CMA生態(tài)改性劑改良膨脹土技術(shù)及應(yīng)用

李 君

0 引言

CMA(Changing the Montmoriuonite's Absorbent)膨脹土生態(tài)改性劑是由一種復(fù)合化學(xué)配方+水+活性石灰充分?jǐn)嚢杞M成。具有電解和離子交換的作用,有較強的滲透性,能溶于水,在水中離解出帶正電荷的陽離子[X]n+和帶負(fù)電荷的陰離子[Y]n-,陽離子與膨脹土膠體表面的陽離子[M]n+產(chǎn)生交換作用,將這些原本吸附在膨脹土顆粒表面、親水性極高的陽離子趕走,代之以親水性較低、粘結(jié)力較強的鋁離子及其水合物。使膨脹土顆粒上的吸附水的化學(xué)鍵破壞形成自由水,改性后土顆粒形成鍵狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加快反應(yīng)和離子交換,自由水通過重力、蒸發(fā)、壓實作用排除,改變了膨脹土顆粒的結(jié)構(gòu)特征,從而提高膨脹土的抗剪強度,增強膨脹土的水穩(wěn)性,永久的改變膨脹土的屬性,將膨脹土改性為非膨脹土,且具有比石灰土更穩(wěn)固更持久的效果。

膨脹土生態(tài)改性劑是在水中電解出離子與膨脹土顆粒離子進行交換作用,從而達(dá)到將膨脹土改性的目的。作用過程大致是:當(dāng)膨脹土生態(tài)改性劑噴灑在土體上通過滲透達(dá)到一定深度將其改性,還可以通過土體本身含水量經(jīng)土體毛細(xì)孔隙到達(dá)一定深度。更重要的是膨脹土生態(tài)改性劑具有較強的滲透性,能溶于水,它可以隨雨水滲透,到達(dá)雨水能到達(dá)的深度,這樣就從根本上解決了雨水滲入對膨脹土的影響,做到對大氣風(fēng)化作用層影響深度范圍內(nèi)膨脹土體的徹底治理。

1 工程概述

新建鐵路石家莊—武漢客運專線工程,北起河南省與河北省省界,南至湖北省省界,線路全長506.857 km,正線數(shù)目為雙線,設(shè)計速度目標(biāo)值為350 km/h,規(guī)劃輸送能力單向8 000萬人/年。管段位于淮河以南,沿線多為丘陵崗地,以粉質(zhì)黏土、黏土、松軟土、弱～中膨脹性黏性土、砂礫石、卵石土層為主,工程地質(zhì)條件相對較差。沿線軟土及松軟土分布廣泛,成因類型復(fù)雜,主要有谷地相、河流沖積相、湖積相沉積等,較為復(fù)雜的成因類型及不同類型之間的相變,導(dǎo)致了軟弱土層的空間分布、成層情況及巖性等差異較大。膨脹土、軟土屬高壓縮性土,具有遇水膨脹失水收縮特性,工程性質(zhì)差。施工時有部分路基采用CMA生態(tài)改性進行地基處理。

2 主要施工方法及工藝

模擬試驗→施工準(zhǔn)備→現(xiàn)場溶液配制→改性溶液噴灑(三次)→檢測。

2.1 室內(nèi)模擬試驗

2.1.1 室內(nèi)模擬試驗?zāi)康?/p>

各地區(qū)的膨脹土都具有相同的工程特性,但因地區(qū)不同膨脹土礦物成分和化學(xué)成分存在一定的差異,通過試驗校驗該產(chǎn)品對膨脹土的改性效果,選擇適合該土體的最佳配方,保證工程質(zhì)量。2.1.2 室內(nèi)模擬試驗的方法與步驟

1)認(rèn)真進行現(xiàn)場調(diào)查,聽取當(dāng)?shù)厝藢ε蛎浲磷兓?guī)律的描述,觀察原狀的地形地貌,收集當(dāng)?shù)貧夂驐l件的相關(guān)資料以及雨水的滲透深度、大氣風(fēng)化作用層的影響深度等相關(guān)數(shù)據(jù)。2)在膨脹土路段上分點采取原狀土的土樣,經(jīng)過室內(nèi)試驗檢測獲得原狀土各項指標(biāo)。3)根據(jù)原狀土各項指標(biāo)和調(diào)查相關(guān)數(shù)據(jù),在試驗室內(nèi)配制若干不同配方的膨脹土生態(tài)改性劑小樣,分別對原狀土土樣進行模擬改性試驗,經(jīng)檢測結(jié)果的比較,選擇適合該土體最佳配方,確定單位面積的噴灑量和噴灑次數(shù),最佳配方的改性土樣必須達(dá)到非膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)。4)室內(nèi)試驗檢測內(nèi)容:液限、塑限、濕化、自由膨脹率、顆粒分析、最大干密度、最佳含水量、擊實、承載比、無側(cè)限抗壓強度、直剪、膨脹率、膨脹力、收縮(線縮、體縮、縮限)。5)采取原狀土土樣布點與采樣方法,原狀土與改性土檢測技術(shù)方法均按GB/T 50123-1999土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)和DT-82土工試驗規(guī)程執(zhí)行。6)室內(nèi)試驗檢測各項指標(biāo)作為指導(dǎo)改性施工依據(jù)。

2.2 設(shè)備與材料要求

2.2.1 設(shè)備制作與準(zhǔn)備

每個工點自制3個容積不小于1 m3的鐵皮桶,再購置1臺小型抽水泵,即可進行現(xiàn)場噴酒。

2.2.2 材料質(zhì)量要求

1)膨脹土生態(tài)改性劑應(yīng)符合Q/WZC01-2005膨脹土生態(tài)改性劑企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求。

2)石灰選用經(jīng)水熟化的熟石灰粉,其質(zhì)量應(yīng)符合Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn),其活性CaO+MgO含量不低于70%。

3)配制膨脹土生態(tài)改性劑水溶液用水應(yīng)符合下列要求:a.色度不超過15度,并不得呈現(xiàn)其他異色。b.渾濁度不超過5度。c.無肉眼可見的懸浮物。d.不得有異味 。

2.3 施工準(zhǔn)備

1)相關(guān)工程施工應(yīng)在改性前按設(shè)計要求完成并驗收,改性后不宜再擾動土體以免影響改性效果。2)改性施工前應(yīng)認(rèn)真檢查土體的干濕程度,要求土體干燥,以土體表面出現(xiàn)裂紋為宜,應(yīng)選擇在晴天施工。3)膨脹土生態(tài)改性劑配制。膨脹土生態(tài)改性劑水溶液配比為:改性劑濃縮液∶水∶石灰(1∶100∶5),按水+濃縮液+石灰的順序充分?jǐn)嚢杞M成。

2.4 現(xiàn)場噴灑

1)噴灑施工的方法:將已配制的膨脹土生態(tài)改性劑水溶液按設(shè)計噴灑量均勻噴灑在膨脹土土體的表面上,通過滲透方法滲入土體,待土體干燥后,用同樣方法再噴灑下一次,當(dāng)土體含水量較大時,可采用打眼灌入的方法進行施工。

2)噴灑次數(shù)與噴灑量:在一般情況下膨脹土生態(tài)改性劑水溶液噴灑次數(shù)為三次,總噴灑量不小于20 kg/m2。

2.5 質(zhì)量控制

改性施工的質(zhì)量控制主要有兩個方面:1)掌握土體的干燥程度,土體一定要干燥,施工時應(yīng)控制在當(dāng)膨脹土水溶液按設(shè)計量和次數(shù)均勻噴灑在土體表面上被土體吸收不流淌為宜。2)噴灑要均勻,噴灑速度不宜過快。

2.6 質(zhì)量檢測

地基在改性處理完成后,按要求進行碾壓,檢測結(jié)果滿足客運專線路基壓實標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

表1 質(zhì)量檢測結(jié)果表

3 模擬試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗設(shè)計

先做三組原狀土的自有膨脹率試驗,后將其中一組指標(biāo)高的原狀土樣風(fēng)干分散后分成四份,其中一份用于原狀土試驗,其余三份按照三個改性配方完成原狀土的改性工作。三組改性土的編號為:改1、改2、改 3。根據(jù)工程特點,分別測定原狀土和改性土的自由膨脹率、顆粒級配。選取原狀土和改3分別進行重型擊實試驗以確定其最大干密度與最優(yōu)含水率制備試樣,測定相關(guān)的膨脹性、力學(xué)性及水穩(wěn)性指標(biāo)。通過對改性前后各指標(biāo)的對比以評價改性劑的改性效果與最佳配方。

3.2 試驗成果

依據(jù)GB/T 50123-1999土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn),TB 10077-2001鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn),TB 10102-2004鐵路工程土工試驗規(guī)程,分別做了液塑性、顆粒分析對比、膨脹性、擊實承載比、無側(cè)限直剪、飽和狀態(tài)下無側(cè)限直剪、濕化試驗。

3.3 試驗分析

1)試驗成果表明:改性土的可塑性發(fā)生了明顯的變化,其液限減小,塑限增大;塑限指數(shù)減小。這表明經(jīng)改性作用,土的親水性明顯減弱。

2)改性土中砂粒組、粉粒組含量明顯比原狀土增大,而粘粒組及膠粒組顯著減小,表明土的比表面積減少,土粒的分散程度降低,土粒之間因離子交換作用變成了比原狀土粒之間更為緊密的結(jié)構(gòu),土顆粒與水的接觸面積減少。

3)原狀土的自由膨脹率為59%,屬膨脹潛勢中的膨脹土,但其膨脹力較大。經(jīng)改性作用后,自由膨脹率均降到40%以下,屬非膨脹土。但按最大干密度及最佳含水量制備的試樣測定的相關(guān)平膨脹收縮指標(biāo)顯示,改 1、改 2仍具有微弱的膨脹性,經(jīng)改3改性作用已消去了膨脹土的膨脹特性。

4)95%壓實度的承載比:改1是原狀土的8.5倍,改3是原狀土的37倍。吸水量:改1是原狀土的62%,改3是原狀土的49%。吸水膨脹率:改 1是原狀土的 34%,改 3是原狀土的4.9%。這表明經(jīng)改性作用,改性土的吸水性及膨脹性減弱,承載能力大幅度提高,水穩(wěn)定性增強。

5)改性土無側(cè)限強度是原狀土的2倍～3倍,抗剪強度:改1、改 2與原狀土相當(dāng),改 3明顯增大。由此說明經(jīng)改性作用,土的無側(cè)限強度及抗剪強度大幅提高。

6)為了模擬邊坡在雨季最不利條件下,邊坡土受力,特征所反映的強度特征。我們選用原狀土及改性土的樣品,按95%的壓實度在CBR模簡中靜壓成型,施加5 kg的標(biāo)準(zhǔn)荷載板,放入水槽中浸泡5晝夜,讓試樣充分吸水膨脹后測定試樣強度變化特征,從試驗結(jié)果可知,改性土的無側(cè)限強度是原狀土的2.6倍左右。直剪強度C值是原狀土的2.9倍,Φ值是原狀土的3倍,這不僅說明了改性土的強度優(yōu)于原狀土且說明了改性土的水穩(wěn)定性優(yōu)于原狀土。

7)從濕化試驗成果可知,改3水穩(wěn)性良好,當(dāng)改性徹底時,經(jīng)4晝夜浸泡,試樣不崩解。而改1、改2發(fā)生不同程度的崩解,這說明改性配方需根據(jù)不同的土類特征加以調(diào)整。

3.4 試驗結(jié)論

通過模擬試驗驗證,經(jīng)CMA膨脹土生態(tài)改性劑改性后膨脹土親水和膨縮性得到了很好改善,土體強度大幅度提高、水穩(wěn)性好,不發(fā)生濕化崩解現(xiàn)象,改性后的土體為非膨脹土。本次試驗中改3配方為最佳配方。

4 結(jié)語

CMA生態(tài)改性劑改良膨脹土技術(shù)在石武客運專線上的應(yīng)用取得了顯著的效果。其產(chǎn)品及工藝有如下特性:1)環(huán)保產(chǎn)品:膨脹土生態(tài)改性劑pH值在 6～7之間,無毒、無腐蝕、不易燃易爆、無污染,屬生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品。2)生態(tài)環(huán)境保護:改性后的土體仍能種植灌木和花草,具有綠化美化環(huán)境的功能。3)經(jīng)濟適用:能按不同的土體配制,適合強、中、弱各種類型膨脹土的改性處理。4)施工方便:施工簡單,工期短,施工進度快,可多組同時施工,平行流水作業(yè)。

綜上,采用膨脹土生態(tài)改性劑處理路基和邊坡防護方法可行,值得推廣應(yīng)用。

[1] 余 飛,余 靜,陳善雄,等.膨脹土CMA改性與石灰改性對比試驗[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006(8):71-72.

[2] 惠會清,雷勝友.膨脹土膨脹機理及其改良(抑制)方法的研究綜述[J].公路交通科技,2005(S2):55-56.