灰土路基灰剂量随灰土龄期变化的规律分析

陈飞飞，唐亚平，王士全，郑昊宇，张子阳

（北京市市政三建设工程有限责任公司，北京 100062）

1 工程概况

建湖县高铁综合客运枢纽——站前路，道路西起S234 省道，东至物流大道，道路全长4.402 km，是一条东西向贯穿于盐城市建湖县的城市主干道，路基宽度60 m，设计双向六车道。道路挖方段，反开挖至路床顶面以下80 cm，回填掺5%石灰土处治，回填四层，路基底基层为20 cm 厚的12%石灰土处治。道路自2019 年4 月用于K2+200-K2+600 段12%石灰土处治的石灰进场后，正逢连月阴雨天气，导致石灰堆放长达45 d 左右。在12%的灰土底基层施工成型后，实际按12%掺灰处理的石灰土，经检测单位现场抽检仅为8%～10%左右，不合格点数较多，在检测灰剂量不达标后，对此桩号段进行重新翻松掺灰处理，经检测单位抽检合格。针对石灰剂量损失的客观情况，为寻找切实可行的解决办法，检测石灰进场时间和Ca、Mg 关系曲线[1]，并对不同龄期的石灰土进行灰剂量检测，确定EDTA 消耗量与石灰剂量随石灰土龄期增长而降低的关系曲线。

2 灰剂量随龄期变化实验分析

2.1 原材料的影响因素

石灰进场搁置时间对有效钙镁含量的影响: 为正确反映试验成果，保证试验成果的合理性，试验所用的石灰必须与现场所用的石灰一致。对新进场的同一批进场石灰，随机抽取一部分，平均分成15 组，每隔7 d，随机抽出3 组，测定有效钙镁含量，共计28 d 完成本次试验。试验成果见表1、图1。

表1 进场不同时间的消石灰有效钙镁含量（%）

图1 进场时间与有效钙镁含量关系图

依据进场时间与有效钙镁含量关系图可得到结论：露天堆放的石灰会随着堆放时间的增加，有效钙镁含量会逐渐损失，且损失速率随时间的增长而逐渐减缓。但是在石灰进场前7 d 内，有效钙镁含量损失量较大，石灰进场7 d 内，将石灰土拌和完成，石灰土的灰剂量更容易得到保证。

2.2 拌合土放置时间对石灰剂量的影响

2019 年4 月17 日碾压成型的底基层原掺灰12%灰土，经实测，石灰剂量为8%～10%，最低灰剂量为5%，与实际掺灰量差异较大，因此，用新进石灰在取土坑拌和12%石灰土，用于底基层灰土不同龄期的灰剂量测试，其检测结果见表2、图2。

表2 12%石灰土自然存放的EDTA 用量

图2 自然存放石灰土随龄期增长消耗EDTA 变化图

依据表2、图2 可以得出结论：拌和后的石灰土灰剂量随着放置时间的增长，其实测EDTA 消耗量[2]（灰剂量）相应减少。为保证灰土路基的施工质量，提前做试验，绘制石灰土放置时间与EDTA 消耗量关系图，为保证灰剂量做好准备。

2.3 灰剂量随龄期变化的试验结论

根据以上研究数据可以得到：

（1） 消解石灰的放置时间对石灰土的灰剂量有一定影响，消解的石灰如不能尽快使用，放置时间过长，导致消解石灰的有效钙镁含量降低，最终导致灰剂量不足。

（2） 拌和后灰土，随着放置时间的增加，在石灰土钙化的过程中，对灰剂量也有一定程度降低。同时CaO 与空气中CO2反应，导致灰剂量急剧下降，因此在施工的过程中，应在灰土拌和好后，在最短的时间内做好灰土的碾压成型工作，以保证灰剂量满足设计要求。

3 石灰剂量衰减的原因分析

石灰的活性有效成分主要是CaO 和MgO，石灰与土混合后，通过石灰的离子交换作用[3]、碳酸化作用、结晶作用、火山灰作用，使石灰土得到固化，石灰土的固化过程，也是石灰活性的衰减过程。

3.1 离子交换作用

石灰与土混合后，石灰中的CaO（熟石灰为Ca(OH)2）在水的作用下分解成Ca2+和（OH）-，Ca2+与土体中的离子发生交换作用，使土中胶体吸附层减薄，使土颗粒发生聚结，土的性能得到改善。

离子交换作用是石灰土初期形成强度的主要原因，由于离子的交换作用，使得石灰土Ca2+浓度减少，随着时间的增长，离子交换作用慢慢减缓，因而石灰土灰剂量呈现减少趋势[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 结晶作用

石灰土中的Ca(OH)2由于水分较少，只有少部分离解，还有少部分Ca(OH)2进行化学作用，绝大一部分Ca(OH)2在石灰土中进行结晶，由胶体变为晶体，晶体中的Ca(OH)2与非晶体中的Ca(OH)2相比，溶解度减少量较大。

3.4 火山灰反应

Ca(OH)2与土中的SiO2，Al2O3起化学反应，生成含水的硅酸钙和铝酸钙，使部分石灰失去活性。

4 本次灰剂量试验方法及实验材料

本次实验紧密结合《公路工程无机结合稳定料材料试验规程》（JTG E51-2009）[5]试验方法进行。

4.1 试验方法

本次试验采用EDTA 滴定法，结合本工程以12%灰土为例，对12%灰土进行标定，得到相应的EDTA消耗量（见表2），得出灰剂量的衰减规律。

4.2 试验材料

4.2.1 试验设备

酸式滴定管（50 ml）、大肚移液管（10 ml）、量筒、锥形瓶、烧杯、玻璃搅拌棒、搪瓷杯。

4.2.2 试验试剂

0.1 mol/m3乙纳酸四乙酸二钠（EDTA）标准液、10%氯化铵溶液、1.8%氢氧化钠溶液、钙红指示剂[4]。

4.2.3 试样

土、石灰（测定有限钙镁含量59.7%，符合Ⅲ级石灰要求）。

5 实验过程

5.1 准备绘制标准曲线

5.1.1 取样

从施工现场抽取石灰，风干后过筛，测定其含水量。

混合料组成计算：

计算公式：干料质量=湿料质量/（1+含水量）。

计算步骤：干混合料质量=300 g/（1+最佳含水量）。

干土质量=干混合料质量/（1+石灰剂量）。干石灰质量=干混合料质量- 干土质量。

湿土质量=干土质量×（1+土的风干含水量）。湿石灰质量=干石灰质量×（1+石灰的风干含水量）。

石灰土中应加入的水=300g- 湿土质量- 湿石灰质量。

5.1.2 试样制备

因需测定的灰剂量为12%，所以制备试样的灰剂量为6%、8%、10%、12%、14%、16%。

5.1.3 实验过程、记录数据

取一个盛试样的搪瓷杯加入600 mL10%氯化铵溶液，用钢棒搅拌3 min，放置沉淀4 min，将上部清液移到300 mL 烧杯中，摇匀加盖表面皿待测。

用移液管吸取上层悬浮液10 mL 放入200 mL锥形瓶，用量筒取50 ml1.8%氢氧化钠（内含三乙醇胺）溶液到入锥形瓶中，此时PH 值为12.5～13，然后加入钙红指示剂，用EDTA 二纳标准液滴定到纯蓝色为终点，记录EDTA 二纳的耗量。同样对其他几个试样进行试样，记录各自的EDTA 二纳的消耗量。

5.1.4 根据试验数据绘制标准曲线

见表3、图3。

图3 EDTA 消耗量与石灰剂量标准曲线

表3 石灰土灰剂量标准曲线记录表（EDTA 滴定）

5.1.5 拌和后灰土衰减曲线

本试验从混合料拌和时间开始计算，按0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d 龄期分别不同龄期的灰剂量，确定灰土拌和后7d 的衰减率，见表4～5、图4。

表4 随龄期增长EDTA 消耗量变化

图4 随龄期增长EDTA 消耗量变化曲线

表5 随龄期增长灰剂量衰减速率

5.2 实验结论

灰剂量的衰减与时间关系呈线性关系，在施工过程中，要根据不同的材料要求，做好该关系曲线，作为施工质量控制的依据提前预计衰减率，保证抽检灰剂量满足设计要求。

第二天衰减速率较大，说明在未成型之前，灰土处于松散状态，颗粒间空隙较大，与空气接触良好，CaO 与空气中CO2反应，导致灰剂量急剧下降，因此在施工中，应在最短的时间内做好碾压工作，降低灰剂量衰减速率。

6 结论

石灰土中活性氧化物的衰减是客观存在的，石灰土拌合料要在拌和后尽快碾压成型，如果拌和好以后没能及时摊铺碾压，拖延时间过长，石灰钙化，氧化物衰减后压实石灰土，其灰剂量和强度难以得到保证。

以建湖县高铁综合客运枢纽工程- 站前路为载体，以试验为依据，阐述了石灰剂量随石灰土龄期增长而降低的关系和原因。

依据本研究得出的结论，需制定措施，保证灰剂量满足设计要求。本工程为保证灰剂量采取如下措施。

（1） 结合工程实际情况，先确定EDTA 消耗量-灰剂量标准曲线，然后根据衰减速率、拌和时间进行修正，这样既保证了工程质量，又避免不必要的资源浪费。

（2） 灰剂量随时间延长有一定衰减，故在施工过程中，减少生石灰的放置时间，拌和后的混合料尽可能现拌现用，及时检测验收。

通过上述措施，有效的保证灰剂量满足设计要求。