灰土路基灰劑量隨灰土齡期變化的規(guī)律分析

陳飛飛，唐亞平，王士全，鄭昊宇，張子陽

（北京市市政三建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100062）

1 工程概況

建湖縣高鐵綜合客運(yùn)樞紐——站前路，道路西起S234 省道，東至物流大道，道路全長4.402 km，是一條東西向貫穿于鹽城市建湖縣的城市主干道，路基寬度60 m，設(shè)計(jì)雙向六車道。道路挖方段，反開挖至路床頂面以下80 cm，回填摻5%石灰土處治，回填四層，路基底基層為20 cm 厚的12%石灰土處治。道路自2019 年4 月用于K2+200-K2+600 段12%石灰土處治的石灰進(jìn)場后，正逢連月陰雨天氣，導(dǎo)致石灰堆放長達(dá)45 d 左右。在12%的灰土底基層施工成型后，實(shí)際按12%摻灰處理的石灰土，經(jīng)檢測單位現(xiàn)場抽檢僅為8%～10%左右，不合格點(diǎn)數(shù)較多，在檢測灰劑量不達(dá)標(biāo)后，對此樁號段進(jìn)行重新翻松摻灰處理，經(jīng)檢測單位抽檢合格。針對石灰劑量損失的客觀情況，為尋找切實(shí)可行的解決辦法，檢測石灰進(jìn)場時間和Ca、Mg 關(guān)系曲線[1]，并對不同齡期的石灰土進(jìn)行灰劑量檢測，確定EDTA 消耗量與石灰劑量隨石灰土齡期增長而降低的關(guān)系曲線。

2 灰劑量隨齡期變化實(shí)驗(yàn)分析

2.1 原材料的影響因素

石灰進(jìn)場擱置時間對有效鈣鎂含量的影響: 為正確反映試驗(yàn)成果，保證試驗(yàn)成果的合理性，試驗(yàn)所用的石灰必須與現(xiàn)場所用的石灰一致。對新進(jìn)場的同一批進(jìn)場石灰，隨機(jī)抽取一部分，平均分成15 組，每隔7 d，隨機(jī)抽出3 組，測定有效鈣鎂含量，共計(jì)28 d 完成本次試驗(yàn)。試驗(yàn)成果見表1、圖1。

表1 進(jìn)場不同時間的消石灰有效鈣鎂含量（%）

圖1 進(jìn)場時間與有效鈣鎂含量關(guān)系圖

依據(jù)進(jìn)場時間與有效鈣鎂含量關(guān)系圖可得到結(jié)論：露天堆放的石灰會隨著堆放時間的增加，有效鈣鎂含量會逐漸損失，且損失速率隨時間的增長而逐漸減緩。但是在石灰進(jìn)場前7 d 內(nèi)，有效鈣鎂含量損失量較大，石灰進(jìn)場7 d 內(nèi)，將石灰土拌和完成，石灰土的灰劑量更容易得到保證。

2.2 拌合土放置時間對石灰劑量的影響

2019 年4 月17 日碾壓成型的底基層原摻灰12%灰土，經(jīng)實(shí)測，石灰劑量為8%～10%，最低灰劑量為5%，與實(shí)際摻灰量差異較大，因此，用新進(jìn)石灰在取土坑拌和12%石灰土，用于底基層灰土不同齡期的灰劑量測試，其檢測結(jié)果見表2、圖2。

表2 12%石灰土自然存放的EDTA 用量

圖2 自然存放石灰土隨齡期增長消耗EDTA 變化圖

依據(jù)表2、圖2 可以得出結(jié)論：拌和后的石灰土灰劑量隨著放置時間的增長，其實(shí)測EDTA 消耗量[2]（灰劑量）相應(yīng)減少。為保證灰土路基的施工質(zhì)量，提前做試驗(yàn)，繪制石灰土放置時間與EDTA 消耗量關(guān)系圖，為保證灰劑量做好準(zhǔn)備。

2.3 灰劑量隨齡期變化的試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)以上研究數(shù)據(jù)可以得到：

（1） 消解石灰的放置時間對石灰土的灰劑量有一定影響，消解的石灰如不能盡快使用，放置時間過長，導(dǎo)致消解石灰的有效鈣鎂含量降低，最終導(dǎo)致灰劑量不足。

（2） 拌和后灰土，隨著放置時間的增加，在石灰土鈣化的過程中，對灰劑量也有一定程度降低。同時CaO 與空氣中CO2反應(yīng)，導(dǎo)致灰劑量急劇下降，因此在施工的過程中，應(yīng)在灰土拌和好后，在最短的時間內(nèi)做好灰土的碾壓成型工作，以保證灰劑量滿足設(shè)計(jì)要求。

3 石灰劑量衰減的原因分析

石灰的活性有效成分主要是CaO 和MgO，石灰與土混合后，通過石灰的離子交換作用[3]、碳酸化作用、結(jié)晶作用、火山灰作用，使石灰土得到固化，石灰土的固化過程，也是石灰活性的衰減過程。

3.1 離子交換作用

石灰與土混合后，石灰中的CaO（熟石灰為Ca(OH)2）在水的作用下分解成Ca2+和（OH）-，Ca2+與土體中的離子發(fā)生交換作用，使土中膠體吸附層減薄，使土顆粒發(fā)生聚結(jié)，土的性能得到改善。

離子交換作用是石灰土初期形成強(qiáng)度的主要原因，由于離子的交換作用，使得石灰土Ca2+濃度減少，隨著時間的增長，離子交換作用慢慢減緩，因而石灰土灰劑量呈現(xiàn)減少趨勢[4]。

3.2 碳酸化作用

Ca(OH)2吸收CO2生成CaCO3使石灰失去活性。

3.3 結(jié)晶作用

石灰土中的Ca(OH)2由于水分較少，只有少部分離解，還有少部分Ca(OH)2進(jìn)行化學(xué)作用，絕大一部分Ca(OH)2在石灰土中進(jìn)行結(jié)晶，由膠體變?yōu)榫w，晶體中的Ca(OH)2與非晶體中的Ca(OH)2相比，溶解度減少量較大。

3.4 火山灰反應(yīng)

Ca(OH)2與土中的SiO2，Al2O3起化學(xué)反應(yīng)，生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣，使部分石灰失去活性。

4 本次灰劑量試驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合《公路工程無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定料材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[5]試驗(yàn)方法進(jìn)行。

4.1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用EDTA 滴定法，結(jié)合本工程以12%灰土為例，對12%灰土進(jìn)行標(biāo)定，得到相應(yīng)的EDTA消耗量（見表2），得出灰劑量的衰減規(guī)律。

4.2 試驗(yàn)材料

4.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

酸式滴定管（50 ml）、大肚移液管（10 ml）、量筒、錐形瓶、燒杯、玻璃攪拌棒、搪瓷杯。

4.2.2 試驗(yàn)試劑

0.1 mol/m3乙納酸四乙酸二鈉（EDTA）標(biāo)準(zhǔn)液、10%氯化銨溶液、1.8%氫氧化鈉溶液、鈣紅指示劑[4]。

4.2.3 試樣

土、石灰（測定有限鈣鎂含量59.7%，符合Ⅲ級石灰要求）。

5 實(shí)驗(yàn)過程

5.1 準(zhǔn)備繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

5.1.1 取樣

從施工現(xiàn)場抽取石灰，風(fēng)干后過篩，測定其含水量。

混合料組成計(jì)算：

計(jì)算公式：干料質(zhì)量=濕料質(zhì)量/（1+含水量）。

計(jì)算步驟：干混合料質(zhì)量=300 g/（1+最佳含水量）。

干土質(zhì)量=干混合料質(zhì)量/（1+石灰劑量）。干石灰質(zhì)量=干混合料質(zhì)量- 干土質(zhì)量。

濕土質(zhì)量=干土質(zhì)量×（1+土的風(fēng)干含水量）。濕石灰質(zhì)量=干石灰質(zhì)量×（1+石灰的風(fēng)干含水量）。

石灰土中應(yīng)加入的水=300g- 濕土質(zhì)量- 濕石灰質(zhì)量。

5.1.2 試樣制備

因需測定的灰劑量為12%，所以制備試樣的灰劑量為6%、8%、10%、12%、14%、16%。

5.1.3 實(shí)驗(yàn)過程、記錄數(shù)據(jù)

取一個盛試樣的搪瓷杯加入600 mL10%氯化銨溶液，用鋼棒攪拌3 min，放置沉淀4 min，將上部清液移到300 mL 燒杯中，搖勻加蓋表面皿待測。

用移液管吸取上層懸浮液10 mL 放入200 mL錐形瓶，用量筒取50 ml1.8%氫氧化鈉（內(nèi)含三乙醇胺）溶液到入錐形瓶中，此時PH 值為12.5～13，然后加入鈣紅指示劑，用EDTA 二納標(biāo)準(zhǔn)液滴定到純藍(lán)色為終點(diǎn)，記錄EDTA 二納的耗量。同樣對其他幾個試樣進(jìn)行試樣，記錄各自的EDTA 二納的消耗量。

5.1.4 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

見表3、圖3。

圖3 EDTA 消耗量與石灰劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線

表3 石灰土灰劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線記錄表（EDTA 滴定）

5.1.5 拌和后灰土衰減曲線

本試驗(yàn)從混合料拌和時間開始計(jì)算，按0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d 齡期分別不同齡期的灰劑量，確定灰土拌和后7d 的衰減率，見表4～5、圖4。

表4 隨齡期增長EDTA 消耗量變化

圖4 隨齡期增長EDTA 消耗量變化曲線

表5 隨齡期增長灰劑量衰減速率

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

灰劑量的衰減與時間關(guān)系呈線性關(guān)系，在施工過程中，要根據(jù)不同的材料要求，做好該關(guān)系曲線，作為施工質(zhì)量控制的依據(jù)提前預(yù)計(jì)衰減率，保證抽檢灰劑量滿足設(shè)計(jì)要求。

第二天衰減速率較大，說明在未成型之前，灰土處于松散狀態(tài)，顆粒間空隙較大，與空氣接觸良好，CaO 與空氣中CO2反應(yīng)，導(dǎo)致灰劑量急劇下降，因此在施工中，應(yīng)在最短的時間內(nèi)做好碾壓工作，降低灰劑量衰減速率。

6 結(jié)論

石灰土中活性氧化物的衰減是客觀存在的，石灰土拌合料要在拌和后盡快碾壓成型，如果拌和好以后沒能及時攤鋪碾壓，拖延時間過長，石灰鈣化，氧化物衰減后壓實(shí)石灰土，其灰劑量和強(qiáng)度難以得到保證。

以建湖縣高鐵綜合客運(yùn)樞紐工程- 站前路為載體，以試驗(yàn)為依據(jù)，闡述了石灰劑量隨石灰土齡期增長而降低的關(guān)系和原因。

依據(jù)本研究得出的結(jié)論，需制定措施，保證灰劑量滿足設(shè)計(jì)要求。本工程為保證灰劑量采取如下措施。

（1） 結(jié)合工程實(shí)際情況，先確定EDTA 消耗量-灰劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后根據(jù)衰減速率、拌和時間進(jìn)行修正，這樣既保證了工程質(zhì)量，又避免不必要的資源浪費(fèi)。

（2） 灰劑量隨時間延長有一定衰減，故在施工過程中，減少生石灰的放置時間，拌和后的混合料盡可能現(xiàn)拌現(xiàn)用，及時檢測驗(yàn)收。

通過上述措施，有效的保證灰劑量滿足設(shè)計(jì)要求。