探讨研究得克萨斯州筑路工程中因土壤中硫酸盐引起路面隆起的问题

摘 要

本文集中探讨研究了在一项新的建设工程中路面隆起的原因、可能的解决办法和以后 的预防措施。我们思考工程东边的路面隆起是由于石灰稳定层和土壤中无机物之间的一种 反作用力所引起的。由于土壤化学的不同，工程(现仍在建筑中)西边没有出现路面隆起的 痕迹。对此现象我们开始进行探讨研究，以检验我们对此现象的假设。

从研究的发现中得出结论:道路东边路面隆起的原因是与膨胀的无机物钙矾石的形成 有关。而且钙矾石(膨胀无机物)的形成是由于石灰稳定层与道路东边的硫酸盐含量高的土 壤的接合处的反作用力之故。实验室试验没有发现在道路东边硫酸盐含量高的土壤中有任 何有效的稳定层。因此重建要用选择的材料来除掉和更换已处理的路面层，这种选择的材 料只有少于2000ppm的硫酸盐的含量。试验结果表明:硫酸盐对道路西边的隆起不存在威胁。 得克萨斯州施工区已进行了现场导电性试验，以评估和监测在其余工程中硫酸盐含量的浓 度。在道路西边的路面上，先进行3%的处理，然后就是72小时的软化期，最后再进行 3%的石灰处理。整个施工工程两年内完成，此后便没有看到路面出现隆起现象。

关键词

硫酸盐 隆起 石灰 稳定 石膏 导电性 钙矾石

引言

近来，得克萨斯运输部已看到新建的工程中已出现了路面的隆起现象，这种隆起现象开始出现于 2001年2月份，在道路上这种隆起已延伸了8.8英里，这项新建工程总成本约为1270万美元。路面设 计要求在300毫米软基层和200毫米的石灰处理过的路基的顶部上覆盖50毫米的沥青混凝土。道路 东边约1.5英里路段已经完工并验收了。在工程东边有4处开始隆起后，得克萨斯施工区已对隆起处 进行了修理。图1示出了一个隆起处。工程西边的路段仍在施工建设中，这个路段还没有出现任何隆起问题。在工程那边仍然采用石灰处理，因为隆起 机理是不确定的，而任何现场变化的程度将导致较高的施工成本。既然在东边路段上已经隆起，那么施工区要知道对其余工程应采取最佳的选择方案。当最近完工的经石灰处理的道路上出现隆起现象 时，应立即仔细检查隆起的问题。在美国69号公路的东西侧上的土壤中已观察到隆起现象中不同情况 的某些线索。在工程两侧的大多数土壤呈现棕黄色。东道路东边有些地点有发亮的少许石膏痕迹， 而在道路西边的有些地点呈现着较暗色的土壤。对此问题，早在2002年2月份开始了探讨性的研究工 作，在2002年2月份和3月份进行了两次现场调查研究。在本文中提出了观察结果和发现。请注意过 去的两年，得克萨斯运输部已碰到了与充满硫酸盐的路基土壤的稳定性有关的路面隆起问题。既用石 灰又用水泥稳固的少数工程已出现了隆起迹象。图2示出了得克萨斯州道路因硫酸盐引起路面隆起的 少数例子，有时，这种隆起可能高于1。

图1 工程向东边上的隆起区

图2 得克萨斯州过去与硫酸盐隆起有关的道路损坏实况

探讨性研究的目的

这种探讨性研究的目的如下:

● 确定工程东边隆起的原因;

● 确定应做好什么工作，才能防止再次隆起现象的发生;

● 评价整个筑路工程，并且确定应预先考虑将来会发生什么问题;

● 为得克萨斯地区道路建设，推荐可能好的解决路面隆起的办法。

早期测试高硫酸盐浓度，并发现了钙矾石

在2002年2月13日和14日访问了道路施工现场，以收集实验室试验的试样。在过去的几年中，得克萨斯州达拉斯地区的美国67号公路和美国635 号州际公路已经经历了类似的隆起问题。美国67号公路和美国635号州际公路的路基土是夷格尔·福 特(Eagle Ford)地层风化的结果。令人感兴趣的是，这个工程的路基土也属于夷格尔·福特地层的土。 当道路施工中加入石灰和水时，这种夷格尔·福特地层所含硫酸盐浓度足以引起路面的隆起问题。

方法

在工程东边沿着隆起区域开出一条沟，允许探讨研究工作以收集石灰处理过路基的试样和未处理 过的原始路基的试样(如图3中所示)。在未处理的原始路基的试样是取自200mm石灰处理过的路基 之下。得克萨斯运输研究所测试的这些试样，以确定是否隆起与硫酸盐有关。而且，进行这些试验以 确定未起反应的硫酸盐的量能引起路面进一步的损坏。在此位置上发现了发光的石膏晶体，如图4中 所示。这些发光的石膏晶体就是在土壤中硫酸盐的一种好的显示物。

图3 目测开沟和收集试样



图4 选自测位E-1上的各个石膏晶体

(参见图5中测位E-1)

假如能接近探讨研究工作队的话，便可从正在建设中的西部路段开头的3英里处收集到夷格尔· 福特地层的原始自然路基的大约15个试样。应用这些试样，便可确定材料的成份和一种可能的稳定 性方法(图5示出了试样的位置)。然而，由于不可接近之故，从这个路段最后的4英里处，取不到任 何试样。这4英里路段主要由施工区的填方所构成，而此施工区不在夷格尔·福特地层上。在研究这种 情况时，在此4英里路段上没有进行任何土方作业。

图5 初期测试时的试样测位

结果

应用带有能量扩散光谱仪的扫描电子显微镜， 以证实了钙矾石的形成。注意，硫酸盐隆起主要是由于土壤中钙矾石的形成引起的(1986年，米切尔; 1989年，亨特尔;1992年，裴垂和李投;1995年，布锐登卡姆波和李顿等人都论述过有关土壤中形成钙 矾石的情况)。未处理的试样已没有长晶体。图6B是按与图6A相同的放大倍数拍摄的，它显示了在 处理过的试样和未处理过的试样之间的一个明显对照。图6中示出的试件是来自道路的东边，而道路 东边已出现了隆起问题。未处理的试样是直接从石灰处理过的路面层下收集到的自然路基土。

(A)	(B)

图6

(A)没有反作用生成物的未处理的土壤的扫描电子显微镜图像

(B)带有大量长针状晶体的石灰处理的路基试样的扫描电子显微 镜图像。这是石灰和石膏的一个膨胀的反作用生成物。

在石灰处理过的路基中的大量长纤维晶体在未处理过的试样中却不存在。纤维晶体组织是钙矾石 的特征。图7中能量扩散光谱仪图象证实长纤维晶体的确是钙矾石。这种无机物膨胀到几乎是其组成部分体积 的3倍，并且一直证明是硫酸盐隆起的一种主要成分(1986年， 米切尔和1989年亨特尔都论述这种情况)。了解钙矾石的形式 要求3个条件，这是重要的，这三个条件是(1)PH值在10以上; (2)水;(3)铝、硫和钙(2003年，哈锐斯等人论述过这种情况)。石 灰和水泥能使PH值升高到12以上。这种高PH值引起粘土无机物融解，并把铝排放到系统 中。当用石灰或水泥把含硫多的粘土稳固住了，那么它只需 要水就构成钙矾石了，而钙矾石依次引起路面的隆起。

图7 从扫描电子显微镜图像中选取的能量扩散光谱仪图像。注意 钙、硫和铝的高的峰值。这种图象是钙矾石的特征。

一般认为基于用氯化钡使硫酸盐定量沉淀的重量定量分 析是确定硫酸盐的一个标准方法(1982年，樊·龙恩提出这种 方法)。近来，得克萨斯州运输部应用一种重量定量分析技术 (Tex-620-J)来测定土壤中的硫酸盐。如果硫酸盐含量大于 2000ppm，那么得克萨斯州运输部便不推荐钙基稳定剂用于 道路路基的稳固。重量定量分析技术(Tex-620-J)花三天时间 便起作用，其结果常常有大的变化。重量定量技术(Tex-620- J)方法涉及到用加热到接近沸腾的蒸馏水来溶解硫酸盐。然后过滤试样，将浓盐酸加到滤液中，再一次 将滤液加热到接近沸腾。将10%的氯化钡溶液加到混合料中，氯化钡溶液再一次加热。作为硫酸钡沉 淀物，可将硫酸盐从溶液中排除掉。将沉淀物过滤，并用水冲洗以排除氯化物，然后使其干燥并称重。 按照硫酸钡式量的百分率来计算硫酸盐的浓度(2002年，卡姆普和喜力等人进行过这种计算)。

在此研究中已努力来探讨是否能用导电性来可靠地确定硫酸盐的含量。一种溶液的导电性是已出 现的多个离子的导电性之和，因此，导电性试验有其弱点，即不能在不同类型离子间有所区别。例如， 在土壤中如果出现了两种盐(岩盐和石膏)，石膏将分解成Ca ₂离子和(SO₄)₂离子，而岩盐(Nacl)将把Na 和C1加到溶液中(2003年，哈锐斯等人，1995年，布锐登卡姆波和李顿都论述过此事)。这两种盐均有助于产生导电性。至少导电性试验是迅速而可重复的。导电性试验可作为一 种快速筛选工具，以后完成的实验室后续试验证明导电性和实际的硫酸盐浓度 有关。

由表1看来，如期望的那样，对于取自工程东边的试样来说，导电性测试值 高于取自工程西边试样的导电性测试值。试样E-1T和E-1B分别取自原始路基顶部 和路面下1.04m的两处。随着深度的增加，导电性增加6倍，而硫酸盐含量增加 到6倍以上。由于在雨季，可溶的石膏从路表面渗透到更深处，所以以上深度和导电性增加倍数正好 是预期的结果。标有E-1 LTSa和E-1 LTSb的试样是取自200mm的经石灰处理过的路基层的顶部和 底部，而此200mm经石灰处理过的路基层出现过路面隆起问题。

表1 在美国US82公路上采样所进行分析的一览

如表1中所示，由于石灰的稳定作用，对于两个试样(E-1 LTSa和E-1 LTSb)来讲，PH值高于10。而且，这两个试样的导电值也大大高于西边路段中 的导电值。西部路段所有试样的PH值小于10，因为它们都是未经石灰处理的原始路基的试样。取自 工程西边的试样具有很低的导电性。对于这种土壤来讲，已知280μs的导电性相当于2000ppm的一 种硫酸盐含量。哈锐斯等人在2003年在导电性与已知硫酸盐浓度之间建立了一条标定曲线，如图8中所示。取自工程西边的全部试样的硫酸盐含量则小于2000ppm。用比色试验对取自工程西边的两个 试样进行分析，两个试样的硫酸盐含量为0和100mg/e(参见表1中的W9m和W-4)。

图8 硫酸盐含量与导电性比较

配备后续试验——现场试验的设备

在此研究工作结束时，在此工程的西边路段仍有4英里的施工工程尚未结束。石灰处理仍是该路 段设计的一部分。工程西边约1英里处的路面已开挖或者回填到设计标高，工程承包商一直采用石灰 处理。虽然已经收集了16个试样，但是试验结果并未表明工程西边的路段中硫酸盐浓度高的痕迹，因此仍有漏掉高硫酸盐区域的可能性。作为一种预防 措施，开始是采用3%的石灰处理(用水泥浆)，紧接着采用72小时的软化期，然后在压实前采用额外 的3%的石灰处理，这是石灰协会为施工现场推荐的处理路面隆起的工艺方法，这些施工现场可能有 因硫酸盐浓度高而产生的路面隆起的问题。注意在工程的东边的路面施工，用6%的石灰对路基进行 过处理，处理后没有任何软化期。

得克萨斯运输研究所建议采用一个快速现场导电性试验(哈锐斯等人在2003年进行的试验)，以便 筛选出硫酸盐含量可能高的现场施工区域。在这次
研究中，应用了这种现场导电性试验。这种后续试验的主要目的是: (1)利用一个较短的试验间隔更详细地来确定工程的西边路段中硫酸盐 程度;(2)培训施工地区的试验人员，以便进行现场导电性试验。现场导 电性试验设备应该留下来给施工区域试验人员，当施工工程向前推进 时，这些试验人员可应用这些导电性试验设备来进行试验。

在工程的西行车道上已进行了100次以上的现场导电性试验，以 鉴别硫酸盐潜在的高含量区域中的位置。对于3人为1组的试验队伍 来讲，每次试验大约为两分钟。在间隔为100的两条平行道路上进行这些试验。整个道路试验长度约 为1.5英里，如图10中所示。已培训了施工区实验室监管人员和施工 区其它的三名人员来应用这些测试设备。万一需要进一步试验时，这 些测试设备可给施工区使用。

图10 后续测试(具有较小的测试间隔)的试验位置

既在施工现场，又在以后约10小时中完成了导电性测试工作。以 后的测试均示出较高的导电性，但是一些测试示出的导电性更高。人 们想到，土壤中石膏晶体的大小影响土壤获取导电性以达到其最大值 的时间。对于导电性读数已升高的试样来说，应用比色试验便能确定 硫酸盐的浓度。

实验室试验要把每个试样各个部件送到4个不同的实验室去，以便定量确定硫酸盐浓度(以便证实现场测试的准确性)以及定量确定 硫化物的测定工作。一种硫酸盐含量高和一种硫酸盐含量低的土壤应采用各种不同的稳定性试验技 术，以确定哪种特定土壤硫化后在一种无侧限压缩载荷下性能最好，以及确定哪种特定土壤硫化后在 透水石上浸泡10天后性能最好。在10天浸泡期中对各种试样进行三维隆起测试。

在102个地点上进行导电性测试，如图9中所示。基于最初和最后的导电性测试(时间=0.10小 时)，选择12个测点，以收集用于额外实验室试验所需的试样。这12个测点产生了较高的导电性和 较高的硫酸盐含量。表2中提供了这些结果。观察结果如下:

● 现场导电性试验为探测具有高浓度硫酸盐的土壤做了极好的工作;

● 得克萨斯运输研究所(表2)所分析的建设施工工程部分上的硫酸盐浓度是低的，只有一两处是 例外。试验结果说明，在测试区域，由硫酸盐而导致路面隆起是不可能的。

图9 在后续试验中所用的现场导电性试验结果

表2 可溶硫酸盐分析的试验结果(未测出硫酸盐，沉淀物>2000ppm)

值得注意的是，利用稀释比为1:20(土壤:水)的丙酮试验是能探测出高于约2000ppm浓度的硫酸 盐的存在。根据我们的测试经验，低于2000ppm的硫酸盐浓度不会引起因硫酸盐而隆起的问题。按1: 20稀释比，也进行了导电性测试。溶液经过过滤和离心处理，便获得了一种清洁的上层清液，应用比 色试验和丙酮试验，便可分析硫酸盐的浓度试验结果如表2中所示。

发现隆起的原因

我们确认，在工程东边道路隆起的原因是与石灰处理过的土壤中膨胀的无机物钙矾石的形成有 关。当土壤中硫酸盐和铝酸盐与有水时稳定剂中的钙起反应时，便产生了钙矾石。在达拉斯/福特·屋 尔斯施工区大家都知道硫酸盐的隆起问题，特别是硫酸盐与夷格尔·福特土层中土壤在一起时，便会 出现道路的隆起问题。这是因为夷格尔·福特土层具有一种高浓度的石膏和粘土，当土壤中加入石灰 和水时，则夷格尔·福特土层便为产生钙矾石所需的全部成分。而道路东边的土壤是由这种土层构成 的。最近，当可溶的硫酸盐含量低于2000ppm时，达拉斯施工区利用了石灰的稳定作用。在美国 US69号公路东边的原始土壤中的硫酸盐含量已经测出，并发现其超过20000ppm。

现在应该做什么

东边道路

此时对于这个路段没有推荐采用任何行动和措施;道路隆起部分已经修补，没有报告新的问题。应 继续对道路进行监测。在大雨后，如果发生了任何重大新的隆起问题，应推荐重新施工。对于硫酸盐 含量高的土壤来说，实验室试验倒没有发现任何有效的稳定剂。道路重新施工涉及到用一种选择的材 料来更换已处理的路面层，并去掉这种有问题的路面层;这种选择的材料的硫酸盐含量低于2000ppm。

西边道路

实验室研究和现场研究发现工程西边道路的土壤中硫酸盐含量低。在这些土壤中应该用石灰来稳 固土壤。我们已发现实验室中最好的结果是:先在道路中加入3%的石灰，然后使混合料软化三天，最 后再加入另外3%的石灰，便使道路起到稳固作用。

当施工工程向前进展时，为了估算和监测硫酸盐含量的浓度，应进行现场导电性试验。

怎样避免将来出现道路隆起问题

在探测硫酸盐含量方面，导电性试验和比色试验的工作开展得很好。花不到1000美元，便可买到 两套试验设备，已将这些试验设备交付给施工区。在将来土壤稳固工作方面，道路施工区应启动一个 土壤测试程序。应指示现场检查员和实验室工作人员用肉眼检查土壤中硫酸盐晶体的状况。在美国 US69号公路东边的土壤中很容易地看出这些发光的玻璃状晶体。

结论

这份报告密切地检验和研究了因硫酸盐隆起而干扰施工的工程，并且叙述了已进行的现场试验和 实验室试验，以鉴定和纠正这些故障问题。在工程东边的道路上已发现导电性高的试样，而在工程西 边道路上已记录了低导电性的数据。在此例中，导电性程度直接与土壤的硫酸盐含量有关。当土壤中 硫酸盐与石灰稳定剂、粘土无机物和水结合在一起时，硫酸盐含量高便产生了钙矾石。钙矾石晶体生 长，在路面下膨胀，并且破坏了路面。在工程东边路面上所观察到的隆起是在夷格尔·福特土层中筑 路的一个常见问题。夷格尔·福特土层为此化学反应提供了所需的硫酸盐和粘土无机物。

导电性试验是鉴别可能含富硫酸盐的土壤的一个好技术，就像鉴别低导电性的土壤一定不含很多 的硫酸盐一样。然而，在含有其它盐类的土壤中导电性试验将给出高的导电性值。这种技术简单，在 施工现场可快速应用。人们推荐这种技术作为一个保守的筛选工具。如果出现了高的导电性(>200μ s的最后导电性)，那么应进行实验室测试，以确定硫酸盐是否是引起高读数的导电性。

试验结果表明，硫酸盐对工程西边道路的隆起只有一点威胁。作为一种预防路面隆起的措施，先对道路采用3%的处理，然后有一个72小时的软化 期，最后再经3%的石灰处理。施工区已进行了现场导电性试验，以估算和监测在剩余工程中硫酸盐 含量的浓度。整个筑路工程大约在两年中完成，到现在也未看到有任何隆起问题。

致谢

很多人已帮助我收集数据，并帮助我在此报告中进行分析工作。作者对得克萨斯运输研究所的帕 特·哈锐斯和汤姆·斯卡林以及得克萨斯运输部的约翰·比尔要、隋克哈·锐巴拉、詹姆斯·郭德文、 艾尔·阿月蒙、捷瑞·布莱克摩尔和米古尔·阿锐兰诺等人表示诚挚的谢意。来自巴黎施工区的人 员，例如鲍比·李投菲尔德、鲍比·约恩斯、詹姆斯·胡其森、米切尔·威廉姆斯、凯锐·汉斯福特 和开文·哈锐斯等人帮助我们收集数据，在此一并表示诚挚的感谢。

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工程建设机械2005.NO.8