石灰土路基施工工藝研究

王國棟，周 鵬，于立民，占昌清

中國十七冶集團(tuán)有限公司交通工程技術(shù)分公司，安徽 馬鞍山 243000

長三角沖積平原區(qū)域土質(zhì)含水量較大、屬于高壓縮性土體、孔隙比高、承載能力較低，具有觸變等特性，該土質(zhì)不能直接用于工程之中，需要加石灰土進(jìn)行改良處理。改良仍然無法滿足需要的，需要換填較好的土與石灰土拌和后作為市政道路路基。石灰土的原理是通過摻入石灰達(dá)到土體改良的效果。具體而言，通過石灰與水分、二氧化碳的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，會使得土體顆粒之間形成一定的黏聚力，這時通過設(shè)備的碾壓使得土體之間具備一定的強(qiáng)度、剛度，因此石石灰土也稱之為半剛性材料，由于石灰土的半剛性特性形成需要一系列的化學(xué)、物理反應(yīng)，因此在施工工藝上，需要對照石灰土各階段的反應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行有針對的控制，從而提高現(xiàn)場石灰土施工管理水平。

1 石灰土形成半剛性的機(jī)理

1.1 第一階段：生石灰消解成為熟石灰

該過程為放熱過程，當(dāng)土體中含水量較多時，Ca(OH)2會吸收土體中的水分形成結(jié)晶體（該結(jié)晶體具有一定的強(qiáng)度）?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為CaO+H2O=Ca(OH)2。

1.2 第二階段：形成強(qiáng)度

熟石灰與土體中的礦物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，形成膠凝和絮凝材料；熟石灰與接觸面空氣中二氧化碳反應(yīng)形成膠凝和絮凝材料?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。

生石灰為塊狀材料，經(jīng)過5～8d的消解，形成熟石灰，熟石灰應(yīng)為粒徑小于10mm的粉粒狀。熟石灰摻入土體之中，與土體摻和翻拌，熟石灰與土體接觸面的礦物質(zhì)進(jìn)行第二階段的反應(yīng)生成了硅酸鈣、硅酸鋁等膠凝材料，同時熟石灰本身在二氧化碳的作用下形成了碳酸鈣，硅酸鈣、硅酸鋁、碳酸鈣均屬于穩(wěn)定性材料，這也是土體形成強(qiáng)度的最主要因素。同時由于本身土體不可能粉碎得太細(xì)，必然存在成團(tuán)的土，石灰與土體不能完全反應(yīng)，部分熟石灰在土體之中既不能與土體礦物質(zhì)反應(yīng)，又不能與空氣或者游離水中的二氧化碳反應(yīng)生成穩(wěn)定性材料，這部分熟石灰通過吸收土體中的游離水形成氫氧化鈣的結(jié)晶物，同樣具備了一定的強(qiáng)度。

2 材料選擇

2.1 土體選擇

根據(jù)石灰土產(chǎn)生強(qiáng)度的原理可知，在摻灰改良的土體應(yīng)該滿足土的粒徑、土體的黏性及土體的pH值三個指標(biāo)。施工過程中嚴(yán)禁采用腐質(zhì)性土、淤泥土、凍土、有機(jī)土，塑性指數(shù)為15～20的黏性土及含有一定數(shù)量黏性土的中粒土和粗粒土適宜進(jìn)行石灰土拌和，塑性指數(shù)偏大的黏性土，應(yīng)加強(qiáng)粉碎，粉碎后土塊最大尺寸應(yīng)不大于15mm，可以采用二次拌和法，第一次加部分石灰拌和，悶放2～3d，再加入其余石灰，進(jìn)行二次拌和。由于消石灰為堿性材料，且生成的穩(wěn)定物與酸性材料可以進(jìn)行反應(yīng)從而被降解，因此土體的pH值也很重要，硫酸鹽含量超過0.8%的土也不宜進(jìn)行石灰土拌和。

2.2 石灰質(zhì)量控制

石灰土施工的核心是Ca2+形成穩(wěn)定絮凝、膠凝物的過程，因此石灰質(zhì)量尤為重要，應(yīng)選擇Ⅱ級以上的石灰。石灰的粒徑影響作用反應(yīng)的比表面積，因此石灰中10～50cm的團(tuán)狀不應(yīng)大于總量5%。

3 石灰土路基施工重點工藝

3.1 生石灰消解注意事項

生石灰消解期間屬于吸水且放熱的過程，因此在生石灰消解期間需注意補充水分，在補充水分時不適直接使用水管沖灑表面，可采用在生石灰堆中插入沖水管，從而使生石灰充分消解。同時注意生灰表面的溫度，由于熟石灰能和空氣中的二氧化碳形成鈣化反應(yīng)，從而降低石灰的品質(zhì)，因此熟石灰不能儲存太久。生石灰消解可以吸收水分，因此對于該區(qū)域含水量較高的土質(zhì)，可以采用在土中摻入生石灰的方式進(jìn)行悶料，一方面減少土體的含水量，使得土體性能得到改良，另一方面完成石灰的消解，不過由于這個工序存在石灰的損耗，摻入的生石灰的量要大于設(shè)計要求的1%～1.5%，方可滿足設(shè)計要求的灰劑量。

3.2 石灰土拌和施工重點

（1）熟石灰粒徑不應(yīng)大于10mm。由于熟石灰通過與土表面的礦物質(zhì)接觸，然后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成絮凝、膠凝的穩(wěn)定物質(zhì)，因此熟石灰越細(xì)、土體的顆粒狀越散，熟石灰與土體的接觸面積就越大，形成的穩(wěn)定材料就越多，從而強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性就越好，同時熟石灰越細(xì)與空氣接觸面越大，更容易形成穩(wěn)定的碳酸鈣，從而使得改良土的性質(zhì)得到保證。

（2）摻灰、拌和。為了保證施工的質(zhì)量，施工期間均采用分層施工，由于灰劑量過大或過小均會影響石灰土的強(qiáng)度，為了控制灰劑量，需確定消石灰的使用數(shù)量且保證每層的層高，現(xiàn)場一般采用網(wǎng)格法進(jìn)行施工。通過事先劃分的網(wǎng)格，將土傾置于方格網(wǎng)中，然后放入灰劑量要求的消石灰，在網(wǎng)格內(nèi)拌和、壓實，從而保證了石灰土的每層厚度及灰劑量。具體如下：①確定松鋪系數(shù)和壓實厚度從而確定鋪筑厚度，一般松鋪系數(shù)為1.2，按照每層厚度20cm進(jìn)行控制，每層的鋪筑厚度應(yīng)為24cm；②確定、劃分方格網(wǎng)，根據(jù)運土車的方量及方格網(wǎng)尺寸。運土車的方量為6～7m3，需使用規(guī)格為5m×5m的方格網(wǎng)，將其均勻攤鋪，達(dá)到鋪筑的厚度。在消石灰摻和前，應(yīng)先用推土機(jī)粗略推平，然后用平地機(jī)精平，平整完后采用輕型壓路機(jī)進(jìn)行一遍碾壓；③消石灰方量選擇，根據(jù)方格網(wǎng)土方量及設(shè)計要求的灰劑量，確定熟石灰的量，比如土的干容重為1.6t/m3，則方格網(wǎng)內(nèi)土重量為8t，根據(jù)灰劑量6%確定消石灰質(zhì)量為0.48t。消石灰的撒布采用人工均勻撒布，撒布期間應(yīng)避開大風(fēng)天氣，以減少揚塵；④拌和，拌和的目的是使撒布的消石灰與土體充分接觸，盡可能增大表接觸面積，進(jìn)而產(chǎn)生更多的化學(xué)反應(yīng)，生成更多的膠凝及絮凝穩(wěn)定物，使空氣中的二氧化碳與消石灰充分反應(yīng)，以此增加土體強(qiáng)度。拌和設(shè)備采用穩(wěn)定土拌和機(jī)進(jìn)行拌和，輔助采用旋耕機(jī)進(jìn)行處理，穩(wěn)定土拌和機(jī)粉碎效果好、翻耕深度深，旋耕機(jī)處理深度及工作性能在層厚不大于15cm時能滿足要求，大于20cm的效果不如穩(wěn)定土拌和機(jī)。施工期間應(yīng)注意消石灰及土粒的粒徑，團(tuán)狀土應(yīng)打碎。土體中含水量較高的應(yīng)翻耕、晾曬，應(yīng)保證其在最佳含水量時狀態(tài)。采用路拌機(jī)從路基的一側(cè)縱向依次拌和，每次拌和重疊寬度不小于50cm，拌和深度應(yīng)達(dá)到下層頂面以下5～10mm，嚴(yán)禁拌和底部有素土夾層，通常拌和3遍以上，直到粉碎拌和后的土體顆粒粒徑在50mm以下，混合料色澤均勻、一致，沒有灰條、灰團(tuán)。

（3）碾壓。碾壓過程應(yīng)一次成型，避免反復(fù)碾壓擾動石灰土強(qiáng)度的形成，在最佳含水量偏差2%的狀態(tài)下（含水量高，碾壓后顏色較深色，含水量低碾壓后易松散）進(jìn)行碾壓，初壓采用8～12t壓路機(jī)靜壓2～3遍，起到整平穩(wěn)定混合料的目的；復(fù)壓采用16～18t重型振動壓路機(jī)振動碾壓2～3遍，特別的，當(dāng)?shù)叵滤惠^高的地段應(yīng)注意振動碾壓的頻率和遍數(shù)，不可過振避免引起地下水的返水；終壓采用18～21t三輪壓路機(jī)靜壓2遍，達(dá)到表面無輪痕。特別應(yīng)注意石灰土層施工嚴(yán)禁薄層貼補，由于石灰土形成的板體型呈現(xiàn)出片層狀，層與層之間依靠分子間作用相互連接，具有一定的抗壓能力，可是抗剪切能力較弱，常常形成剪切的層狀破壞，薄層貼補的部分與其他部分呈現(xiàn)的層片狀很容易受到破壞，會發(fā)生貼補區(qū)域的橫向剪切剝離，這對基層及面層是極其不利的。

（4）養(yǎng)生。石灰土的強(qiáng)度是根據(jù)石灰土中的Ca2+離子的一系列反應(yīng)生成的穩(wěn)定物確定的，該系列反應(yīng)需要一定的時間，一般石灰土強(qiáng)度增長時間在28d左右，且在強(qiáng)度增長的前14d穩(wěn)定物生成較少，土體之間的膠凝力不足，很容易受到外界沖擊力而松散，因此在碾壓完成后需要進(jìn)行養(yǎng)生。鑒于養(yǎng)生的原理，養(yǎng)生期間的注意要點如下：①水分的保持以最佳含水量為準(zhǔn)，水分在養(yǎng)生期間的作用主要為作為搬運游離Ca2+的介質(zhì)，同時可以與未進(jìn)行反應(yīng)的消石灰結(jié)合生成強(qiáng)氧化鈣的結(jié)晶物，這對石灰土強(qiáng)度的形成是有利的，然而如果水分過多可能導(dǎo)致Ca2+的流失，且土體不容易壓實，過多的含水量在水分蒸發(fā)后會引起收縮干裂，因此在養(yǎng)生期間應(yīng)保持最佳含水量，常用的方法為采用薄膜敷設(shè)或人工灑水，薄膜敷設(shè)的作用在于保持土體的水分不被蒸發(fā)減少，人工灑水主要是補充蒸發(fā)的水分；②溫度對于離子間的反應(yīng)速度有重要影響，溫度低于5℃時，石灰土間的絮凝反應(yīng)會很慢，強(qiáng)度基本不增長，在溫度低于0℃時，自由水結(jié)冰離子失去了水載體的運送，基本不再發(fā)生反應(yīng)，因此不可在冬季進(jìn)行石灰土施工；③靜置，石灰土施工碾壓完畢后，在前14d形成一定的強(qiáng)度前，應(yīng)禁止重車在石灰土層行駛，避免剛形成的板體松散開來。

4 結(jié)束語

文章從石灰土形成強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的機(jī)理出發(fā)，在明確石灰、土體等主要原材料及水分、溫度等外界條件影響的基礎(chǔ)上，重點研究石灰消解、石灰土拌和、碾壓、養(yǎng)生等施工重點工序，通過這種理論結(jié)合實際的方式研究施工工藝，對于指導(dǎo)現(xiàn)場科學(xué)管理、現(xiàn)場施工人員管理、處理現(xiàn)場施工問題具有一定的意義。