后，其彎沉與模量之間是否還能套用土路基的關(guān)系式，即使能套用，上述三個(gè)關(guān)系式哪一個(gè)更合適，或者我們可以找到更好的關(guān)系式，來反映這種情況下的路基頂面彎沉與模量的關(guān)系。為此，我們在作石灰土路基上路床頂面回彈模量測定時(shí)，同時(shí)測定了模量測

17、定點(diǎn)的回彈彎沉值。實(shí)測結(jié)果顯示，石灰土上路床頂面的回彈模量與相應(yīng)的回彈彎沉具有良好的相關(guān)關(guān)系（見圖7-1）,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95（n=15）。相關(guān)關(guān)系式為：10=28803e0-1.1382（7-4）利用這一關(guān)系式，可以對生石灰粉處理的上路床頂面進(jìn)行彎沉檢驗(yàn)時(shí)的彎沉指標(biāo)計(jì)算。圖7-2是關(guān)系式（7-4）與規(guī)范參考關(guān)系式（7-2）、（7-3）的對照。從對照圖（7-2）我們發(fā)現(xiàn)，在模量較低時(shí)與規(guī)范關(guān)系式（7-2）較接近；在模量較大時(shí)，與規(guī)范關(guān)系式（7-3）較接近。利用實(shí)測關(guān)系式（7-4）,在相同模量時(shí)，計(jì)算得到的彎沉值比規(guī)范參考公式計(jì)算所得大得多；或在彎沉相同時(shí)，實(shí)測公式計(jì)算得到的模量比規(guī)范計(jì)算公式

18、所得大得多。4、石灰處理土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度石灰處理土在碾壓以后，一般三天在濕潤條件下的強(qiáng)度即可達(dá)0.150.30mpa。石灰本身并沒有強(qiáng)度，石灰土獲得強(qiáng)度的原因是其中的石灰逐漸與土的組份起作用而形成新的凝膠化合物結(jié)構(gòu)。土同石灰起作用的兩種主要成分是氧化鋁和二氧化硅。這一作用是緩慢而長期的，其化學(xué)反應(yīng)式如下：sio2+xca（oh）2+nh2o-xcao-sio2-mh2oa12o3+ca（oh）2+nh2o-cao-al2o3-mh2o從以上反應(yīng)式可見，石灰與土在長期化學(xué)作用而形成強(qiáng)度過程中，需要許多水分，這是石灰土碾壓成型后需要濕潤養(yǎng)生的原因。表74是室內(nèi)不同摻量的石灰土7天、35天、180

19、天飽水抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)采用（1）7X7試件成型，按最大干密度計(jì)算石灰土用料。試件在無側(cè)限抗壓前飽水1天。石灰土隨齡期的增長顯示于圖73。石灰土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示：（1）就無側(cè)限強(qiáng)度而言，并非石灰劑量越高越好，當(dāng)石灰劑量達(dá)到一定程度時(shí)，強(qiáng)度反而下降；（2）石灰土后期強(qiáng)度增長較大，6個(gè)月時(shí)強(qiáng)度仍呈繼續(xù)增長趨勢。八、石灰處理過濕土的經(jīng)濟(jì)意義對過濕土采用生石灰粉處理，表面上看，由于摻加了生石灰粉，提高了工程造價(jià)，但實(shí)際上，過濕土由于采用了磨細(xì)生石灰粉處理，可以帶來很多經(jīng)濟(jì)利益。1、生石灰粉處理過濕土可以有效地縮短工期過去，對于過濕土的處理只能采用換料或翻拌晾曬。更換填料一方面因不能就地取材、就近用料而增加

20、工程費(fèi)用，另一方面，上海地區(qū)周邊的土源天然含水量均很高，實(shí)際上都是過濕土，無料可換，一般只能對不良土（如淤泥土等）進(jìn)行更換。翻拌晾曬需要時(shí)間，影響工期，尤其是上海雨水較多的情況下，翻拌晾曬難度更大，對工程影響更甚。有時(shí)候，為了獲得符合規(guī)定要求的含水量，常常需要等待幾個(gè)月，甚至半年，這也是過去上海一直采用輕型壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的緣故。隨著重型壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的提出，翻拌晾曬難度更大。采用生石灰粉處理以后，對土的含水量要求不再苛刻，一般只要有35天的下雨間隙，石灰土施工即可正常進(jìn)行，從而大大地縮短了施工工期。在上海城市外環(huán)線道路工程一期路基施工時(shí)，正值上海幾十年未遇的雨水高峰。從1997年10月下旬至次年5月，正值

21、路基準(zhǔn)備施工時(shí)，下雨過程一直不斷，且多為大雨和暴雨，如果按過去晾曬等待的話，將大大地影響施工工期，結(jié)合本研究成果，采用生石灰粉處理以后，利用下雨過程的35天間隙，抓緊進(jìn)行翻拌、處理和碾壓，順利地保證了土路基施工按時(shí)完成。經(jīng)過生石灰粉處理后的土路基，碾壓結(jié)束再有12天的養(yǎng)生，即對雨水具有較強(qiáng)的抵抗能力，這又是一般土路基所不能比擬的。在滬杭高速公路（上海段）的建設(shè)中，為了減少高路堤填土的工后沉降，需要進(jìn)行堆載預(yù)壓。要達(dá)到堆載預(yù)壓的效果，需要充分的預(yù)壓時(shí)間。在總工期受到限制的情況下，要保證預(yù)壓時(shí)間，就要縮短土路基的施工工期；但要保證土路基的施工質(zhì)量，同樣需要有足夠的施工周期，這就要壓縮堆載預(yù)壓時(shí)間，

22、這是一對矛盾。由于采用了生石灰粉處理，大大地壓縮了土路基的施工工期，解決了堆載預(yù)壓的時(shí)間問題，從而保證了高路堤填土的工后沉降控制，使滬杭高速公路得以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成。2、采用生石灰粉處理后的土更容易壓實(shí)眾所周知，土體壓實(shí)是通過外力壓實(shí)功的作用，排除土中空氣實(shí)現(xiàn)的。一般來說，土的含水量超出相應(yīng)壓實(shí)功能的最佳含水量我時(shí)，便很難壓實(shí)到所需的壓實(shí)度。當(dāng)含水量大時(shí)，外力不能直接作用于土粒，而只能傳給土粒周圍的水分或封閉的空氣，此時(shí)，盡管花費(fèi)很大的壓實(shí)功，也難以改變土粒的原來狀況。若盲目地繼續(xù)施加更大的外力，不但不會明顯地增加土的密實(shí)度，反而使土體產(chǎn)生剪切破壞，而導(dǎo)致彈簧”現(xiàn)象。但濕土摻入生石灰粉后，使土的含水量減少，改變了土的帶電狀態(tài)，土粒表面水膜減薄，分散性增強(qiáng)，內(nèi)磨阻力提高，封閉空氣減少，并且通過離子交換，加強(qiáng)了土壤顆粒的聯(lián)結(jié)靠攏作用，在外力作用下，土顆粒之間更容易產(chǎn)生相對位移，土中空氣容易排除，從而使土體更容易壓實(shí)。路基的容易壓實(shí)，不但縮短了碾壓工期，節(jié)省了碾壓所需的機(jī)械臺班，且大大減少了土路基壓實(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的彈簧現(xiàn)象，減少了返工損失。3、強(qiáng)度提高對路面結(jié)構(gòu)具有積極作用通過摻加生石灰粉，改變了