探讨水泥稳定法处治高含水量风积沙土[筑路施工机械化]

S p e c ia 1 S t r y 本刊特稿RM CM 水泥稳定法 处治高含水量风积沙土 Cu r e t br W i n d bl o wn S oi l o fRi c h W a t e r b y Ce me nt S t a bi l i z a t i o n 罗运阔 袁玉卿 王 剑 樊艳东 冯明硕 1 开封市通达公路工程有限公司 河南 开封 4 7 5 3 2 河南大学 土木建筑学院 河南 开封 4 7 5 4 3 开封市通达公路勘察设计有限公司 河南 开封4 7 5 3 0 引言 水泥 土是 把 一 定 质 量 的硅酸 盐 水 泥 土加 水 拌 和 后 压 实到 高 密 度 的 一种 地 基 材 料 可作 为沥 青 混 凝 土和 水 泥 混 凝 土 路面 下 的基层 材 料 还 可用 于 大 坝 和 路 堤 的 边坡 加 固 沟 槽 水 库 和 浅 湖 的 衬 垫 大 体 积 水 泥 土 筑 堤 和 地 基 稳 定 自从 l 9 1 5 年 在 美 国佛 罗里 达 州萨 拉 索塔 市 用 路 犁把 贝 壳 砂 子和 水 泥 拌和 并 压 实 建 成 一 条 街 道 之后 水 泥 土 就 成 为 公 路 路 基 土 稳 定 的 一 种 用途 最 为 广 泛 的 材 料 l 水 泥 稳 定 土 在 中 国 也有 着 大 量 的应 用 许 多学 者 进行 了研 究 和 总结 伍 邦 勇 以 河 南 省 许 昌至 扶 沟 高速 公 路 为 例 研 究 了路 床水 泥 稳 定 土 路 拌 法 的施工 工 艺 质 量 工 期 控 制 李 清 等 的研 究表 明 掺 入 水 泥 能 明 显 提 高低 液 限粉 土 的强 度 及 回 弹模 量 几 乎 所 有 种 类 的 土都 可用 作 水 泥 土 但 也 有例 外 例 如 有机 土 高 塑 性 的 粘 土 和 反 应 不 良 的砂 质 土 最 好 采 用粒 状 土 因 其 比细 粒 土更 易 于 弄碎 和 拌 和 需 用 的水 泥 量 也 最 少 所 以制 成 的水 泥 土 比较 经 济 风 积 沙 土 颗 粒 松 散 下 层 土含 水 量 较 大 按 照 工 程 分 类属 于 含 砂 低 液 限粉 土 符 合 水 泥 稳定 土 的 处 治 要 求 但 目前 为止 尚未 见 到水 泥稳定风积 沙土 的公开 报道 因 此 Z 展水泥稳 定风积沙 土的理 论探 索与工程实践具 有重要意义 1 水泥土加固机理分析 水 泥 稳 定 法 是 利 用 水 泥 等材 料 作 为 固化 剂 通 过特 制 的搅 拌 机 械 就地 将 土 和 固化 剂 强制 搅 拌 使 土 硬 结成 具 有 整 体 性 水 稳 定 性 和 一 定 强度 的水 泥加 固 土 从 而 提 高 土 体 强 度 增 大 变形 模 量 同时 风 积 沙土 中含 有 大量 的沙 地 下水 位 高 含 水 率较 大 在 水 的 参 与下 水 泥 与 沙 发 生一 系 列 的物 理 化 学 作 用圈 主 要包 括 以下 几种 1 物 理 作 用 土块 的 机 械 粉 碎作 用 混合 料 的 拌和 压 实作 用 等 2 化 学 作 用 水 泥 颗 粒 的 水 化 硬 化 作 用 有机 物 的聚 合作 用 水泥 水 化 产 物 与粘 土 矿 物 之 间 的化 学作 用 等 3 物理 一 化 学 作 用 粘 土颗 粒 与 水 泥 及水 泥 水 化 产 物 之 间 的吸 附作 用 微 粒 的凝 聚作 用 水 及 水 化 产 物 的扩 散 渗 透作 用 水 化 产 物 的溶 解 结 晶作 用 等 由于 开 封 风 积 沙 土 中含 水 量较 大 水 泥 的水 化 和水 解 作 用 较 为 充 分 产 生 具 有 胶 结 能 力 的 水 化 产 物 风 积 沙 土 中存在 大量 细 粒 土 具 有 非 常高 的 比表面 积 虽 然 对水 化 产生 的胶 凝 产 物具 有 强 烈 的 吸 附 性 并 对水 化 产物 中的C aOI I 也具 有极 强 的吸 附作 用 影 向 水泥 水 化 产 物 的稳定 性 但 大 量 颗 粒细 小 比表 面 积 大 的 土 的存 在 使其 具 有 较 高 的 活 性 离 子 交 换 作 用 较 为 明显 在 一定 程 度上 改变 了土 的塑 性 最 主要 的是水泥 分布在沙 中 形 成坚 固的核心 在所 有的空隙 中形 成 水化水泥 的骨架 借 以约束沙粒 2 影响因素分析 2 1 水泥掺入量 水 泥 土 的强 度 随着 水 泥 掺 入 比 的 增 大 而 增 加 尤 其 是 当 水 泥 掺 入 比大 于 1 0 后 强 度 增 长 非常 明 显 但 其增 长并 不 是 呈 线 性 的 学 者 汪 海 鸥 等 通 过 对 水 泥 掺 入 量 分 2 9 RM CM 本刊特稿S p e c i a 1 S t o r y 别 为0 5 1 2 5 1 0 1 5 2 0 的 6 种 水 泥 土 所 进 行 的 7 d 2 8 d 9 0 d 无 侧 限抗 压 强 度 试验 6 验 证 了 这 一 现 象 见 图 1 但 水 泥 用 量 过 多 虽然 能获 得 更 高 的强 度 但 在 经 济 上却 不 一 定 合理 效 果 也 不 一 定 显 著 而 且 刚 性 过 大 容 易 开 裂 在 掺入 水 泥 比较 少 时 水 泥 土 的性质 和 土 比较 接 近 表 现 为塑 性 破 坏 掺 入 水 泥 比较 多 时 水 泥 土 表 现 为脆 性 破 坏 这在 工 程 设 计 时应 引 起足 够 的重 视 试 验 研 究 表 明 开封地 区风积 沙土 用掺入 比 6 的水泥 进 行 稳 定 水 泥 土 劈 裂 强 度 为 0 2 0 Mt M 7 d 抗 压 强 度 不小 于0 6 MP a 均 能满足 强 度要 求 见 表 l 当水 泥 剂 量 太 小 时 不 能 保 证 水 泥 稳 定 土 的 质 量 而 剂 量 太 大 时 不但 不 经 济 还 会 使 基 层 的 裂 缝增 多 增 宽 从 而 引起 沥 青面 层 的 反射 裂 缝 所 以 必须 科 学 控制 水 泥 用量 做 到 技术 经 济 最优 以 确保 工程 质 量 2 2 龄期 在 水 泥 稳 定 风 积 沙 土 中 水 泥 掺量 很 小 含水 率 高 并 且含 有 大 量粉 土 水 泥 的7 J r n 7 J v f k 反应 完 全是 在 具 有 一定 活性 的介 质 土 的围 绕 下进 行 沙 也 对 这 一过 程 影 口 向 较 大 沙 的强 度 增 长速 率 显 然 要 比水泥 混凝 土小 其 主要 原 因是 在 水 泥加 固 沙 中 z K 泥 用 量 相 对 较 少 水泥 的 J v 1 k 完 全 是在 沙 的围 绕 下 进 行 沙 具 有 相 对 较 高 的 亲 水 性 在 水泥 加 固沙 中 出现 与沙 争 水 的现 象 同时 沙颗 粒 中的粉 粘 粒 成 分对 C 具 有 吸 附作 用 因 此表 现 出水 泥 加 固 沙 的强 度 增 长 要 表 1水 泥土 无侧 限抗 压强 度 试验 比水 泥 混 凝 土 的强 度 增 长 慢 高 含 水 率 对 水 泥 稳定 风 积 沙 土 强 度增 长 速 度 是 有 利 的 但 作 用 有 限 其 凝 结速 度 和 强 度增 长 过 程 都 比水泥 混 凝 土 缓 慢 由 图 1 可 知 水 泥 土 的 强度 随 着 龄 期 的增 长 而 提 高 并 且 早 期强 度增 长较 快 龄 期超 过2 8 d 后仍 有 明显 增长 2 3 含 水率 含 水 率 对 水泥 稳定 土 强度 影 响 很 大 当含水 率 不足 时 水泥 不 能 在 混合 料 中完 全水 化 和水 解 发 挥 不 了水 泥 对土 的稳 定作 用 影 响强 度 的形 成 同 时 达 不 到最 佳 含 水 率 也 影 响水 泥 稳 定 土 的压 实度 因 此 在 达 到最 佳 含 水 率 的 同 时 还 要 满 足 水泥 完 全 水 化和 水 解 作 用 的 需 要 开 封 地 区 风 积 沙 土 含 水 量 大 部 分地 区 尚需 要 井点 降水 才 能 进 行 正 常施 工 水 量 完 全 满足 水 泥 正 常 水 化所 需 但 是 开封 地 区常 年 多风 沙 土表 面 极 易 失水 在 施 工 过 程 中 还 必 须 定 期 洒 水 养 护 以利 于 水 泥 土 强 度增 长 由 图2 可 知 在 含 水 率 较低 时 水 泥 水 化 反 应 不 充 分 随 着 含 水 率 的提 高 其 强 度 明 显 增 大 当含 水 率超 过 1 6 时 不利 于 水 泥 土 的压 实 其 强 度 反 而 下 降 在 水 泥 土 施 工 拌和 过 程 中 专 职 试 验 人 员 应 及 时测 定 混 合 料 的含 水 率 力 求 在最 佳 含 水 率 条件 下 碾 压 尽 量 避 免 由于 含 水 率 过 大而 出 现 弹 软 波 浪 等 现 象 这 均 会 影 响混 合 料 的 密度和 强度 增 大混 合 料 的 干缩 性 使 结 构层 容 易 产 生 干 缩 裂 缝 或 由 于 含 水 率 偏 小 使 混 合 料 容易 松 散 不 易碾 压 h t t p w w w r o a d m c h i n a C O 1 1 1 水 泥掺 量 图1 不 同水 泥 掺入 比的无 侧 限 抗压 强度 成 型 影 响混 合 料 的 密度 和 强 度 所 以只 有严 格 按 规 范 施工 加 强 每 个 施 工 环节 的质 量 控 制 才 能保 证 施 工 质 量 2 4 有初质 含 量 有 机 质 使 土 体 具 有较 大 的水 溶 性和 塑 性 并 使 土具 有酸 性 有机 质特 殊 的结 构 特 征会 阻碍 和 延缓 水 泥 J v 1 k 产物 的 形 成及 其 与 粘 土 颗粒 间 的相 互 作 用 随着 有 机 质含 量 的增 加 内摩 擦 角 有 明显 减 小 的趋 势 抗 剪 强 度 和 无侧 限抗 压 强度 呈 下 降趋 势 而 压缩 系数 变 化 不 大 因 此 有 机 质 含量 高 的土 单 纯 用水 泥 加 固一 般 效 果 较 差 储 诚 富 等 通 过 试 验 得 到水 泥 土 加 固后 的室 内强 度 与 有 机 质含 量 之间 的定 量 关 系 如 图3 所 示 强 度 比 随 着 有 机 质 含 量 的增 加 大致 呈线 性 降低 2 5 施 3 I 艺 水 泥 土和 水 拌 和 均 匀 在 最 佳 含 水 率下 充 分压 实 使 干 密度 达 到 最 大 强 度 和 稳 定 性 提 高 水 泥 土 从 开 始加 水 拌 和 到 完 成压 实 的 持 续 时 间 要尽 可 能短 一般 要 控 制 在 6 h 以 内 时 间过 长 则水 泥 凝结 并 且 风积 沙土 表 面 极 易 失水 而 达 不 到 最 佳含 水 率 在 碾压 时达 不 到压 实 度 要求 使 得水 泥 土强 度 下 降 3 1 1 稳概 况 郑 汴物 流 通 道 开 封 境 区 间 全 长4 9 5 3 k m 据 钻 探 揭 露 该 场 地 地 面 下 8 m内 的地 层 主 要 由第 四 纪 全 新 统 冲积 而 成 的低 液 限粉 土 低 液 限粘 土 及含 细 粒 土 组 成 并 且 地 下 水 位较 高 常 年 多 风 在 地 下 水 的浸 泡和 长期 风 载 荷 作 用 下 形 成 了独 特 的 风 积 沙 土 地 质 根 据 2 0 0 6 建 郑 开 大 道 时 的经 验 路 床 土 基 强度 及 压 实 度 不 能 满足 结 构 要 求 对路 床 采 用 3 0 c m 4 水 泥 处理 后 效 果 良好 满 足 工程 建 设 弯沉 要 求和 沉 降 要 求 而且 施 工 比 较