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GT型土壤固化剂改良土的工程特性研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第27卷第9期 尝 i ●3 学 、,01.27 NO.9 2006年9月 Rock and Soi1 Mechanics Sep.2006 文章编号:lOOO一7598~(2oo6)09—1545--04 GT型土壤固化剂改良土的工程特性研究 方祥位 ,孙树国 ,陈正汉1,中春妮 ,徐尔昌2 (1.后勤工程学院建筑工程系,重庆400041:2.德国余安企业有限公司) 摘要:GT 土壤固化剂是一种新型的土壤改性加固材料,以高钙灰和脱硫石膏两种]-业废料为主要原料,辅以生石灰、 水泥、熟石膏、硫酸铝及明矾石等次要成分,采用生石灰消解法除去脱硫石膏中的自由水,按全粉料配料的方法研制而成。 按一定掺量向土中掺入石灰和GT型土壤固化剂制成石灰改良土样和固化剂改良土样并进行养护、浸水,对土样进行击实试 验、直剪试验、压缩试验和渗透试验。试验结果表明固化剂改良土的击实效果、抗剪强度、压缩性、抗渗透性等工程特性明 显优于石灰改良十。分析了GT型土壤固化剂加固土的机理,为进一步的研究和工程应用提供参考。 关键词:GT型土壤固化剂;石灰;改良土;试验 中图分类号:TU 472.5 文献标识码:A Study on engineering properties of improved soil by GT soil ifrming agent FANG Xiang.wei ,SUN Shu.guo ,CHEN Zheng—han1SHEN Chun—ni ,XU Er chang2 ,f1.Department ofArchitecture and Civil Engineering,Logistic Engineering University,Chongqing 400041,China; 2.AGN Rohstoffverwertung GMBH,German) Abstract:GT soil firming agent is a kind of new material that modifies and reinforces soil.Its main raw materials are industry waste materials of high calcium ash and desulfurated gypsum;and its minor constituents are quicklime,cement,plaster,sulfuric acid aluminum,alunite,etc.It is synthesized with ingredient method of full powder,by removing free water of desulfurated gypsum using counteraction way of quicklime.The improved soils were made by adding lime and GT soil firming agent with given proportion,and then were cured and submerged underwater.Compaction tests,direct shear tests,compression tests and permeability tests were carried out.The tests indicate that the engineering properties of GT soil firming agent improved soil,such as compaction effect, shearing strength,compressibility and resistance to permeability,are better than lime—improved soil.Improving mechanism of GT soil firming agent is studied further more.The results can be for reference to further study and engineering application. Key words:GT soil firming agent;lime;improved soil;experiment l 引 言 条件更加复杂,特别是将通过一些软弱土和特殊土 地区,对公路路基的加固处理任务更加艰巨。 近年来,我国公路建设投资数量之大,开发项 目之多举世瞩目。到去年底,我国公路通车总里程 2改良、加固土壤的方法 达181×10 km,居世界第3位;其中高速公路目 2.1传统加固土方法 前已突破3万公里,总里程居世界第2位。为了实 传统的改良、加固土壤的方法很多,常用的主 现交通现代化的目标,交通部将在2007年完成“五 要有3种:石灰稳定土、水泥稳定土及石灰工业废 纵七横”国道主干线,全长3.5×10 km。然而,一 渣稳定土。 些新建的高速公路和其它道路经常出现早期损坏现 (1)石灰稳定土 象,特别是车辆超限和超载,更加剧了公路的损坏, 石灰稳定土是在已粉碎的土壤中,掺入一定量 增加了养路成本和不得不提前翻修。据调查,公路 的生石灰粉或消石灰粉,经拌和、压实、淋水及养 的早期损坏大多与公路路基的质量好坏密切相关。 护,最后得到一定强度的固结土壤。石灰是一种从 未来几年的公路建设中,相当部分将通过工程地质 古到今广泛用于固结土壤的无机结合料,可认为是 收稿日期:2004.1l一22 资助项目:后勤工程学院研究牛创新专项经费资助。 作者简介:方祥位,男,1975年生,讲师,在职博士生。主要从事岩iJje与工稗研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 1546 最原始的土壤固化剂。《公路路面基层施1技术规 范》(JTJ034—2000)…规定,石灰稳定十的土壤本身 的 性指数应不小f 10,且最好是大于1 7的强黏 性上壤。石灰稳定土的最大缺陷是由f在养护过程 中逐渐形成的C—S—H凝胶导致较大的体积收缩及在 内部结构中产生许多小的裂缝,影响公路的质量。 (2)水泥稳定上 对于塑性指数小于10的弱黏性土,需要采用水 泥或水泥和石灰来凼结,称之为水泥稳定土或水泥 和石灰综合稳定土。虽然水泥稳定土在养护过程中 的体积收缩率小于石灰稳定土,但由水泥水化生成 的C—S—H凝胶而造成的体积收缩率仍不可避免。 (3)石灰工 废渣稳定土 日前工程中常采用石灰刚结土或水泥吲结土作 为公路的底基层,而公路的基层则较多的采用由石 灰、工业废渣和砂石混合料组成的石灰] 、 废渣稳 定土。可利用的工业废渣包括粉煤灰、炉渣、高炉 矿渣和钢渣等,工程中用量最大的是湿排粉煤灰。 虽然石灰工业废渣稳定土仍不可避免地出现体积收 缩而造成公路质量问题,但由于在这种混合料中掺 入了80%~85%的砂石料,使之体积收缩较前述两 种稳定土有所减少。另外,应用石灰工业废渣稳定 土的一个重大缺点是:在公路施工过程中,须首先 把基层位置原来的土壤挖出运走,再用工厂预拌的 这种混合料取而代之,将人大增加运输的工作量和 成本。 2.2 GT型土壤固化剂加固土 GT型土壤固化剂是以发电厂燃烧亚烟煤或褐 煤时所产生的干排粉煤灰和脱硫石膏两种废料为主 要成分,辅以生石灰(或水泥)、熟石膏以及硫酸铝 (或明矾石)等次要成分,采用生石灰消解法除去 脱硫石膏中的自由水,按全粉料配料的方法研制而 成的一种=r粉状态的上壤固化剂产品。 干排粉煤灰属于具有潜在水硬性的胶凝材料, 其粒径 般不大。J 45 um,化学成分中CaO的含量 为15%~3O%。 脱硫石膏中CaSO4 2H2O的含量应不低于85%, 吸附水含量应 高于15%。 生石灰采用天然石灰石经过煅烧和粉磨制成的 粉状物料,其中CaO的含量应不低于70%,MgO 的含量应不高于5%。 水泥可以采用42.5 MPa或32.5 MPa普通硅酸 盐或矿渣硅酸盐水泥。 硫酸铝的分子式为A12(so4)3 18H2O,叫矾石的 分子式为K2804 3(A10)2SO46H2O。 2006缸 GT型上壤固化剂是一种主要用于道路施工的 土壤固化剂,该固化剂通过_[业废物的再利用,提 供了一 种可使被同结的土壤增加强度、不产生体积 收缩、加强底基层和基层的板体性、提高土壤的防 水渗透性和防冻性、避免公路路面产生裂缝、提高 公路的施:I 质量、降低施]:成本且符合环保要求的 川f道路施工的土壤同化剂。还 用于铁路路基和 建筑物的基础,加刚河床和河堤,固结裸露的表土 以防I 土飞扬,以及水土保持等领域。 3试验方法 为了说明GT型土壤固化剂的优良性能,对比 石灰改良上进行试验研究。本次试验均按照《公路 工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057—94)l2l、 《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999) 及《公 路路面基层施工技术规范》(JTJ034.2000)…进行。 分别对北京软土和青海黄土进行了平行对比试验, 主要针对北京软土给出试验内容及结果。 3.1 GT型土壤固化剂掺量的确定 为了确定GT型土壤固化剂的掺量,固化剂与 软土的质量配合比采用了6:94,8:92,10:90及12:88, 得到7 d无侧限抗压强度如图1所示。从图1可以 看出,稳定土的强度随固化剂掺量的增加而增大, 当掺量大于10%后,增大幅度有所减少;同时考虑 到公路基层强度的要求及经济因素;确定本次试验 用软土的GT型土壤固化剂掺量为10%,为了对比, 石灰掺量亦采用相同的掺量10%。 4 三 3 蕊 塞 z 掣 主1 p-.0 4 6 8 1O 12 14 吲化剂掺一/% 图1不同掺量GT型土壤固化剂改良土强度曲线 Fig.1 Strength curve of GT soil ifrming agent improved soil in different added propo ̄ions 3.2试验内容 (1)试样制备:按照确定的掺入量将石灰和土 及GT型土壤固化剂和土进行混合搅拌均匀制备成 石灰改良土和固化剂改良土。对于石灰改良土在搅 拌均匀后应先在保湿器中静置24 h以使石灰消 解,然后根据试样控制干密度要求,采用压样法制 备试验所需的环刀样。对于固化剂改良土在搅拌均 匀后,可立即制样。然后将试样在标准养护条件下 维普资讯 http://www.cqvip.com 第9苠H 仟化等:GT 壤f 化剂改良L的f. 特 研究 1547 养护6 d,再浸水】d和7 d(部分试验不需养护和 浸水)。 (2)击实试验:试验采用JDS—l型数 电动击 实仪。石灰改良土搅拌均匀后需静置24 h,固化剂 改良土在搅拌均匀后立即进行击实,击丈分3层装 上,每层击实功能为25击。 (3)直剪试验:试验采用EDJ—l型 速电动 等应变直剪仪快剪方法。试样规格为 61.8 mm× 20 mm,试验控制条件为 切过程不排水和剪切速 率为2.4 ram/rain,对每组试样分别施加 同垂直压 力100、200、300、400 kPa进行试验。 (4)压缩试验:试验采用GJ一2型甲.杠杆小型 吲结仪。试样规格为 61.8 mm×20 mm,试验分4 级加荷,分别为50,100,200,400 kPa,乐缩变形 稳定标准为:每小时的压缩变形量小于0.01 mlTl, 或每级荷载作用时间达24 h。 (5)渗透试验:试验采用OYl一2型渗压仪, 按变水头渗透试验方法进行。试样规格为 6 1.8 mm ×401Tim,试样在标准条件 养护6 d,采用抽气水 头饱和法对试样进行饱和后进行试验。 4试验结果分析 4.1干密度和最优含水量 根据击实试验数据结果,_Ij‘以确定}}{石灰改良 软上(用1 表示,以下同)和GT型土壤固化荆改 良软土(用2 表示,以卜同)的最大= 密度和最优 含水量如表l所示。固化剂改良土的最火下密度比 石灰改良l{ 人, 最优含水量比石灰 良土小。说 明较之石灰,掺入GT型土壤 化剂的土在较低含 水量下就可击实剑较大干密度。 表1最大干密度和最优含水量 Table 1 Maximum dry densities and optimum water contents 4.2抗剪强度 未改良软土(刖0 表示,以下同)和石灰改良 软土及GT型土壤固化剂改良软上在不同条件卜的 抗剪强度指标 如表2所示。对f粘聚力C,石 灰软土和固化剂软上均较未改良软上高,且养护6 d 时最高:浸水斤明显降低,降幅超过50%;总的来 说,固化剂软上的粘聚力明 比石灰软上高。对于 内摩擦角 ,石灰软土和固化剂软t较未改良软土 高出1倍左右;且浸水后均增加,固化剂软上增加 的幅度更大;在相同试验条什卜, 化剂软土的内 摩擦角较 灰软i高。 4.3压缩性 未改良软土和石灰改良软上及GT型土壤固化 剂改良软土存不同条件卜的压缩指标如表2所示。 存软上吖]加入石灰或GT 壤 化剂后,可提高 土的强度,还降低了土的压缩性,其中固化剂软土 的 缩性最低;浸水后,石灰软土和固化剂软上的 压缩性基本不变。 表2抗剪强度指标和压缩指标 Table2 Shearing strength and compression parameters 4.4渗透性 末改良软土和 灰改良软士及GT型上壤固化 剂改良软土的 向渗透系数如表3所示,一者的数 值处于同一数量级。石灰软上的 向渗透系数最大, 是冈为石灰改良土南于土壤结团造成混合物拌合 均匀引起。 表3竖向渗透系数 Table 3 Verticality permeability coefifcients 样名称 向渗透系数Kv/10 cm.s () f 4.5黄土试验结果 未改良黄土和石灰改良黄土及GT型上壤 化 剂改良黄土的击实特性、抗剪强度、压缩性及渗透 性等工程特性与软土 ‘分类似,说明GT型土壤吲 化剂同样适用于改良黄土的工程特性。 4.6 GT型土壤固化剂改良、加固土的机理 把 定量的GT型土壤阎化剂掺入上壤中,经 搅拌、压实、淋水和自然养护等处理,粉煤灰属于 潜在的水硬性胶凝材料,遇水后粉煤灰粒子的表面 易于水化生成铝酸根阴离子层;生石灰(或水泥) 水化后提供 定量的Ca(OH) ,脱硫石膏和熟石膏 水化后提供 定量晌CaSO42H2O。存CaSO4’2H2O 的直接参与下,加之硫峻铝(或明矾石)的激发作 用,极人的促进了Ca(OH)2与粉煤荻粒子表l而层的 铝酸根阴离了问的酸碱中和反应,生成一种包含有 维普资讯 http://www.cqvip.com 岩 土 力 学 2006年 水化硫铝酸钙凝胶的复合C.S_H凝胶。在之后的常 温自然养护条件下,水化硫铝酸钙凝胶将会从复合 的C.S.H凝胶中离析出来,生成分子式为3CaO‘ A12033CASO432H2O的钙矾石针状晶体。这种钙矾 石晶体具有极佳的水硬性,与尚未结晶的C.S.H凝 胶一起提高土壤的固结强度。另外,在生成钙矾石 晶体的过程中,将伴随产生较大的体积膨胀,完全 可以抵消生成C.S_H凝胶过程中所产生的体积收 缩,甚至引起被固结土壤产生微膨胀。同时,土壤 内部结构由于这种微膨胀作用而变得更为致密。图 2和图3分别是石灰改良土和GT型土壤固化剂改 良土试样养护28 d时放大4 1300倍的扫描电镜照片。 可以清楚地看到,石灰改良士的土壤团粒之间存在 着孔隙,而GT型土壤固化剂改良土,大量细小的 钙矾石针状晶体与一些云状的C.S.H凝胶体相互交 织,并且把一些外表面覆盖着C.S.H凝胶膜的土壤 团粒紧密的连接在一起,形成了较为理想的亚微观 内部结构。内部结构的致密性,改善了它的防水渗 透性和防冻性,可以提高底基层和基层的板体性, 有利于避免公路路面产生裂缝,从而提高公路的施 工质量。 图2石灰改良土试样放大4 000倍扫描电镜照片 Fig.2 Scanning photograph magniifed 4 000 times of lime-improved soil specimen 图3 GT型土壤固化剂改良土试样放大4 O00倍扫描电镜照片 Fig.3 Scanning photograph magniifed 4 000 times of GT soil firming agent improved soil specimen 5 GT型土壤固化剂的应用前景 GT型土壤固化剂采用燃煤发电厂产生的高钙 灰和脱硫石膏两种工业废料为主要原料,符合循环 经济充分地回收利用工业废料资源的原则,有利于 环境保护和降低生产成本。 室内试验结果初步表明GT型土壤固化剂在改 良、加固软土和黄土方面取得了较理想的结果。由 于GT型土壤固化剂改良土具有上述一系列优异的 工程特性,将十分可能成为2级以上高等级公路基 层加固土的常用方法,甚至部分取代传统方法。另 外,GT型土壤固化剂将可能广泛地用于铁路路基、 桥梁和建筑的基础,水利工程的河床和堤坝,以及 黄土高原的水土保持工程等领域。 6结论 (1)GT型土壤固化剂以燃煤发电厂的工业废 料资源为主要原料,有利于环境保护和降低成本。 (2)GT型土壤固化剂改良土内部形成较为理 想的亚微观结构。 (3)与石灰改良土相比,GT型土壤固化剂改 良土的最大干密度大而最优含水量小,抗剪强度高, 压缩性低,抗渗透性好。 GT型土壤固化剂是一种优良的改良、加固土 壤的材料,作为一种新型的土壤固化材料,对软土 和黄土取得了较为满意的结果,对于其它软弱土和 特殊土的适用性尚需进一步探讨。在实际工程中, 针对不同土壤和施工要求还需进行固化剂配方调配 及其掺量的优化等探索工作,才能更好的用于工程 实际。 参考文献 【1】 JTJ034—2000,公路路面基层施工技术规范【S】. [2】 JTJ057—94,公路 [程无机结合料稳定材料试验规程[s】. 【3 3】GB/T50123—1999,土工试验方法标准【S】. [4】 崔伟,李华銮,穆乃敏.石灰改性膨胀土工程性质的试 验研究【J1。岩土力学,2003,24(4):606--609. CUI Wei,LI Hua—luan,MU Nai—min.Experimental research on engineering character of improved expansive soil with lime[J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(4): 606--609. [5】 林彤,刘祖德.粉煤灰与生石灰加固软土的室内试验 研究[J1.岩上力学,2003,24(6):1049—1052. LIN Tong.LIU Zu.de.Study on indoor tests of fly ash and quick lime improving soft soils[J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(6):1049—1052. 【6】 张小平,施斌,陆现彩.石灰改良膨胀土微孔结构试验 研究lJI.岩土工程学报,2003,25(6):761--763. ZHANG Xiao—ping.SHI Bin.LU Xian—cai.Experimental study on micro—pore structure of expansive soil improved by lime[J].Chinese Journal of Geotechnical Enginee. ring,2003,25(6):761—763. 

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