CMA生态改性剂改良膨胀土技术及应用

李 君

0 引言

CMA(Changing the Montmoriuonite's Absorbent)膨胀土生态改性剂是由一种复合化学配方+水+活性石灰充分搅拌组成。具有电解和离子交换的作用,有较强的渗透性,能溶于水,在水中离解出带正电荷的阳离子[X]n+和带负电荷的阴离子[Y]n-,阳离子与膨胀土胶体表面的阳离子[M]n+产生交换作用,将这些原本吸附在膨胀土颗粒表面、亲水性极高的阳离子赶走,代之以亲水性较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。使膨胀土颗粒上的吸附水的化学键破坏形成自由水,改性后土颗粒形成键状和网状结构加快反应和离子交换,自由水通过重力、蒸发、压实作用排除,改变了膨胀土颗粒的结构特征,从而提高膨胀土的抗剪强度,增强膨胀土的水稳性,永久的改变膨胀土的属性,将膨胀土改性为非膨胀土,且具有比石灰土更稳固更持久的效果。

膨胀土生态改性剂是在水中电解出离子与膨胀土颗粒离子进行交换作用,从而达到将膨胀土改性的目的。作用过程大致是:当膨胀土生态改性剂喷洒在土体上通过渗透达到一定深度将其改性,还可以通过土体本身含水量经土体毛细孔隙到达一定深度。更重要的是膨胀土生态改性剂具有较强的渗透性,能溶于水,它可以随雨水渗透,到达雨水能到达的深度,这样就从根本上解决了雨水渗入对膨胀土的影响,做到对大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的彻底治理。

1 工程概述

新建铁路石家庄—武汉客运专线工程,北起河南省与河北省省界,南至湖北省省界,线路全长506.857 km,正线数目为双线,设计速度目标值为350 km/h,规划输送能力单向8 000万人/年。管段位于淮河以南,沿线多为丘陵岗地,以粉质黏土、黏土、松软土、弱～中膨胀性黏性土、砂砾石、卵石土层为主,工程地质条件相对较差。沿线软土及松软土分布广泛,成因类型复杂,主要有谷地相、河流冲积相、湖积相沉积等,较为复杂的成因类型及不同类型之间的相变,导致了软弱土层的空间分布、成层情况及岩性等差异较大。膨胀土、软土属高压缩性土,具有遇水膨胀失水收缩特性,工程性质差。施工时有部分路基采用CMA生态改性进行地基处理。

2 主要施工方法及工艺

模拟试验→施工准备→现场溶液配制→改性溶液喷洒(三次)→检测。

2.1 室内模拟试验

2.1.1 室内模拟试验目的

各地区的膨胀土都具有相同的工程特性,但因地区不同膨胀土矿物成分和化学成分存在一定的差异,通过试验校验该产品对膨胀土的改性效果,选择适合该土体的最佳配方,保证工程质量。2.1.2 室内模拟试验的方法与步骤

1)认真进行现场调查,听取当地人对膨胀土变化规律的描述,观察原状的地形地貌,收集当地气候条件的相关资料以及雨水的渗透深度、大气风化作用层的影响深度等相关数据。2)在膨胀土路段上分点采取原状土的土样,经过室内试验检测获得原状土各项指标。3)根据原状土各项指标和调查相关数据,在试验室内配制若干不同配方的膨胀土生态改性剂小样,分别对原状土土样进行模拟改性试验,经检测结果的比较,选择适合该土体最佳配方,确定单位面积的喷洒量和喷洒次数,最佳配方的改性土样必须达到非膨胀土的标准。4)室内试验检测内容:液限、塑限、湿化、自由膨胀率、颗粒分析、最大干密度、最佳含水量、击实、承载比、无侧限抗压强度、直剪、膨胀率、膨胀力、收缩(线缩、体缩、缩限)。5)采取原状土土样布点与采样方法,原状土与改性土检测技术方法均按GB/T 50123-1999土工试验方法标准和DT-82土工试验规程执行。6)室内试验检测各项指标作为指导改性施工依据。

2.2 设备与材料要求

2.2.1 设备制作与准备

每个工点自制3个容积不小于1 m3的铁皮桶,再购置1台小型抽水泵,即可进行现场喷酒。

2.2.2 材料质量要求

1)膨胀土生态改性剂应符合Q/WZC01-2005膨胀土生态改性剂企业标准的质量要求。

2)石灰选用经水熟化的熟石灰粉,其质量应符合Ⅰ级标准,其活性CaO+MgO含量不低于70%。

3)配制膨胀土生态改性剂水溶液用水应符合下列要求:a.色度不超过15度,并不得呈现其他异色。b.浑浊度不超过5度。c.无肉眼可见的悬浮物。d.不得有异味 。

2.3 施工准备

1)相关工程施工应在改性前按设计要求完成并验收,改性后不宜再扰动土体以免影响改性效果。2)改性施工前应认真检查土体的干湿程度,要求土体干燥,以土体表面出现裂纹为宜,应选择在晴天施工。3)膨胀土生态改性剂配制。膨胀土生态改性剂水溶液配比为:改性剂浓缩液∶水∶石灰(1∶100∶5),按水+浓缩液+石灰的顺序充分搅拌组成。

2.4 现场喷洒

1)喷洒施工的方法:将已配制的膨胀土生态改性剂水溶液按设计喷洒量均匀喷洒在膨胀土土体的表面上,通过渗透方法渗入土体,待土体干燥后,用同样方法再喷洒下一次,当土体含水量较大时,可采用打眼灌入的方法进行施工。

2)喷洒次数与喷洒量:在一般情况下膨胀土生态改性剂水溶液喷洒次数为三次,总喷洒量不小于20 kg/m2。

2.5 质量控制

改性施工的质量控制主要有两个方面:1)掌握土体的干燥程度,土体一定要干燥,施工时应控制在当膨胀土水溶液按设计量和次数均匀喷洒在土体表面上被土体吸收不流淌为宜。2)喷洒要均匀,喷洒速度不宜过快。

2.6 质量检测

地基在改性处理完成后,按要求进行碾压,检测结果满足客运专线路基压实标准(见表1)。

表1 质量检测结果表

3 模拟试验数据分析

3.1 试验设计

先做三组原状土的自有膨胀率试验,后将其中一组指标高的原状土样风干分散后分成四份,其中一份用于原状土试验,其余三份按照三个改性配方完成原状土的改性工作。三组改性土的编号为:改1、改2、改 3。根据工程特点,分别测定原状土和改性土的自由膨胀率、颗粒级配。选取原状土和改3分别进行重型击实试验以确定其最大干密度与最优含水率制备试样,测定相关的膨胀性、力学性及水稳性指标。通过对改性前后各指标的对比以评价改性剂的改性效果与最佳配方。

3.2 试验成果

依据GB/T 50123-1999土工试验方法标准,TB 10077-2001铁路工程岩土分类标准,TB 10102-2004铁路工程土工试验规程,分别做了液塑性、颗粒分析对比、膨胀性、击实承载比、无侧限直剪、饱和状态下无侧限直剪、湿化试验。

3.3 试验分析

1)试验成果表明:改性土的可塑性发生了明显的变化,其液限减小,塑限增大;塑限指数减小。这表明经改性作用,土的亲水性明显减弱。

2)改性土中砂粒组、粉粒组含量明显比原状土增大,而粘粒组及胶粒组显著减小,表明土的比表面积减少,土粒的分散程度降低,土粒之间因离子交换作用变成了比原状土粒之间更为紧密的结构,土颗粒与水的接触面积减少。

3)原状土的自由膨胀率为59%,属膨胀潜势中的膨胀土,但其膨胀力较大。经改性作用后,自由膨胀率均降到40%以下,属非膨胀土。但按最大干密度及最佳含水量制备的试样测定的相关平膨胀收缩指标显示,改 1、改 2仍具有微弱的膨胀性,经改3改性作用已消去了膨胀土的膨胀特性。

4)95%压实度的承载比:改1是原状土的8.5倍,改3是原状土的37倍。吸水量:改1是原状土的62%,改3是原状土的49%。吸水膨胀率:改 1是原状土的 34%,改 3是原状土的4.9%。这表明经改性作用,改性土的吸水性及膨胀性减弱,承载能力大幅度提高,水稳定性增强。

5)改性土无侧限强度是原状土的2倍～3倍,抗剪强度:改1、改 2与原状土相当,改 3明显增大。由此说明经改性作用,土的无侧限强度及抗剪强度大幅提高。

6)为了模拟边坡在雨季最不利条件下,边坡土受力,特征所反映的强度特征。我们选用原状土及改性土的样品,按95%的压实度在CBR模简中静压成型,施加5 kg的标准荷载板,放入水槽中浸泡5昼夜,让试样充分吸水膨胀后测定试样强度变化特征,从试验结果可知,改性土的无侧限强度是原状土的2.6倍左右。直剪强度C值是原状土的2.9倍,Φ值是原状土的3倍,这不仅说明了改性土的强度优于原状土且说明了改性土的水稳定性优于原状土。

7)从湿化试验成果可知,改3水稳性良好,当改性彻底时,经4昼夜浸泡,试样不崩解。而改1、改2发生不同程度的崩解,这说明改性配方需根据不同的土类特征加以调整。

3.4 试验结论

通过模拟试验验证,经CMA膨胀土生态改性剂改性后膨胀土亲水和膨缩性得到了很好改善,土体强度大幅度提高、水稳性好,不发生湿化崩解现象,改性后的土体为非膨胀土。本次试验中改3配方为最佳配方。

4 结语

CMA生态改性剂改良膨胀土技术在石武客运专线上的应用取得了显著的效果。其产品及工艺有如下特性:1)环保产品:膨胀土生态改性剂pH值在 6～7之间,无毒、无腐蚀、不易燃易爆、无污染,属生态环保产品。2)生态环境保护:改性后的土体仍能种植灌木和花草,具有绿化美化环境的功能。3)经济适用:能按不同的土体配制,适合强、中、弱各种类型膨胀土的改性处理。4)施工方便:施工简单,工期短,施工进度快,可多组同时施工,平行流水作业。

综上,采用膨胀土生态改性剂处理路基和边坡防护方法可行,值得推广应用。

[1] 余 飞,余 静,陈善雄,等.膨胀土CMA改性与石灰改性对比试验[J].华中科技大学学报(自然科学版),2006(8):71-72.

[2] 惠会清,雷胜友.膨胀土膨胀机理及其改良(抑制)方法的研究综述[J].公路交通科技,2005(S2):55-56.