影响水泥稳定土基层强度因素分析
作者 : 未知

  【摘 要】 文章主要从形成水泥稳定土强度的物理原理和化学原理出发,通过分析影响其强度的主要因素,进而为有效控制水泥稳定土基层各施工环节,确保其强度和施工质量提出有效建议。
  【关键词】 水泥稳定土 基层 强度 控制
  1 概述
  水泥稳定土以其强度高,稳定性好,整体性好,承载力高,便于工厂化施工等优点,广泛适用于我国各级公路路面结构的基层和底基层中。水泥稳定土基层是在经过粉碎的或原来松散的土中,掺入适量的水泥和水,经拌和得到的混合料再经过压实和养生后,使其抗压强度符合规定要求的路面结构层。公路路面基层是承受行车荷载的主要结构层,其强度的高低直接决定着路面结构的承载能力。它的施工是路面施工的关键环节,其施工质量的好坏,直接决定着整个路面施工的成败,影响到路面整体的使用寿命。如果对水泥稳定土施工个环节管理不到位,控制不严格,将会导致基层强度不足、整体性差、平整度差等质量缺陷,所以,如何采取有效措施,切实保证水泥稳定土基层强度,是水泥稳定土基层施工的关键环节,也是整个路面工程施工的重要环节之一。
  2 形成水泥稳定土强度的原理
  在水泥稳定土的形成过程中,水泥、土、水之间会发生多种复杂的物理、化学作用,从而使土的性状发生改变,拥有一定的力学强度和整体性。这其中,主要有以下四个方面的作用。
  2.1 土体本身的强度
  松散的或经粉碎的土体在和水泥、水等均匀拌和后,再经一定的压实功作用,板结形成一个整体性较好的平整的路面结构层,具有一定的承载能力。其结构层初期抗剪强度可按土体抗剪强度公式=c+σtan计算。
  2.2 离子交换作用
  土中的黏土颗粒由于颗粒细小,表面积较大,具有较高的活性,当黏土与水接触时,黏土颗粒表面通常带有一定量的负电荷,在黏土颗粒周围形成了一个电场,带负电的黏土颗粒,吸引周围溶液中的正离子,比如K+、Na+以及硅酸盐水泥水化后所产生的Ca2+等离子,从而以化学键的形式形成稳定的化学结构,使黏土颗粒间的距离减小,相互靠拢、凝聚,使其具有一定的强度和稳定性。
  2.3 化学激发作用
  钙离子的存在不仅影响了黏土颗粒表面的结构,而且在这种碱性溶液环境下,改变了土的化学性质。其中,氢氧化钙能提高水泥稳定土的强度和水稳定性。当土颗粒周围介质的PH值增加到一定程度时,黏土矿物中的部分SiO2和Al2O3活性被激发,与溶液中Ca2+发生反应,形成硅酸钙和铝酸钙等,这些矿物具有胶凝能力,与水化产物一起,将黏土结成一个整体。
  2.4 碳酸化作用
  水泥水化生成的Ca(OH)2不但与黏土矿物发生化学反应,还能与空气中的CO2发生碳化反应生成碳酸钙结晶,碳酸钙生成过程中体积膨胀,也可对土的基体起到填充和加固作用。
  3 影响水泥稳定土混合料强度的因素
  一般来说,常用两种指标来标示水泥稳定土:强度指标和耐久性指标,强度指标通常用的是7d龄期的无侧限抗压强度,耐久性指标常用干湿循环试验或冻融循环试验。在实际施工中,我国现行施工规范仅采用了7d龄期的无侧限抗压强度来作为其强度控制指标,而对耐久性指标却没做要求。为了有效控制水泥稳定土基层强度,必须从影响其强度的具体因素入手,采取有针对性的措施,合理选择原材料,科学安排各施工工艺,才能保证施工质量,严格控制其强度指标。
  3.1 土质
  虽然各类砂砾土、黏土、粉土都可以做成水泥稳定,但是不同的土质及其性质是影响水泥稳定土强度的重要因素。经试验和生产实践证明:碎(砾)石组成的级配良好的水泥稳定土效果最好,不但强度够高,而且节省水泥用量,其次是砂性土,粉土和黏土的效果最差,一般要求土的塑性指数小于20。所以施工时,土质选择顺序是级配碎石、级配砾石、碎砾石土、砂性土,粘土、粉土。其中粉土和粘土是不得已时才选择。
  3.2 水泥的成分和剂量
  各种类型的水泥都可以用于稳定土,但是经过实践证明,水泥的矿物成分和分散度也对稳定效果有着明显的影响。对于同一类土,硅酸盐水泥的稳定效果最好,铝酸盐水泥的稳定效果较差。在水泥硬化条件相似时,矿物成分相同时,随着水泥分散度的增加,其活性硬化能力也有所增大,从而大大提高水泥稳定土的强度。
  水泥用量越大,水泥稳定土的强度越高,但是水泥剂量过大,在经济上是不合理的,成本较高,而且水泥量过大时,容易产生温缩和干缩裂纹。经过实践证明,一般认为水泥稳定土的水泥剂量应该在3-6%之间较为合适,最大不超过7%。水泥剂量太小则没有起到应有的稳定作用,太大则会引起温缩裂缝,而且,当水泥剂量超过7%以后,再增加水泥计量,对稳定土的强度提高并不明显,远没有改善土粒级配更为有效。
  对于中粒土和粗粒土,水泥剂量是指水泥土中水泥质量和干土质量的百分比,这其中,水泥剂量分设计剂量和施工剂量两种,施工剂量一般是通过设计剂量配好后,再用EDTA滴定法测定。
  EDTA水泥滴定法是测定水泥稳定土中水泥剂量,其原理是加入10%NH4Cl溶解稳定土中的水泥,浸取Ca2+,通过EDTA的消耗量求出稳定土中钙离子的浓度,进而求出水泥稳定土中水泥的剂量。EDTA水泥滴定法适用于粗、中、细粒土,检测结果不受水泥稳定土的龄期(7d)影响,且在稳定土的含水量变化在±2%时,不会影响的其测定结果。
  3.3 混合料的干密度和含水量
  水泥稳定土的干密度对其强度的影响很大,干密度与土的颗粒密度、级配以及压实标准有关。施工中,应选择较为科学合理的压实机械、压实方法和压实遍数,以求实现最大干密度。一般说来,干密度值越高,抗压强度相对a提高。
  含水量对于稳定土的强度影响在于,含水量不足时,就不能完全水化和水解混合料中的水泥,所以不能完全发挥水泥的稳定作用,影响其强度的形成。另外,含水量过大或者过小,也影响混合料的压实度,不能或者不易实现最大干密度。   所以只有保证最佳含水率时,才能满足水泥的水解作用和混合料的压实度。一般,水泥水化水量占到水泥重量的20%,对于砂性土,完全水化达到最高强度的含水率较最佳密度的含水率为小,而黏性土则相反。
  3.4 施工工艺
  在施工过程中,是否能够准确的配制混合料,均匀的拌和和足够的碾压,都直接影响到水泥稳定土的强度和耐久性。
  在施工中,混合料的配合比是最容易失控的环节,首先是集料级配的准确性,其次是水泥剂量和用水量。如果设计中要掺入外加剂,外加剂掺量的准确性也是不可忽视的,配料准确性是保证水泥稳定土实现设计要求的基本前提。因此,现在一般多要求采用厂地集中自动计量配料机械拌和。路拌法施工配料的精度较差。
  水泥从开始加水拌和到完成压实,要求时间越短越好,一般要控制在3h以内,如果时间过长,就会导致水泥凝结,在碾压时,则不能达到压实要求,同时也会破坏已经硬化的水泥凝胶作用,反而降低水泥稳定土的强度。
  水泥稳定土在碾压密实后,要注意湿法养生,保证湿度和温度,以此来满足水泥水化形成强度的要求,养生温度越高,强度增长越快。经常保持表面湿润也可以大大减少干缩裂缝。
  4 结语
  公路工程的建设质量和使用寿命关乎到国家和人民的生命财产安全,公路路面的早期病害已经成为公路损坏的主要危害之一,所以应该从施工各个环节入手,针对影响水泥稳定土基层强度的影响因素,采取一系列的有效措施和办法,严格控制水泥稳定土基层强度,确保公路基层质量,才能减少或者避免路面的早期病害。
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