生石灰粉处理过湿土的掺量计算和强度特性

生石灰粉处理过湿土的掺量计算和强度特性

[文] 李俊

上海市市政工程研究院

［摘要］

本文通过理论和试验分析，对生石灰粉处理后，过湿土的含水量变化进行了分析，得到了含水量变化与石灰剂量、有效钙含量和原状土含水量等之间的相关关系，并据此对过湿土处理的生石灰粉掺量计算进行了分析研究。通过实测，对处理后的土路基强度特性进行了研究分析，建立了上路床处理后的土路基顶面回弹模量与弯沉之间的相互关系，可供设计和施工参考使用。

［关键词］

过湿土生石灰粉含水量

回弹模量

一、概述

随着高等级公路的迅速发展及对土路基强度和稳定性认识的提高，采用石灰处理土路基已十分普遍。石灰处理土是通过在土中掺入石灰（熟石灰或生石灰）来获得土基强度的提高。根据处理的目的不同和石灰掺入量的不同，石灰处理土可分为石灰稳定土和石灰改善土。石灰稳定土是通过掺入足够剂量的石灰，经过土中火山灰物质的凝硬性反应，得到足够的强度，一般用于道路结构的底基层或基层的处理中。

石灰改善土是通过较低的石灰掺量，经过离子交换，引起土的絮凝作用或结构重组，提高土的工作性能和抗剪强度，使土基能在较经济的情况下达到充分压实的目的，并能够承受其上层摊铺时的施工机械作用。对于江南潮湿地区，因其一般地下水位较高，雨水较多，土壤一般呈过湿状态，往往难以达到土基规定的压实要求，对道路路面结构的承载能力和整体稳定性带来不良后果，且不利于垫层或基层的规范施工，采用低剂量的磨细生石灰粉处理能够比较经济而有效地改变这种状况，生石灰粉的掺量一般不取决于土基强度的提高，而取决于施工用土的天然含水量。

二、生石灰粉对过湿土含水量的影响

掺入磨细生石灰粉对过湿土含水量的影响，从以下几个方面反映出来：

1、磨细生石灰粉掺入土中后，直接使土中的干料增加，从而使土中的含水量降低δw1。土中干料的增加量即为掺入土中的生石灰粉的重量pc：

△p1＝pc＝αp0

α--------生石灰粉掺量，α＝pc/ p0 ，％；

p0 --------掺入生石灰粉的过湿土中的干土重，g。

2、生石灰粉掺入过湿土中，其有效氧化钙cao与土中的水分发生化学反应，生成氢氧化钙ca(oh)2，反应式如下：

cao + h2o ----→ca(oh)2+62.80千焦/mol

上述化学反应为放热反应。在反应过程中，生石灰中有效的氧化钙cao将吸收土中的水分为：△w2＝0.32θpc = 0.32θαp0

式中：△w2 ------- 被生石灰吸收的过湿土水分，g；

θ -------- 生石灰中有效钙含量，％；

pc -------- 过湿土中掺入的磨细生石灰粉重，g。

3、生石灰粉中的游离氧化钙cao与水发生化学反应，生成氢氧化钙ca(oh)2，使固体成分增加，从而使含水量降低。固体成分的增加量即为土中水分的减少量，即△p2＝△w2＝0.32θpc=0.32θαp0。

4、石灰土在拌和、闷料过程中水分蒸发引起含水量变化。这种水分蒸发产生于二方面的作用：一是拌和、闷料过程中水分的自然蒸发，就如晾土一样；二是石灰土在化学反应过程中产生大量热量，加速水分蒸发，这种蒸发对过湿土含水量的影响更为重要。

假设自生石灰粉掺入过湿土中拌和至碾压这段时间，水分蒸发量为△w3，引入蒸发系数η，其定义为因掺入生石灰引起的水分蒸发量与生石灰消解水化反应对水分的吸收量之比。则掺入量为α，有效cao含量为θ的生石灰造成土中含水量减少为：

△w3＝η·△w2 (2-1)

△w3＝0.32·η·α·θ·p0 (2-2)

汇总以上四个因素，设湿土中的水分为w0，湿土中的干土重为p0，湿土的原始含水量为w0＝w0/ p0，则按掺量α掺入土中的磨细生石灰粉，引起过湿土的含水量下降，可按下式计算式中：

dw1＝a . w0 (2-4)

可看作由于生石灰粉加入土中使干料增加引起土的含水量降低；

dw2＝0.32 . q . a . (1+w0)=dw2+dw2 (2-5)

可看作由于生石灰粉吸水和ca(oh)2增加引起的土含水量降低；

dw3＝0.32 . h . q . a (2-6)

可看作因生石灰粉消解发热导致土中分蒸发使之含水量降低。

三、蒸发系数的实验室测定分析

从以上含水量变化公式可以看到，生石灰粉掺入土中，因水化放热引起土中水分蒸发，对土的含水量影响是比较大的。为此我们对水分蒸发进行了实验室试验。试验是在气温

22±2℃、湿度60～70％的条件下进行的。试验过程采用了三种生石灰粉掺量（4％、7％、10％），所用生石灰粉的有效钙含量经测定为74％，试验结果如表3-1。

实测结果显示，因为石灰土中水分蒸发，主要与水化放热有关，故石灰土的水分蒸发损失量随石灰掺量的增大而增大，且原状土的含水量大，则蒸发也大，如图3－1所示。

对上述结果进行拟合回归，可得石灰土水分蒸发量δw3的计算模型如下：

dw3＝(71a＋7) w0-4.36a-0.6 （％）(3-1)

利用公式(2-6)，可得蒸发系数

以上两式中，a、q、w0均以小数计

通过计算，我们看到，蒸发系数随原状土的增大而增大，但因蒸发系数是生石灰粉与土发生化学反应引起水分蒸发量与吸水量之比，故蒸发系数反随石灰掺量的增大而减小，尽管蒸发掉的水分是增大的。

以4％石灰（有效钙70％）掺量为例，当原状土含水量为26％左右时，蒸发系数可取η＝2。

此外，水分蒸发需要一个时间过程。试验表明，过湿土中掺加生石灰粉后，其水分蒸发

在最初2～3个小时内最大，约占所测20个小时蒸发量的50％以上，如图3－2。

应该看到，在施工现场，水分蒸发要受到空气、温度、阳光、风力、湿度以及施工现场所处的地理位置等的影响，这些影响又是随时变化的，要准确估计水分蒸发或测算蒸发系数是非常困难或不现实的。通过实验室控制的单一的试验条件，得到的水分蒸发和蒸发系数，可能与施工现场的实际情况有所不同，但它对于我们估算实际的蒸发情况，从而确定所需的石灰掺量，还是具有一定的参考和帮助作用的。

四、含水量变化的计算与实验室验证

上节对因生石灰水化放热反应引起过湿土内水分蒸发进行了实测分析，由此我们可以利用式（2-3）计算含水量的变化，如表4－1，并将计算结果与实验室结果进行了验证，如图4－1～4－5所示。

通过比较可以看到，采用式(2-3)对含水量的变化进行计算与实测结果吻合良好，仅个别不正常点两者所得含水量变化的误差超出1%。由此可见，采用（2－3）计算公式，可有效的计算生石灰粉对过湿土含水量的影响。

五、石灰土的压实特性

众所周知，土的压实特性可以通过葡氏击实曲线来了解，实际施工时，应在最佳含水量附近进行，这样才能使土获得最大的干密度，从而保证土基的强度稳定性。掺加了生石灰的石灰土，其击实曲线与原状土是不一样的。击实曲线在道路工程中分轻型和重型二种，根据本文研究的目的，我们主要对重型击实下的土与石灰土的最佳含水量、最大干密度进行分析比较。图5－1，图5－2代表了实验室对二种较具代表性土壤在不同石灰掺量下的击实曲线。

实验结果证明，土中掺入石灰后，最大干密度降低，而最佳含水量提高；石灰剂量增大，最大干密度降低，最佳含水量提高。

表5－1列举了实验室测得的部分素土和石灰土的最大干密度、最佳含水量。

实测数据显示，与素土相比，对于4％掺量的石灰土，最佳含水量增加约1～2％；对于10％掺量的石灰土，最佳含水量增加约2～3％。

此外，从图5－1和图5－2可以看出，石灰土的击实曲线比素土平坦，即压实含水量的范围比素土更宽。以施工要求95％的压实度作为控制，石灰土的压实含水量上限约可比素土增加1％左右。

综合上述分析，由于最佳含水量及击实曲线宽度的增加，石灰土的施工压实含水量比素土可增加约为：

4％石灰土：约2～3％

10％石灰土：约3～4％

六、生石灰粉处理过湿土的掺量计算

生石灰粉掺入过湿土中后，能降低土的含水量，改变土的压实特性，综合此两方面的作用，可以获得为满足施工压实要求的生石灰粉合理掺量。

首先，将素土的压实含水量提高2～4%（视石灰掺量而定，石灰掺量低取低值，石灰掺量高取高值），作为石灰土的施工压实含水量。然后通过式（2－3）利用下式（6－1），计算所需的生石灰粉掺量。

式中：w0---原过湿土含水量（以小数计）

w1---石灰土的施工压实含水量（以小数计）

θ---生石灰粉中的活性cao含量(以小数计)

η---蒸发系数，可按式3-2计算或从表3-2查取

前表4－1已计算了各种含水量的素土在不同的石灰掺量和有效钙含量情况下的含水量减少值。实际应用中，可根据所购石灰的有效钙含量、原状土含水量及所需含水量减少量反