影响水泥稳定土基层强度因素分析

来源:用户上传      作者:

　　【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。
　　参考文献：
　　[1]刘国杰.水泥稳定碎石基层技术经济研究[J].公路，2004年10期.
　　[2]刘智.丹本高速公路水泥稳定碎石基层实验段施工技术分析[J].辽宁交通科技，2004年12期.
　　[3]唐铭爰.公路水泥稳定粒料基层早期开裂的原因及防治[J].湖南交通科技，2004年04期.
　　[4]中华人民共和国行业标准.JTG E51―2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2009.
　　[5]中华人民共和国行业标准.JTJ 034―2000公路路面基层施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2000.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-12683274.htm