石灰穩定土石灰劑量衰減的機理和規律

【摘要】：目前，在很多公路工程的建設中，高速公路的路床和路堤都大量使用石灰改良土，來提高穩定性和保持良好的承重能力。本文通過測驗石灰改良土中，石灰的有效成份，探討分析石灰有效成分的衰減機理。通過試驗分析發現，石灰的有效成份會隨著時間的進行而逐漸減少，最后趨近于零。這表明石灰穩定土中石灰劑量會逐漸衰減，通過分析衰減機理和規律來采取相應措施提高高速公路的壽命。

【關鍵詞】：石灰穩定土;石灰劑量;衰減;機理

1.引言

目前，在很多公路工程的建設中，為提高高速公路的穩定性和保持高速公路良好的承重能力，會在高速公路的路床和路堤中大量使用石灰改良土，提高高速公路壽命。設計師在進行設計時，為了滿足質量要求，都會在穩定土中增加一定劑量的石灰。在驗證改良土中摻雜的石灰量是否符合計算要求時，檢驗部門要進行試驗分析來進行檢測。工程竣工到驗收檢測有一定的時間間距，在竣工時符合要求的石灰劑量，由于會隨著時間的推移逐漸衰減，在驗收時很可能達不到設計要求，從而使建筑工人進行返工處理，不僅浪費時間精力和錢財，還耽誤工程的投入使用。通過統計分析和試驗測定來研究石灰劑量的衰減機理和規律，建立EDTA、石灰劑量與時間的函數關系，便于在施工過程中參考，減少不必要的返工處理。

科技的快速發展也使運輸業的發展越來越快，大量的高等級公路不斷被修建，交通越來越便利。但是由于很多土質的承載力不夠，不能滿足路基建筑的要求，而且有很多特種土由于很多原因并不能被用于路基填筑，因此必須進行改良才能提高承載比。現階段，土壤改良的主要方法是進行化學改性，在原土質中摻雜諸如石灰、水泥、NaCl、CaCl2和磷酸等化學物質來穩定土質進行改良。其中，摻雜石灰進行土壤改良是最普遍的方法之一。

根據交通部發布的《規程》規定，測定石灰穩定土中石灰劑量的方法之一是用EDTA二鈉進行滴定，這種方法不受石灰穩定土短齡期的影響。但隨著時間的增長，用這種方法測定的壓實土樣會使測定的石灰劑量比實際含量偏低。試驗的過程中，在試驗用土中摻入一定量的石灰，特定條件下進行攪合，使之充分發生反應。隨著時間的增長，石灰中的Ca0會漸漸生成穩定的鹽，因此采用EDTA法進行試驗測定，EDTA的消耗量會逐漸減少。

2.石灰化學反應機理和影響因素

2.1 穩定土機理

根據陽離子交換作用，在膨脹土中加入石灰后，會首先與土壤中的水分發生作用，反應式如下：

CaO+H2O=Ca（OH）2

MgO+H2O=Mg（OH）2

氧化鈣、氧化鎂與水反應產生的氫氧化鈣和氫氧化鎂由于水解作用會產生很多的鈣離子和鎂離子，這些游離的鈣離子和鎂離子會和吸附在土壤表面的鈉離子和鉀離子發生置換作用，從而使結合水膜變薄，起到改良土壤的作用。

反應產生的氫氧化鈣和氫氧化鎂還會與空氣中的二氧化碳發生反應分別生成碳酸鈣和碳酸鎂：

Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O

Mg（OH）2+CO2=MgCO3+H2O

產物碳酸鈣和碳酸鎂都是難溶于水的固體粉末，在水溶液中，強度和穩定性都比較好。碳酸鈣和碳酸鎂在土壤中發生結晶，形成結晶網架，能夠很好的提高土體強度，降低脹縮性。

2.2影響化學反應的因素

從上述反應式中可以看出，氧化鈣和氧化鎂的反應速率和含量會影響石灰劑量的檢測結果，在一定的條件下，氧化鈣和氧化鎂會生成碳酸鈣和碳酸鎂，但是在干燥的環境中反應很難進行，必須是高溫才能促進反應。因此，常溫下短時間的露天放置生成的碳酸鈣和碳酸鎂的量并不會影響測試結果。但是潮濕的環境下反應卻大不相同，空氣中的水可以催化氧化鈣和氧化鎂反應生成碳酸鈣和碳酸鎂，因此在施工的過程中，需要灑水催化反應的進行。

除了水因素的影響外，溫度也會影響反應的進行。反應的溫度越高，反應進行的越快。因此，高溫會加快板結速度，如果測試不及時會影響測試結果。而且，被壓實的土由于是三相體，只有在合適的三相比例下才能更好地發生反應。因為反應原料所需的CO2是氣相，而壓實操作使得氣體體積減少，反而不利于反應的進行。但是這種壓實由于縮小了離子之間的距離，有利于離子交換和毛細結構的形成，從而形成水路，生成更多的Ca（HCO3）2和Mg（HCO3）2，這樣可以更好地生成CaCO3和MgCO3。

3.石灰劑量衰減試驗

3.1 試驗原理

測定石灰劑量是檢驗石灰土在施工中石灰摻雜數量的準確性。其基本原理是測定其中的有效鈣離子，反應式如下：

Ca2++HY2-=CaY2-+2H+

反應方程式中，Y2-是化學試劑乙二胺四乙酸二鈉中的陰離子。測定方法是采用化學滴定法，先將己知石灰劑量的石灰土進行化學試劑滴定，記錄EDTA耗量，然而根據兩者之間的消耗關系繪制曲線，找出對應的函數關系，在實際滴定中中，根據石灰土中的EDTA的耗量，對應曲線，就能知道石灰劑量，從而達到檢驗目的。通過結果分析可得，隨著時間的增加，石灰土中的石灰劑量都在減少，說明其中的鈣離子和鎂離子都和土壤中的物質發生反應，使土壤中游離態的鈣離子和鎂離子減少，導致摻灰率下降。

3.2 石灰劑量衰減曲線的確定

根據試驗確定的最大干密度和最佳含水率選取穩定土，根據齡期進行EDTA試驗，記錄石灰劑量衰減情況繪制曲線圖，根據標準曲線可以進行分析。結果的分析一般有以下幾種情況：

（1）隨著齡期的增加，石灰土的含量在下降，這是因為石灰土中的鈣離子和土中的礦物質發生反應，使土中游離態的鈣離子減少，因此，用最初的EDTA標準曲線確定的石灰劑量必然下降;

（2）一定范圍內含水率低于塑限，相同劑量的石灰土，含水率越高，EDTA的耗量就越低。這是因為高的含水量會使石灰和礦物質更快的發生反應，減少土中剩余的游離態鈣離子。因此，對于一定齡期的石灰土，含水率越高，反應越明顯。

（3）齡期相同時，EDTA耗量和石灰劑量呈線性關系，而且，如果石灰劑量越高，則衰減越明顯，周期也就越長。

（4）在一定的范圍內，如果改良土含水量大于19%時，反應會更顯著，14天之后，EDTA曲線會發生明顯變化，含水量降低后，變回更加明顯，之后曲線趨于穩定。

4.現場壓實質量控制

路基質量的好壞是通過路基的壓實度體現的，因此和穩定土的最大干密度有關。而最大干密度又與石灰劑量有關，石灰劑量越大，最大干密度越低。為了確保路基穩定土的碾壓度，要進行密度的檢測，常用的方法是灌砂法。先對土樣進行滴定，測定灰劑量，然后選取最大干密度，確定最終的壓實度。因為灰劑量的衰減現象，選用的最大干密度比實際偏高，采用這一指標來反映路基壓實度，結果會偏低，導致不合格。而且，在碾壓過程中，石灰發生作用，如果此時進行壓實，無法保證密實程度，可能導致返工處理。

結論

通過EDTA滴定法進行檢測，是一種非常常用的進行穩定土中石灰劑量的檢測方法，對于石灰土的改良和施工控制非常重要，尤其是對竣工驗收時的質量評價意義重大。通過總結，有以下三條結論：

（1）在穩定土中石灰劑量的檢測中，標準EDTA的消耗量除了與石灰的質量分數有關外，還有初始的含水量有很大的關系。初始含水量越高，標準EDTA的消耗量就越低。這說明石灰的固化和改良，需要在含水的環境下進行。

（2）用EDTA進行快速測定穩定土中石灰劑量時，要注意檢測混合料的均勻性。由于在實際檢測過程中忽略了時間的影響，所以準確性、可靠性較差。

（3）在對石灰土測定時，應該結合施工的實際情祝，首先確定標準曲線，建立相應的關系式，然后根據實際情況進行修正，提高試驗與實際操作的可比性，保證工程質量，減少不必要的返工。

參考文獻：

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