| 固化剂稳定风积砂的配合比设计
李俊丹 王加弟 (辽宁省交通高等专科学校,辽宁沈阳 110122) 摘要：本文从材料组成和路面基层材料的设计与分析两方面入手,通过大量室内外试验研究和理论分析,系统地研究了沈阳市辽中县当地的路面基层材料,充分合理地利用当地现有资源,设计出合理的基层结构。既节约了能源,又减少了环境污染。 关键词：路面基层 固化剂 风积砂 配合比设计 中图分类号:U416. 213 文献标识码:A 在公路建设过程中,由于特殊地理环境的影响,常常会遇到极为松散的风积砂土。风积砂土结构疏松,剖面发育微弱,当xx风积砂土处于饱和状态时具有液化现象。用xx风积砂土修建道路时,常造成道路严重破坏,如路基沉陷、路面结构层断裂或开裂、路基边坡失稳、雨水冲刷流失严重等,给道路建设和交通运输的发展带来严重的障碍。因此,必须进行这类路基施工的固化处理。 公路施工中使用的固化剂是一种化学外加剂,它在一定程度上能够节约水泥,促进水泥的凝结硬化速度,激发粉煤灰的活性,加速石灰粉煤灰间的火山灰反应,从而可以提高强度。这既节约了能源,又减少了工程造价,另外,还可以改善施工材料的性能,可以提高材料的强度,增加耐久性、密实性、抗冻性和抗渗性等。 1 资料的调查与分析 辽中县风积砂广泛分布且储量丰富,整个辽中县境内路面所用的基层材料非常匮乏,基本取自于周边县区。 1. 1 风积砂的工程特性 风积砂是辽中地区最为丰富的物质,同时由于辽中地区砂、石料筑路材料极为匾乏,风积砂将成为该地区筑路的主要基础材料。利用风积沙就要掌握风积沙的工程特性和各种自然条件下的变化规律,以便因地制宜地采取有效的工程技术措施。 风积沙的物理性质:辽中地区富含有风积砂,特点为黄色、黄褐色、灰白色,在自然状态下松散,无粘性,缩性低,透水性好。在流动风砂土中整个剖面以中砂和细砂占优势,粒径1~0. 25mm和0. 25~0. 05mm颗粒达90%以上,粉砂(粒径0. 05~0. 00lmm)和粘粒(粒径<0. 00lmm)占比例甚少。风积沙的颗粒组成:试验中的风积砂土取于辽中施工现场,属细砂土,风积砂的颗粒分析采用筛分法试验。 (1)风积砂具有xx级配,颗粒组成多集中在0. 30mm~0. 075mm范围之内,其含量高达90%以上,大于0. 30mm颗粒较少,仅为0. 25%,一般小于5%, 0. 30mm~0. 075mm范围内颗粒含量一般为94% ~99%,而小于0. 075mm的颗粒不足9%。 (2)砂的细度模数M小于1. 5,因此其级配组成很细,属特细砂。 (3)风积砂中粘粒和粉粒的含量极少,表明颗粒表面活性很低,无粘性,松散性强,水稳性好。 (4)从土质学观点来讲,土的级配不均匀系数Cu>5,且级配曲线曲率系数Cc=1~3的土,为级配良好的土,不能同时满足这两个基本条件的土,属不良级配的土,因此从风积沙砂不均匀系数Cu=1. 43和曲率系数Cc=0. 91分析判断,风积砂的组成是典型的不良级配。 风积砂的化学性质:风积砂主要有岩屑、长石和石英三种颗粒组成,三种颗粒的总含量一般为90%以上,岩屑组成多种多样,火成岩、沉积岩、变质岩均可见,另外还有少量的其它矿物颗粒,包括白云石、黄铁矿、绿泥石、角闪石、阳起石、错英石等重矿物。我辽中风积砂矿物成分主要为石英,含少量长石及粘土矿物,磨圆程度较好,风积砂的化学成分中常量元素SiO2的含量{zg},高达81. 56%, SiO2的硬度大且稳定。其次为Al2O3、CaO、Fe2O3等,其含量为10. 48%,风积砂中易溶岩、中溶岩含量都很低,难溶岩成分不超过10%,基本属非盐渍土,含Al、Ca、Fe、Mg等矿物的硬度小且稳定性不好。经测试风积砂的酸碱度(pH值)为8. 12,呈弱碱性。 风积砂的工程性质: (1)比重 风积砂比重是在105~ 110℃烘至恒重时的质量与同体积4℃蒸馏水的质量之比值,风积砂的比重与土中所含矿物的比重和含量有关。所含矿物的比重越大,颗粒越粗,使砂粒之间排列紧密,xx密度就较大,反之则xx密度较小。风积砂的比重为2. 610(kg/cm3)。 (2)风积砂的自然休止角 自然休止角是风积砂在堆积过程中所能达到的{zd0}坡角,是风积砂流动性的表征。经过试验,风积砂的自然休止角与内摩擦角极为接近,而且发现,随着风积砂粒径的逐渐变小,其自然休止角是逐渐变大的。风积砂的自然休止角与它的密度、颗粒级配、外观形状、矿物成分等因素有关。一般情况下,风积砂的自然休止角在29°~ 31°之间。风积砂的力学特性: (1)压缩系数 风积砂的压缩系数比较小,一般在0. 01~0. 04Mpa-1,之间,属于低压缩材料。风积砂的压缩性与矿物成分和颗粒外观形状有关,风积砂的矿物成分主要为石英长石,颗粒磨圆度较高,压缩容易完成,因此,风积砂作为路基比较容易压实,并且压实后路基的变形量也比较小。 (2)抗剪强度 风积砂的抗剪强度和普通的土体不太一致。风积砂的粘聚力C值在0~9KPa之间,内摩擦角中值在32°~39. 3°之间。影响内摩擦角的因素有密度、粒径级配、外观形状和矿物成分等,风积砂比较密实时,风积砂颗粒的磨圆度较差,颗粒之间的咬合作用就强,内摩擦角就大,反之,内摩擦角就小。 风积砂的粘聚力由砂粒之间的物理化学作用决定,干燥松散的风积砂其胶结力和毛细水作用力基本不存在。 (3)风积砂的击实试验 试验前将风积砂全部烘干,试验时按预先拟定的不同含水量当时加水,砂样不重复利用,试验结果如表: 风积砂的击实曲线表现为:在干燥状态时,干密度出现一个峰值;其后,随着含水量的增加,干密度开始降低,约在含水量为4—6%时,干密度开始回升,一直到含水量为12%左右时干密度又达到一个峰值,击实曲线呈现一个横写的S形曲线。 砂的击实实质上是克服砂颗粒间的内摩擦力和粘聚力,将空气和水分排出,使颗粒间发生位移、错动、挤紧、充填,致使颗粒间空隙体积减小,从而提高砂的密实度,以增加砂体抵抗外部压力作用的过程。从试验结果可以看出,击实过程中砂的含水量对所能达到的密实度有着重大的影响:在干燥状态时,砂干燥松散,粘聚力和毛细水作用力近视为零,击实过程中击实功所需要克服的只是砂颗粒间很小的内摩擦力,在击实振动波的作用力下,砂颗粒易于相对移动、嵌挤和充填,达到密实稳定的状态,获得较大的干密度;随着含水量的增加,且含水量较低时,水在砂颗粒表面形成薄层的吸附水膜,产生表面张力,从而在颗粒之间形成引力,增大了砂的内聚力,阻碍砂粒移动,使砂不易压实,致使砂的干密度下降;随着含水量的继续增加,吸附水膜厚度增大,水的粘滞度随距砂颗粒表面距离的增加而减小,厚层吸附水膜在砂颗粒间的润滑作用逐渐增加,砂的内摩阻力逐渐减小,颗粒间的相 对移动变得容易,在一定击实功下,密实度逐渐增大;达到某一峰值后,如含水量继续增大,砂的内摩阻力和内聚力会进一步减小,但单位体积内空气的体积已减小到最小限度,而砂中水的体积会不断增加,由于水是不可压缩的,因此,砂的干密度随水的增加而降低。 1. 2 固化剂 公路施工中使用的固化剂也是一种化学外加剂,它在一定程度上能够节约水泥,促进水泥的凝结硬化速度,激发粉煤灰的活性,加速石灰粉煤灰间的火山灰反应,从而可以提高强度。这既节约了能源,又减少了工程造价,另外,还可以改善施工材料的性能,可以提高材料的强度,增加耐久性、密实性、抗冻性和抗渗性等。采用辽宁北四达无机复合材料有限公司提供的PSS-2型固化剂。 2 固化剂稳定风积砂配合比设计 根据地区建筑材料的分布特点,辽中地区:主要有风积砂,无其他道路建材,主要材料来自辽阳,所以推荐路面基层结构为固化剂稳定风积砂。 2. 1 固化剂的固化机理分析 固化剂中的水分调节剂能与水分子形成氢键或其他化学键,对水有较强的吸附作用,有利于土壤的稳定固化。固化剂中含有的微晶核,通过晶格配备,可在土颗粒空隙中生成针状结晶体,填充土体缝隙,形成骨架结构。固化剂中高分子材料通过交联形成三维网状结构,提高土壤的抗压、抗渗、抗折等性能指标。通过固化剂中的固化成分与土粒子的化合、凝结等反应,使多余水分被排除,剩余水分参与固化反应而使土壤得以稳定固化。 对于粗粒土壤而言,由于固化成分的固化作用使土体稳定加固,对于高含水量的细粒土壤而言,由于土壤颗粒成分少,空隙水多,大量针状结晶的生成,使其形成稳定的骨架结构。对于淤泥及有机质土壤这种待改良对象,水泥、石灰都不能达到满意的效果,性能优良的固化剂可以提高强度。各种固化剂可以得到添加量少而强度高的优良固化效果。同时固化材料与土中的有机成分形成水化反应,没有不固化现象,固化剂可固化工业废弃物、垃圾、有机质淤泥等,防止有害物质析出。 近年来,固化剂在公路建设中得到了广泛的应用,风积砂经固化剂固化后,具有稳定性好,收缩率小及分布荷载能力加大的优点。 具体固化剂稳定风积砂的特点: 优点: (1)强度高、稳定性好。固化剂稳定风积砂有足够的强度,能适应二级公路路面基层的需要。 (2)适应范围广,筑路时可以因地制宜、就地取材。在缺少优质材料的地区,采用固化剂稳定风积砂做路面的基层或底基层是比较经济。 (3)固化剂稳定风砂可以在路上就地拌合,也可以用固定的机械集中拌合,之后运到路面直接摊铺。特别是在后一种拌合方法的情况下,质量容易保证。 缺点:固化剂稳定风积砂基层不能直接承受汽车车轮的磨耗作用,必须养生7天后,才能来做下步工序。固化剂有一个{zj0}掺量,即在此剂量范围内,固化剂可以明显地提高混合料的无侧限抗压强度。同时,{zj0}掺量同路面基层混合料的类型以及混合料各组分的配合比也有关系。以水泥一粉煤灰稳定土考虑,固化剂掺量在5% ~10%的范围内可以获得较好的增xx果。 2. 2 配合比设计及试验 (1)首先代表性试验 固化剂采用辽宁北四达无机复合材料有限公司提供的PSS-2型固化剂,风积砂采用辽中风积砂,分别按固化剂含量6%、8%、10%,进行7天无侧限抗压强度试验,确定固化剂含量的大致范围。根据{zj0}固化剂含量分别制备试件进行抗压模量试验,并确定强度与龄期的关系,根据强度可满足《公路路面基层施工技术规范》的要求,确定区域内合理配比。 (2)固化剂稳定风积砂配合比设计及试验结果首先选取固化剂掺量为6%、8%与10%;通过击实与7天无侧限饱水抗压强度试验得出试验数据如下表。 由表得出:固化剂掺量为10%的符合《路面基层施工技术规范》的要求,强度值更高,所以确定固化剂稳定风积砂基层的目标配合比为10%的固化剂掺量。 3 结 论 (1)固化剂掺量为10%时,对本地区的风积砂基层稳定强度满足《公路路面基层施工技术规范》要求的且强度{zg}。 (2)本文的研究将为风积砂在公路工程中的应用提供一些可靠资料,更丰富和发展我国公路的施工技术。 (3)充分利用当地资源,提高经济效益;并改善环境,提高社会效益。 本文只进行了室内配合比设计及强度测试,尚有工作有待于完成: (1)进一步研究固化剂稳定风积砂的干缩、温缩性能,为养护施工提供方案。 (2)通过试验研究强度随龄期增长规律。 (3)对于室内的试验结果尚应在实际工程中进行检验,并进行长期跟踪观察,以便进一步完善配合比设计。 参考文献 [1]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面.人民交通出版社,1998年 [2]孙家驷、高建平.道路设计资料集—路面设计.人民交通出版社.2003年 [3]中华人民共和国行业标准.公路路面基层施工技术规范(JTJ034-2000).人民交通出版社, 2000年 [4]中华人民共和国行业标准.公路工程无机结合稳定材料试验规程人民交通出版社. 1997年 [5]中华人民共和国行业标准.公路工程质量检验评定标准(JTJ071-98).人民交通出版社, 1999年 |
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