水泥稳定土底基层的反应机理及应用

水泥稳定土底基层的反应机理及应用

【摘要】 通过对4%石灰+8%水泥稳定土底基层的稳定材料（水泥、石灰）稳定作用的化学反应进行机理分析，阐述4%石灰+8%水泥稳定土底基层在江苏省宿迁地区的应用

【关键词】 水泥稳定土底基层，反应机理 ， 应用

【 abstract 】 through to the 4% lime + 8% cement stabilized soil subbase stable material (cement, lime) stability of the role of a chemical reaction mechanism analysis, 4% lime + 8% cement stabilized soil in jiangsu suqian subbase areas of the application

【 key words 】 cement stabilized soil subbase, reaction mechanism, application

一、前言

近几年，江苏省宿迁地区相继开工了多个一级公路项目。底基层作为一个重要的承重结构层次，对强度有着较高的要求。如何选择一个好的结构形式，能在宿迁地区较为广泛的应用，且施工方便，成本较低，一直是设计部门和建设单位关心的问题。通过几年的实践和研究，4%石灰+8%水泥稳定土以其强度高，能够应用在各种土质，成型好，施工较为方便等特点被广泛应用。如S250线宿邳一级公路、宿迁南二环扩建工程、S325省道泗阳至淮安交界段工程等一级公路工程均采用了4%石灰+8%水泥稳定土底基层的结构形式。在宿迁地区12%石灰土、8%水泥土、石灰和粉煤灰稳定土，石灰、粉煤灰和水泥稳定土底基层等也偶有使用，但使用范围相对不广，采用较少。水泥、石灰、粉煤灰等稳定材料添加到土中以后，会发生各种各样的反应，从而起到稳定作用。本文主要介绍4%石灰+8%水泥稳定土底基层的反应机理及在宿迁地区的应用。

二、4%石灰+8%水泥稳定土反应机理

（一）水泥的重要成分是硅酸三钙（3Cao.Sio2）、硅酸四钙（4Cao.Sio2）、铝酸三钙（3Cao.Al203）和铁铝酸四钙（4Cao.Al2o3.Fe2o3）,如水拌和后发生强

烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙，并形成其它水化物，反应过程如下：

1.(3CaO.SiO2)+6H2O→3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2 (1-1)

2.(2CaO.SiO2)+4H2O→3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)2 (1-2)

3.CaO.Al2O3+6H2O→3CaO.Al2O3.6H2O(1-3)

4.CaO.Al2O3.Fe2O3+ Ca(OH)2+10 H2O

→CaO.Al2O3. 6H2O+3CaO. Fe2O3. 6H2O (1-4)

5.3CaSO4+ 3CaO .Al2O3+12 H2O

→3CaO .Al2O3. 3CaSO4. 12 H2O (1-5)

从上述反应可以看到，水泥加入水时，主要的不化产物是碱性的硅酸钙、铝酸钙和消石灰，前者是主要的胶结物。水泥稳定土，化学结合包括水泥和土颗粒和颗粒表面的化学作用的机会也增加。与此同时，水化过程中产生的Ca(OH)2，通过离子交换作用和与硅土（铝土）反应生成含水硅酸钙（铝酸钙）而起到辅助作用，土中有较少的粘粒成分时，这种辅助作用才明显。因而，土中适当的粘粒成分将有利于水泥发挥稳定作用。

（二）石灰主要成分CaO，使用前需进行消解，主要成分变化为Ca(OH)2与土中活性硅、铝物质之间的化学反应。

RO+H2→OR（OH）2 （2-1）

RO+H2O+CO→RCO3+H2O（2-2）

R（OH）2 + CO→RCO3-H2O（2-3）

R（0H）2+SIO2+ H2O → RO•SIO2•2H 2O（2-4）

（式中R=Ca2+或Mg2+或两者的综合）

石灰与土的离子交换作用、絮凝团聚作用，加上石灰本身的剥离、结晶和碳化作用，使稳定土在结构上发生了明显的变化，土颗粒“丛生”在一起，成为颗粒较大的“聚集体”，稳定土的密度也随之发生了变化。

稳定土中的石灰，增强了混合料的碱性，促进了水泥的水化作用，有利于碱

性硅酸钙、铝酸钙的生成，使水泥能够更好的发挥稳定效果。

三、4%石灰+8%水泥稳定土在宿迁地区的应用

宿迁地区位于江苏北部，土质情况复杂，大部分地区属于河湖冲击沉积平原地貌，土质较为复杂，宿城、宿豫及沭阳县部分地区以低液限粘土、低液限粉土为主，泗洪及沭阳县部分地区粘土为主。

对于粘性土，采用12%石灰、水泥石灰综合稳定土，石灰、粉煤灰及水泥稳定土效果均很好，强度也能满足要求。

而对于低液限粉土，土中粘性颗粒很少，土颗粒以粉粒为主，并含有少量粒径小于2mm的砂粒，这样的土，比表面积比较大。如果单独采用水泥稳定，水泥水化后的胶结物不可能像混凝土那样，包裹在土粒周围，成很好的连接，又因为粘粒成分很少，水化生成的Ca(OH)2的辅助作用很微弱，稳定效果较差；如果单独采用石灰稳定，石灰与被稳定材料中的土发生各种反应，产生稳定作用主要依赖于土中的粘土颗粒，对于粉粒和砂粒，效果很小。低液限粉土的粘粉含量很少，塑性指数接近较小，石灰对其作用微乎其微，因而单独采用石灰或水泥稳定效果均不象稳定粘性土那样明显。而采用4%石灰+8%水泥稳定土由于水泥和石灰的相互辅助作用，能起到较好的使用效果。

以S250线宿邳一级公路为例，该路线位于宿迁地区东南方向，是宿迁与邳州市连接的重要通道，起于邳州市新河镇，通过黄墩湖泻洪区，止于宿迁市通湖大道交叉口。沿线地形起伏不大，地貌属于黄淮冲积平原上的废黄河高漫滩、堤外滩地及湖积洼地。地层岩性主要为亚砂土（低液限粉土）、亚粘土（低液限粘土）。通过一系列液塑限及强度试验，试验结果如下：

取土坑

序号 液限WL 塑限WP 塑性指数IP 结论 最大干密度(g/cm3) 最佳含水量(%) 无侧限抗

从上表中结果来看，4%石灰+8%水泥稳定土能较好的对亚砂土（低液限粉土）、亚粘土（低液限粘土）起到稳定作用，强度满足规范要求，从现场实际施工效果看，碾压密实，成型较好，施工程序不复杂，易于施工。

四、影响4%石灰+8%水泥稳定土强度的各种因素

4%石灰+8%水泥稳定土中石灰用量较少，与土颗粒反应，形成强度较小，该稳定土强度主要水泥与土颗粒反应产生的强度，本文以水泥为主分析，影响4%石灰+8%水泥稳定土强度的各种因素。

无侧限抗压强度与水泥及土体本身的性质、水泥掺入量、外加剂有关。工程一般采用32.5普通硅酸盐水泥和矿渣水泥。无侧限抗压强度随水泥掺入量的增加而增加，随龄期的增长而增长。其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑性体之间。在受力开始阶段，应力～应变关系基本上符合虎克定律。当外力达到极限强度的70％～80％时，其应力～应变关系不在继续保持线性关系。当外力达到极限强度且强度较高时出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此时的轴向应变一般在0.8％～1.2％，而强度较小时则表现为塑性破坏。

（一）影响该稳定土无侧限抗压强度qu的主要因素有：

1.掺入比aw

水泥土强度随水泥掺合量的增加而增大。试验表明，水泥土掺入比aw小于5％时，固化反应较弱。水泥土的强度增长率在不同的掺入量区域、不同的龄期时段内是不相同的，若原状土不同，则水泥土的强度增长率也不同。

2.龄期T

水泥土无侧限抗此强度qu随龄期的增长而增大，其增长规律不同于混凝土。通过一系列的试验研究，龄期28天后强度仍有较大的增长。

不同龄期无侧限抗压强度qu值之间大致关系如下：

qu7≈（0.3～0.55）qu90

qu30≈（0.6～0.85）qu90

式中qu7—龄期T=7d无侧限抗压强度值；

qu30—龄期T=30d无侧限抗压强度值；

qu90—龄期T=90d无侧限抗压强度值；

3.水泥标号

水泥土的强度随水泥标号的提高而增长。在掺入比aw相同的条件下，水泥标号每提高一个标号，水泥土无侧限抗压强度约增大20％～30％。水泥种类对水泥土的强度也有影响。

4.含水量

在掺入比aw相同的条件下，水泥土无侧限抗压强度随含水量的降低而增大。

5.土中有机质含量

原状土中的有机质会阻碍水泥的水化反应，有机质含量的增高将会明显地降低水泥土的强度。

除此而外，其他影响因素还有PH值、温度、养护方式等。

（二）通过室内试验和实际工程的应用，采用石灰和水泥对土体进行改良取得了良好的效果。但4%石灰+8%水泥稳定土也存在着一定的不足之处，主要表现在：

1.固化土体受土壤类别限制由于水泥对塑性指数高的粘土、裂土、有机土及盐渍土固化效果很不理想，甚至没有固化作用。

2.干缩较大、易开裂在《公路路面基层施工技术规范》中提到，水泥土的干缩系数和温缩系数均较大，如果洒水不及时，暴露的稳定土易于干缩和冷缩产生裂缝，此类裂缝的出现，导致固化体的抗压强度、抗渗、抗冻、抗冲刷性能降低。

3.水泥初终凝时间无法调整，造成施工难度较大，甚至影响工程质量。

五、结束语：

通过以上的化学反应机理分析，虽然4%石灰+8%水泥稳定土在使用过程中有一定的局限性，但针对宿迁地区的整体土质情况，在大部分地区均可以采用，从已经交工验收的宿迁市南二环扩建工程、S325省道泗阳至淮安交界段工程等一级公路的施工情况来看，整体施工较为方便，强度均能达到规范要求，通车运行后整体路基稳定，使用效果较佳。但各地由于土质情况不同，应因地制宜，不能千篇一律，也不能生搬硬套，要根据各地不同的土质情况，相应的采取稳定措施，已确保底基层的强度等指标满足规范要求。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。