生石灰粉處理過濕土的摻量計算和強度特性

1、生石灰粉處理過濕土的摻量計算和強度特性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分析，對生石灰粉處理后，過濕土的含水量變化進行了分析，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關系，并據(jù)此對過濕土處理的生石灰粉摻量計算進行了分析研究。通過實測，對處理后的土路基強度特性進行了研究分析，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系，可供設計和施工參考使用。關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)展及對土路基強度和穩(wěn)定性認識的提高，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)過土中火山灰物質的凝硬性反應，得到足夠的強度，一般用于道路結構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構重組，提高土的工作性能和抗剪強度，使土基能在較經(jīng)濟的情況下達到充分壓實的目的，并能夠承受其上層攤鋪時的施工機械作用。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)，往往難以達到土基規(guī)定的壓實要求，對道路路面結構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，采用低劑量的磨細生石灰粉處理能夠比較經(jīng)濟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生石灰粉對過濕土含水量的影響，從以下幾個方面反映出來：1、磨細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)生化學反應，生成氫氧化鈣ca(oh)2,反應式如下：cao+h2o-

4、ca(oh)2+62.80千焦/mol上述化學反應為放熱反應。在反應過程中，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)生化學反應，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、；二是石灰土在化學反應過程中產(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。假設自生石灰粉摻入過濕土中拌和至碾壓這段時間，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匯總以上四個因素，設濕土中的水分為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摻入土中的磨細生石灰粉，引起過濕土的含水量下降，可按下式計算式中：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)熱導致土中分蒸發(fā)使之含水量降低。三、蒸發(fā)系數(shù)的實驗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)進行了實驗室試驗。試驗是在氣溫222C、濕度6070%的條件下進行的。試驗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%,試驗結果如表3-1。實測結果顯示，因為石灰

7、土中水分蒸發(fā)，主要與水化放熱有關，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。對上述結果進行擬合回歸，可得石灰土水分蒸發(fā)量Sw3的計算模型如下：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)計通過計算，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)生化學反應引起水分蒸發(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，當原狀土含水量為26%左右時，蒸發(fā)系數(shù)可取ri=2o此外，水分

8、蒸發(fā)需要一個時間過程。試驗表明，過濕土中摻加生石灰粉后，其水分蒸發(fā)在最初23個小時內最大，約占所測20個小時蒸發(fā)量的50%以上，如圖32。應該看到，在施工現(xiàn)場，水分蒸發(fā)要受到空氣、溫度、陽光、風力、濕度以及施工現(xiàn)場所處的地理位置等的影響，這些影響又是隨時變化的，要準確估計水分蒸發(fā)或測算蒸發(fā)系數(shù)是非常困難或不現(xiàn)實的。通過實驗室控制的單一的試驗條件，得到的水分蒸發(fā)和蒸發(fā)系數(shù)，可能與施工現(xiàn)場的實際情況有所不同，但它對于我們估算實際的蒸發(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、含水量變化的計算與實驗室驗證上節(jié)對因生石灰水化放熱反應引起過濕土內水分蒸發(fā)進行了實測分析，由此我們可

9、以利用式（2-3）計算含水量的變化，如表4-1,并將計算結果與實驗室結果進行了驗證，如圖4145所示。通過比較可以看到，采用式（2-3）對含水量的變化進行計算與實測結果吻合良好，僅個別不正常點兩者所得含水量變化的誤差超出1%。由此可見，采用（2-3）計算公式，可有效的計算生石灰粉對過濕土含水量的影響。五、石灰土的壓實特性眾所周知，土的壓實特性可以通過葡氏擊實曲線來了解，實際施工時，應在最佳含水量附近進行，這樣才能使土獲得最大的干密度，從而保證土基的強度穩(wěn)定性。摻加了生石灰的石灰土，其擊實曲線與原狀土是不一樣的。擊實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下的土與

10、石灰土的最佳含水量、最大干密度進行分析比較。圖51,圖52代表了實驗室對二種較具代表性土壤在不同石灰摻量下的擊實曲線。實驗結果證明，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列舉了實驗室測得的部分素土和石灰土的最大干密度、最佳含水量。實測數(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，石灰土的擊實曲線比素士平坦，即壓實含水量的范圍比素士更寬。以施工要求95%的壓實度作為控制，石灰土的壓實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曲線寬度的增加，石灰土的施工壓實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，改變土的壓實特性，綜合此兩方面的作用，可以獲得為滿足施工壓實要求的生石灰粉合理摻量。首先，將素土的壓實含水量提高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含水量。然后通過式（23）利用下式（61）,計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）w1-石灰土的施工壓實含水量（以小數(shù)計）0一生石灰粉中的活性cao含量（以小數(shù)計）丁-蒸發(fā)系數(shù)，可按式3

12、-2計算或從表3-2查取前表4-1已計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。實際應用中，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)上述方法反查計算生石灰粉摻量的一個實例。該表中所取土最佳含水量16%,壓實含水量上限可取18%,生石灰粉摻量4%時取壓實臨界含水量21%。七、石灰處理土的強度特性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）。在飽水過程中同時的膨脹試驗顯示，石灰土的浸水膨脹量約為素土的1/301/50,這也從一個側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，這對于提高路面結構的強度、減薄面層結構厚度有一定的實用和經(jīng)濟價值。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。從實測結果看，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，實測回彈模量在40mpa140mpa,平均86mpa,標準偏差36mpa,按85%的概率考慮實測值的波動界限，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，進行彎沉測定是相當重要的。彎沉值能夠反映路基結構的整體強度、施工質量。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構的設計，或根據(jù)原設計模量值，檢查和控制施工水平和施工質量。為利用彎沉值評價石灰土路基的強度狀況，建立彎沉與回彈模量之間的關系是必要的。對于未經(jīng)處理的土路基，按照現(xiàn)行規(guī)范，其彎沉和模量的關系有三種計算公式可作參考：1）理論公式：e0=1000X2pd/l0X（1m02）a0（71）公路瀝青路面設計規(guī)范jtj014-972）根據(jù)全國各地經(jīng)驗關系式匯總：e0=2430l0-0.7（72）公路瀝青路面設計規(guī)范jtj014-973）根據(jù)某幾段竣工土基上的實測數(shù)據(jù)回歸分析后的關系式：l0=9308e0-0.938（73）公路路面基層施工技術

16、規(guī)范jtj03493以上各式中：e0代表土基回彈模量（mpa）,l0代表土基標準車彎沉（0.01mm）,p為標準車單輪輪胎接地壓強（mpa）,（為當量圓半徑（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利用以上三個關系式計算時，在e0=4060mpa時，l0比較接近；或在l0=1.53mm時，e0比較接近當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系式，即使能套用，上述三個關系式哪一個更合適，或者我們可以找到更好的關系式，來反映這種情況下的路基頂面彎沉與模量的關系。為此，我們在作石灰土路基上路床頂面回彈模量測定時，同時測定了模量測

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

18、所得大得多。4、石灰處理土的無側限抗壓強度石灰處理土在碾壓以后，一般三天在濕潤條件下的強度即可達0.150.30mpa。石灰本身并沒有強度，石灰土獲得強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構。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，其化學反應式如下：sio2+xca（oh）2+nh2o-xcao-sio2-mh2oa12o3+ca（oh）2+nh2o-cao-al2o3-mh2o從以上反應式可見，石灰與土在長期化學作用而形成強度過程中，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是室內不同摻量的石灰土7天、35天、180

19、天飽水抗壓強度。試驗采用（1）7X7試件成型，按最大干密度計算石灰土用料。試件在無側限抗壓前飽水1天。石灰土隨齡期的增長顯示于圖73。石灰土強度試驗結果顯示：（1）就無側限強度而言，并非石灰劑量越高越好，當石灰劑量達到一定程度時，強度反而下降；（2）石灰土后期強度增長較大，6個月時強度仍呈繼續(xù)增長趨勢。八、石灰處理過濕土的經(jīng)濟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，但實際上，過濕土由于采用了磨細生石灰粉處理，可以帶來很多經(jīng)濟利益。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、工程費用，另一方面，上海地區(qū)周邊的土源天然含水量均很高，實際上都是過濕土，無料可換，一般只能對不良土（如淤泥土等）進行更換。翻拌晾曬需要時間，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。有時候，為了獲得符合規(guī)定要求的含水量，常常需要等待幾個月，甚至半年，這也是過去上海一直采用輕型壓實標準的緣故。隨著重型壓實標準的提出，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，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、路基準備施工時，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，抓緊進行翻拌、處理和碾壓，順利地保證了土路基施工按時完成。經(jīng)過生石灰粉處理后的土路基，碾壓結束再有12天的養(yǎng)生，即對雨水具有較強的抵抗能力，這又是一般土路基所不能比擬的。在滬杭高速公路（上海段）的建設中，為了減少高路堤填土的工后沉降，需要進行堆載預壓。要達到堆載預壓的效果，需要充分的預壓時間。在總工期受到限制的情況下，要保證預壓時間，就要縮短土路基的施工工期；但要保證土路基的施工質量，同樣需要有足夠的施工周期，這就要壓縮堆載預壓時間，

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，解決了堆載預壓的時間問題，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)定時間內高質量地完成。2、采用生石灰粉處理后的土更容易壓實眾所周知，土體壓實是通過外力壓實功的作用，排除土中空氣實現(xiàn)的。一般來說，土的含水量超出相應壓實功能的最佳含水量我時，便很難壓實到所需的壓實度。當含水量大時，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，盡管花費很大的壓實功，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度，反而使土體產(chǎn)生剪切破壞，而導致彈簧”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，內磨阻力提高，封閉空氣減少，并且通過離子交換，加強了土壤顆粒的聯(lián)結靠攏作用，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。路基的容易壓實，不但縮短了碾壓工期，節(jié)省了碾壓所需的機械臺班，且大大減少了土路基壓實經(jīng)常出現(xiàn)的彈簧現(xiàn)象，減少了返工損失。3、強度提高對路面結構具有積極作用通過摻加生石灰粉，改變了