固化剂JNS-1固化粉煤灰在台背回填中的应用研究

2010-07-27沈正，董祥，宗兰

铁道建筑 2010年8期

沈正，董祥，宗兰

(南京工程学院建筑工程学院，南京 211167)

在公路与城市道路工程中，桥头跳车问题一直是一个未得到完全解决的难题[1-3]。台背填土与桥梁结构的沉降不均是导致桥头跳车的主要原因。受施工条件限制，台背处填土压实质量很难保证，在自重作用下易发生固结变形，回填土下的地基也因回填土重的持续作用而发生沉降。因此，导致了台背后不均匀沉降而引发桥头跳车现象。

如何减小台背填土的变形与地基的沉降是解决桥头跳车的关键[4-8]。我国粉煤灰资源较为丰富，而且质量轻，用粉煤灰回填台背可大大降低路堤下地基的附加荷载，有利于减少地基沉降及路堤对桥台的侧压力。但由于粉煤灰存在着强度不稳定、桥头施工不易压实的弱点，限制了粉煤灰在桥头台背回填的应用。将粉煤灰添加一定剂量的固化剂，经压实后，通过其对粉煤灰产生的物理化学作用，使粉煤灰具有较高的强度与整体性，从而也提高了其水稳定性。本文对固化剂JNS-1固化粉煤灰在台背回填中的应用进行了大量的室内试验研究，最后通过工程实例对其应用效果进行了分析。

1 原材料的性质

试验用固化剂JNS-1为镇江市三新建设科技生产的粉煤灰固化剂，它是一种粉煤灰增强胶结材料。由增强剂、I级粉煤灰、MFA激发剂等材料组成，经过球磨工艺深加工，充分激发其活性的材料。固化剂的主要技术指标见表1，粉煤灰的基本性质见表2。从表2可以看出，试验所用粉煤灰活性较高，属于低钙粉煤灰。

表1 固化剂JNS-1化学成分分析 %

表2 粉煤灰的基本性质 %

2 JNS-1固化粉煤灰工程性质

2.1 击实特性

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[9]中有关规定进行了重型击实标准试验，以确定混合料的最大干密度和最佳含水量，结果见表3。

由表3可见，JNS-1固化粉煤灰最大干密度不到1.22 g/cm3，而黏土、砂土最大干密度大约为 1.6～1.8 g/cm3，砾石土为1.9 g/cm3左右。可见JNS-1固化粉煤灰的最大干密度约为同等密实度砂土、黏性土的2/3，即用粉煤灰混合料填筑路堤比一般素土路堤使地基产生的附加应力小1/3左右，地基沉降当相应减小。

2.2 强度特性

根据表3试验结果，按95%压实度制备试件，成型后放置养生室常温湿气养生至7 d、14 d、28 d，测试其无侧限抗压强度，结果列于图1。由图1可见，在粉煤灰中掺入6% ～12%固化剂，28 d强度都在1.0 MPa以上，已基本硬化，不会发生固结收缩。因此无需像填土那样要有足够长的时间完成自身的再固结，能承受自身荷载和上部汽车荷载的作用。

表3 重型击实试验结果

图1 JNS-1固化粉煤灰抗压强度

2.3 水稳性

由于雨水可能沿桥台伸缩缝处渗入台背路堤，造成台背路堤冲刷破坏。因此，作为台背回填料，必须对其水稳性进行检验。水稳性以水稳系数表示，水稳系数=饱水抗压强度/不浸水抗压强度。各龄期水稳系数试验结果见图2。

由图2中可知，JNS-1固化粉煤灰的水稳性都比较好，这是因为JNS-1固化粉煤灰复合材料属水硬性材料，这表明在过湿条件下，用固化粉煤灰回填台背路堤，具有十分优良的水稳性。

2.4 抗冻性

图2 各龄期水稳系数试验结果

由于地下水随水位上升或毛细作用上升渗入台背路堤，以及雨水可能沿桥台伸缩缝处渗入台背路堤，在自然条件下产生的冻融循环反复作用会使台背回填材料强度逐渐降低。并会产生薄弱面，甚至在薄弱面产生开裂等破坏。因此，作为台背回填料，必须对其抗冻性进行检验。抗冻性能试验方法参照混凝土抗冻性能试验[10]。试件养生期为28 d，循环时在－10℃ ±1℃的冰箱冻4 h后，将试件取出置入恒温室内融化，融化温度为(20±2)℃，融化时间为12 h，待完全融化后再次安装试样进行冻结，重复进行上述试验操作，本试验冻融循环次数为20次。JNS-1固化粉煤灰复合材料抗冻性能试验结果见图3。

图3 JNS-1固化粉煤灰冻融循环试验结果

由图3可知，随着固化剂含量的增加，JNS-1固化粉煤灰强度损失逐步降低，抗冻性能逐步增强。观察试验过程中试件的变化情况，经过20次冻融循环试验后，固化剂掺量6%以上试件状态较完好，只有个别试件柱身表面出现不明显横向裂纹。进行第2次饱水后，试件的外表面及边缘脱落现象也很轻微。固化剂掺量6%以上试件强度损失 <13%，冻稳定系数>87%，抗冻效果十分明显。因此宜采用较高剂量JNS-1固化剂的固化粉煤灰作为台背回填材料。

2.5 不同压实度下的强度特性

该项目研究目的在于，了解粉煤灰混合料在较低压实度下的强度特点，以判定是否满足技术要求，进而提出合理的压实度标准或者混合料配比。试验结果见图4。

图4 不同压实度下JNS-1固化粉煤灰抗压强度

由图4可以看出，JNS-1固化粉煤灰的强度随压实度增大而显著提高。由于越靠近结构物，受施工条件限制，压实越困难，因此宜采用高剂量JNS-1固化剂的固化粉煤灰材料。

2.6 压实特性

台背回填由于受施工条件或工艺顺序的限制，桥头部位的压实度往往达不到要求。为证实JNS-1固化粉煤灰材料的压实特性，研究中采用1.5 kW平板振动器以及蛙夯对JNS-1固化粉煤灰的压实性进行了检测。试验结果列于表4。

表4 JNS-1固化粉煤灰的压实特性试验 %

由试验结果可以看出，JNS-1固化粉煤灰随振动时间增加而逐渐趋于密实。受压实设备功能的影响，当压实度达到92%～95%左右时，继续振动对压实度提高已不显著。进而说明，在小型压实设备作用2 min后，JNS-1固化粉煤灰混合料93%的压实度也是容易达到的。因此，结合表4提出用于台背回填的二灰压实度不宜低于93%。

2.7 无侧限抗压回弹模量

根据 JNS-1固化粉煤灰压实特性试验，分别按90%、93%和95%成型10 cm×10 cm固化粉煤灰抗压回弹模量试件，试验方法为规范(JTG E51—2009)中的顶面法。养生时间为28 d，试验结果见图5。

图5 不同压实度下JNS-1固化粉煤灰28 d抗压回弹模量

由图5可知，固化粉煤灰的回弹模量远大于砂土、黏土和砂砾土的回弹模量。具有较好的板体性和荷载扩散能力，避免地基在路堤填土荷载作用下发生不均匀沉降。另外，试验结果还表明固化粉煤灰的回弹模量及其水稳性随压实度增大而显著提高，在试验范围内略呈直线相关。

同时由图5可以看出，掺9% ～12%的JNS-1固化剂的粉煤灰混合料在90%压实度时，28 d强度达到1.29 MPa以上，模量达209 MPa以上;93%压实度时，28 d强度可达到1.54 MPa，模量达255 MPa以上。由此可见，掺9% ～12%JNS-1固化剂的粉煤灰混合料完全能满足承载能力的要求。

3 工程应用

JNS-1固化粉煤灰工程施工类似于灰土施工，其工艺简单，工作量不大时可采用混凝土搅拌机进行拌合，工作量较大时可采用搅拌台集中搅拌。拌合均匀后，根据工程施工要求进行分层铺摊压实，在靠近台背及耳墙处的死角，可采用小型平板振动器或蛙夯振压、成型、养护。本文通过一个工程实例，对JNS-1固化粉煤灰混合料在台背回填中的应用效果进行分析。

1)工程概况镇江市长江路二期工程——平政桥桥头台背回填。该工程共有五部分组成，分别标为1#、2#、3#、4#、5#承台。工程总方量约为5 500 m3。工程设计强度为F7d≥0.4 MPa。施工配合比如下:固化剂∶粉煤灰 =9∶100。

2)施工工艺 ①施工准备:施工前将作业面的淤泥、松散土、杂物全部清除，另外坑边缘松散土及杂物也一并清除，以防在施工中，松散土和杂物混入粉煤灰影响质量。②混合料搅拌:现场用强制式搅拌机拌合。根据配合比计算出每盘料的原材料，按照粉煤灰—固化剂—加水—粉煤灰的顺序进行。上料完毕后搅拌时间在60 s以上，以保证各种材料拌合均匀，颜色一致。③现场压实:现场压实同灰土压实方法。④养护:压实或振动成型后的JNS-1固化粉煤灰混合料，应在潮湿状态下养生。养生期长短应根据环境温度来确定，当环境温度在5℃ ～20℃时，养生期不得少于7 d;当环境温度在20℃以上时，每天应洒水不得少于2次且养生期不得少于3 d。

图6是从承台试压报告中任意抽取一组的实测结果，表5为弯沉和沉降实测值。