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膨胀土路施工中CMA生态改性剂的运用

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摘要:通过对CMA生态改性剂的改性原理的简单介绍,研究了蒙华铁路膨胀土路堑施工中的应用效果。CMA膨胀土生态改性剂的应用是采用一种化学方式处理膨胀土的施工技术,该技术方法实用且简单,提高了改性施工后的的路堑边坡土体强度和稳定性,起到了边坡绿化美化的功能。本文探讨了CMA生态改性剂应用技术对膨胀土路堑边坡改性以及边坡绿化恢复,通过改性后的膨胀土具有较好的工程效果。

关键词:CMA生态改性剂;膨胀土路堑施工;改性;土体强度;效果检测

引言

膨胀土是颗粒高分散、成分以黏土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性黏土。它是一种吸水膨胀软化,失水收缩干裂的特殊土。其工程特性表现为多裂隙性、超固结性、膨胀性、崩解性、分化特性、强度衰减性等,正是因为膨胀土的胀缩特性、裂隙性、超固结性这三性的共同作用,使得膨胀土的工程性质极差,而常常对铁路工程建设造成巨大的危害。据不完全统计,我国膨胀土地带生活着3亿多人口,仅每年因膨胀土地质灾害造成的经济损失约为1000亿元。处在膨胀土地带的铁路经常会遇到坍塌和滑坡等灾害,而膨胀土的破坏往往伴随不确定性、多次反复性以及存在长期的潜伏期危害性。因此,膨胀土地质问题是许多工程上的重难点和顽疾。蒙华铁路荆门段试验段膨胀土为膨胀潜势中弱膨胀土,对工程危害极大,产生了不可预见性的路堑边坡坍塌、溜塌和土体软化等病害。本文通过简单介绍CMA生态改性剂对膨胀土路堑边坡的改性原理,根据其在蒙华铁路膨胀土路堑边坡以及路基基床的改性施工的应用,研究铁路膨胀土路堑边坡生态绿化恢复和稳定变形所取得的较好的工程效果。

1工程概述

新建铁路蒙西至华中地区铁路煤运通道工程途经荆门市掇刀区、沙洋县,其位于汉江平原下流,含多处中-强膨胀土地段。蒙华铁路湖北指挥部委托中铁工程设计咨询集团有限公司对膨胀土边坡进行CMA生态改性剂改性试验,其由项目部施工。项目部试验段位于湖北省荆门市麻城镇境内,沿线分布有砂岩,含钙质结核及灰白色高岭土,滑感较强,裂隙较发育,大都具有膨胀性,属于膨胀潜势中弱膨胀土,施工范围为蒙华铁路正线里程DK1188+460~DK1189+560和DK1188+670~DK1189+600段,对路堑边坡、堑顶外侧2m以内、挡土墙临时开挖边坡及基床换填底面喷洒CMA膨胀土生态改性剂。试验段全长里程约为2030m,路堑边坡坡率为1:1.5,改性施工面积为52964m2。

2膨胀土生态改性剂的改性原理

①CMA(ChangingtheMontmoriuonite'sAbsorbent)膨胀土生态改性剂是通过加工形成的一种复合有机化学浓缩液产品,其颜色表现为红棕色和黄棕色,外观属性为粘稠状液体,主要成分包括各种具活性的金属氧化物和具活性的非金属氧化物以及成核材料。铁路现场改性施工时,需根据实际地质情况按一定的比例掺入水、生石灰粉并按水+浓缩液+生石灰的顺序充分搅拌组成。路堑边坡拱形截水骨架内及路堑顶土体经CMA生态改性剂改性后的花草和灌木长势茂盛,给人一种清新自然的感觉,具有绿化美化环境、防眩吸噪的功能,对水土起到保持的效果,属于绿色环保产品。②膨胀土生态改性剂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。膨胀土生态改性剂与其它的胶合材料有明显的不同,其自身与土颗粒之间并不结合,而且具有再生功能,它与膨胀土作用时其总量并没有减少,其功效并不会随着时间的推移而逐渐减弱,相反,只要膨胀土中有水分,它的功效就会延续下去,这种作用是永久的不可逆的,且具有比石灰土更稳固更持久的效果。反应式如下:③膨胀土生态改性剂作用过程大致为当膨胀土生态改性剂喷洒在路堑边坡土体表面上,通过渗透达到一定深度后将其改性,还可以随着土体本身含水量经土体毛细孔隙到达一定深度。膨胀土生态改性剂能溶于水,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。

3膨胀土改性剂改性施工方法及其工艺

3.1施工程序现场调查及收集相关资料→CMA生态改性剂改性膨胀土室内模拟试验→现场施工准备→现场配制改性剂溶液→喷洒改性溶液(三次)→改性效果检测。3.2CMA生态改性剂改性膨胀土室内模拟试验①根据铁路试验段路堑边坡及路基基床膨胀土矿物成分和化学成分,通过现场试验选择适合该路堑边坡土体的最佳配合比,生产出适合该试验段膨胀土的生态改性剂,保证铁路路基工程的安全和质量。②项目部委托武汉中科大地岩土化学研究所对室内CMA生态改性剂改性膨胀土模拟试验研究。施工前期通过对施工现场的调查取证,听取荆门当地人对膨胀土变化规律的描述,现场观察路堑边坡的地形地貌,联系当地气象局掌握雨水的渗透深度、大气风化作用层的影响深度等与气候条件的相关资料。在试验段路堑开挖完成后,用专用塑料袋分类保存现场提取土壤样本。③通过现场收集的相关数据和路堑各段提取的土壤样本开始进行室内原状土体力学试验和模拟改性试验。通过测定原状土体和模拟改性土体的自由膨胀率、颗粒级配等指标,对其试验结果进行比对分析,确定适合该试验段的膨胀土生态改性剂溶液的最佳配合比为:改性剂浓缩液:水:生石灰=(1:100:5),每平米土体的喷洒量为20kg,总的喷洒次数为3次,由此可判断出现场施工按此最佳配合比改性后的土样能达到非膨胀土的标准。

3.3施工人员及材料设备①项目部负责施工工作管理。施工过程中由生态改性剂厂家委派丰富的膨胀土改性施工经验的专家参与指导,联系设计院人员随时现场跟进,项目部技术员和施工作业人员均经过培训上岗。②膨胀土生态改性剂符合规范《膨胀土生态改性剂》(Q/WZC01-2016)的安全质量要求。③选用的石灰需经水熟化的熟石灰粉,其质量符合规范Ⅰ级标准,其活性(CaO+MgO)含量不低于70%。④配制膨胀土生态改性剂水溶液用水符合下列要求:1)目测水质颜色正常,色度符合要求,没有呈现其它不正常颜色。2)用水清澈无浑浊。3)肉眼目测无垃圾、树根等悬浮物。4)闻起来不得有异味、臭味等。⑤现场临时供电、供水设备配备满足需要即可。自制6个容积不小于1立方米的铁皮桶、量取改性剂的量桶和施工配料牌,铁皮桶和量桶上标明容量。现场施工配料区配备电子台秤,在醒目位置插上施工配料牌。⑥施工现场准备载重量为10吨的水车一辆,车辆证件齐全。就地在水车上安装调试由武汉中财科技有限公司自行设计的水箱式慢洒型CH-200-5喷洒机。

3.4施工准备以及改性剂溶液配制①路堑边坡拱形截水骨架、堑顶外侧2m以内、挡土墙临时开挖边坡及基床换填底面按图纸要求完成施工并验收,改性后禁止人员和施工机械进入现场扰动土体,影响改性效果。②改性施工前组织试验人员检查路堑边坡土体的干湿程度,必须保证土体表面无明显的水分,要求土体干燥无污染,选择在好天气施工,避开雨季。③CMA膨胀土生态改性剂溶液配制。水溶液配合比包含改性剂浓缩液、水、生石灰(1:100:5),根据要求,先把一定量水加入量桶中,随后将浓缩液加入水中,最后加入一定量的生石灰搅拌均匀。配制过程中严格按照上述的顺序充分搅拌。

3.5CMA膨胀土生态改性剂现场喷洒施工①将已配置好的膨胀土生态改性剂溶液人工装入水箱式慢洒型CH-200-5专用改性喷洒机,采用机械均匀喷洒在路堑边坡和基床底面表面上。在一般情况下膨胀土生态改性剂溶液喷洒总次数为3次,在单位面积没,第1次喷洒量为9kg、第2次喷洒量为6kg、第3次喷洒量为5kg。②膨胀土生态改性剂采用控制总量的方式施工,即膨胀土生态改性剂溶液总喷洒量要大于等于20kg/m2、改性剂浓缩液用量不得小于0.2kg/m2,小于0.2kg/m2部位则要进行补喷处理。

3.6质量控制改性施工的质量控制主要三个方面,一是确保路堑边坡及路基基床土体的干燥,施工时应控制在用机械均匀喷洒在土体表面上不流淌而是直接被土体吸收为标准。二是改性液从路堑边坡一侧往另一侧的喷洒顺序喷洒均匀,喷洒速度适中,不宜过快,保证不留死角。三是路堑堑顶2米范围外适当距离包边喷洒以利于保护边坡更稳定,减少边坡坍塌的风险。

3.7基床质量检测路基基床底面换填完成后及时进行膨胀土生态改性剂喷洒施工。先是用压路机碾压修整,随后进行地基试验检测,检测结果见表1所示。

3.8施工注意事项①边坡改性施工应在路堑开挖完成后且满足一般性黏土边坡防护设计要求。路堑边坡坡堑顶上天沟、拱形截水骨架护坡及客土、护坡坡底的重力式挡土墙、路基基床侧沟等防护措施全部施工完成。②需要改性的路堑防护边坡、路基基床换填底面应保持原状土且不得超挖扰动,如出现超挖扰动情况或出现裂缝,应将超挖部分或裂隙按6%石灰土换填夯实。③改性剂施工应选在晴天进行,土体要保持干燥。

4膨胀土生态改性剂改性施工技术总结

4.1膨胀土路堑及路基基床通过改性处理后的实施效果路堑膨胀土经CMA生态改性剂改性完成后,项目部技术人员进入施工现场查看和验收实施效果。根据现场目测,土体颜色呈现暗黑色、土体表面平整,路基基床、路堑边坡整体稳定,边坡没有出现滑塌和裂纹的现象。

4.2CMA膨胀土生态改性剂效果检测路堑边坡和基床换填底面膨胀土经改性完成后,土体稳定,水稳性好。通过设计院现场指导和检查检测标准后,项目部再次委托外部检测中心机构分别在边坡两侧和基床底面各采取一组土样,采样采用垂直下挖的方式进行,为了反映不同深度的改性效果,每组采样的深度为0~30cm、30~60cm、60~100cm三个土样进行检测。试验技术方法按照规范(GB/T50123-1999)《土工试验方法标准》和(TB10102-2010)《铁路工程土工试验规程》里要求进行检测试验,试验成果见表2~表4。

4.3CMA膨胀土生态改性剂效果分析①根据现场目测和试验成果数据指标综合分析,经CMA生态改性剂改性施工范围深度内0~100cm的土体经改性处理后,液塑性出现了较大的变化,液限为原状土的62~76%,塑限增大,塑限指数为原状土的48~72%。可见土体经改性作用后其亲水性减弱明显,膨胀土变成非膨胀土。②三组原状土的自由膨胀率分别为72%、62%、65%,属于中弱膨胀土。可见土体经改性作用后,其自由膨胀率均降到39%(含)以下,基本上没有了膨胀土的胀缩特性。③改性后土体强度和水稳定性等指标有了极大的提高,拱形截水骨架边坡稳定,未见明显裂痕。④改性后的边坡拱形截水骨架内草灌长势茂盛,生长良好,更进一步说明改性后的土体能种植花草灌木,达到生态恢复效果。

4.4CMA膨胀土生态改性剂产品优点①良好的改性效果。通过改性后的路堑边坡土体自由膨胀率均在39%(含)以下,路基压实质量符合设计要求,将膨胀土变成非膨胀土。②经济适用。路堑边坡及路基基床可以自由配制溶液,适合铁路路堑边坡膨胀土的改性处理,改性后的边坡,按设计1:1.5的坡率施工,避免弃土用地的征迁,减少开挖方量,节约成本。③绿色环保。CMA生态改性剂pH值在6~7之间,无毒、不易燃易爆、无腐蚀、无污染,属于绿色环保产品。④保护生态环境。路堑边坡改性土体花草和灌木长势茂盛,具有绿化美化环境的功能,能较好协调铁路路堑边坡两侧环境,满足水土保持要求。⑤施工简单。CMA生态改性剂施工简单快速,工期短,进度快,不需要特殊的设备和人员。CMA施工的同时可以施工路基主体和路基附属工程,工序互不交叉,不占用铁路正线施工工期。

5结束语

通过CMA生态改性剂在蒙华铁路膨胀土路堑施工中的应用实践,在路堑边坡、堑顶外侧2m以内、挡土墙临时开挖边坡及基床换填底面1.0m深度范围内的路基及路堑边坡土体,经过CMA生态改性剂改性以后,将铁路路堑膨胀土直接改性为非膨胀土。改性后的路基及路堑边坡土体已经没有了之前膨胀土的胀缩特性,土体的强度和水稳定性等指标有了极大的提高,拱形截水骨架边坡和路基基床稳定,未见滑坡和裂纹,路堑边坡土体能种植花草和灌木且长势茂盛,具有绿化美化环境的功能,且施工简单方便,节约成本。实践研究证明,通过改性后的膨胀土具有较好的工程效果,具有良好的实用性、经济性、环保性,在铁路路基施工方面值得推广与应用。

参考文献:

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[8]TB10001-2016,铁路路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2017.

作者:罗瑞鹏 郑小东 单位:中交路桥北方工程有限公司

膨胀剂与膨胀混凝土杂志责任编辑:张雨    阅读:人次