小劑量石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)性試驗(yàn)研究

劉忠玉，薛勇剛，王喜軍

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

石灰穩(wěn)定土大量用于基礎(chǔ)工程，還用于處理路基基層和底基層，此時(shí)石灰劑量往往較大.巖土工作者已在此類石灰穩(wěn)定土的加固機(jī)理、灰與土反應(yīng)的微觀機(jī)理以及高劑量石灰穩(wěn)定土強(qiáng)度特性變化規(guī)律等方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究［1－3］.隨著使用經(jīng)驗(yàn)的積累，已開(kāi)始將石灰穩(wěn)定土應(yīng)用于處理路基，但此時(shí)一般采用較小的石灰劑量，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)多在8%以下.文獻(xiàn)［4－5］曾探討了石灰劑量、壓實(shí)度和時(shí)間對(duì)其強(qiáng)度特性的影響，并將其用于處理過(guò)濕或潮濕狀態(tài)的農(nóng)村公路路基.考慮到地下水位升降或地表降水或蒸發(fā)會(huì)影響到處理層的濕度，因而需要對(duì)小劑量石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)性進(jìn)行研究.因此，筆者參照文獻(xiàn)［6－8］的方法，對(duì)低劑量石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用的原材料和文獻(xiàn)［4］一樣，即土樣取自漯河市某農(nóng)村公路試驗(yàn)段，土樣參數(shù)見(jiàn)表1.參照文獻(xiàn)［9］的分類方法，試驗(yàn)用土屬低液限黏土.石灰選用生石灰經(jīng)充分消解烘干后的消石灰，試驗(yàn)前將其碾碎過(guò)5 mm篩并除去未燒好的石塊與雜質(zhì)，根據(jù)文獻(xiàn)［10］的規(guī)定，測(cè)得其中有效氧化鈣和氧化鎂的含量分別為56.11%和7.14%，屬于Ⅰ級(jí)鎂質(zhì)消石灰.

表1 土樣參數(shù)Tab.1 Parameters of soil

2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

本次試驗(yàn)選取石灰劑量分別為4%，6%和8%.根據(jù)文獻(xiàn)［10］的規(guī)定，采用甲型試驗(yàn)方法對(duì)素土和不同灰劑量的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得最優(yōu)含水率和最大干密度如表2所示.

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of compaction test

試樣制作和養(yǎng)護(hù)參照文獻(xiàn)［10］，在最優(yōu)含水率和90%壓實(shí)度下用靜壓成型法制作Φ50 mm×H50 mm的試件，每組試件6個(gè)，然后用保鮮膜密封后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室對(duì)試件養(yǎng)護(hù)90 d.

3 水穩(wěn)性試驗(yàn)內(nèi)容與方案

［6－8］，對(duì)小劑量石灰穩(wěn)定土水穩(wěn)性的室內(nèi)模擬試驗(yàn)主要有以下兩個(gè)內(nèi)容.

3.1 飽水時(shí)間模擬試驗(yàn)

路基土一般位于地下水位之上，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，由于毛細(xì)作用路基土濕度將會(huì)不斷增加，可使得路基土變軟.為了模擬這種影響，在試驗(yàn)室水槽中鋪設(shè)透水石，加水至其頂面下約1 mm，保持水槽平穩(wěn)，然后將試件置其上，由于毛細(xì)作用，試件從水槽中吸水，用不同的吸水天數(shù)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)飽水時(shí)間的長(zhǎng)短.然后測(cè)試吸水一定時(shí)間后試件的強(qiáng)度、變形指標(biāo)及含水率，以分析不同飽水時(shí)間對(duì)低劑量石灰穩(wěn)定土性能的影響.

3.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

在交通荷載作用下，路基土如頻繁失水—吸水，其結(jié)構(gòu)將發(fā)生不可逆變化，可導(dǎo)致路基性能下降.為研究頻繁失水—吸水循環(huán)對(duì)路基土性能的影響，文獻(xiàn)［6－8］采用試件“在透水石上吸水—自然風(fēng)干—吸水—自然風(fēng)干……”一系列干濕循環(huán)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)路基土的失水—吸水循環(huán)，分析干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)試件力學(xué)性能的影響.但需要注意的是，對(duì)于自然風(fēng)干的條件應(yīng)加以一定的限制.由于自然風(fēng)干時(shí)，環(huán)境條件比如溫度、濕度不同，自然風(fēng)干后的效果就不一樣，特別是在進(jìn)行多次干濕循環(huán)時(shí)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，室內(nèi)自然溫度和濕度有可能發(fā)生較大改變，這將直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，也會(huì)造成類似文獻(xiàn)［6－8］所示曲線的波動(dòng)性，因此，筆者采用在可控溫度養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)風(fēng)干，為便于比較即選定溫度20±2℃.對(duì)應(yīng)于自然風(fēng)干，這里稱在可控溫度養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)的風(fēng)干為控溫風(fēng)干.

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 飽水時(shí)間的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案，本試驗(yàn)進(jìn)行了4%、6%和8%3種配合比，齡期為90 d，飽水時(shí)間分別為0～5 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、回彈模量和含水率的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

圖1(a)和圖1(b)分別給出了抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度代表值隨飽水時(shí)間的變化規(guī)律.自然風(fēng)干1 d后，劑量為4%、6%、8%的石灰穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別高達(dá) 2.23 MPa，2.37 MPa，2.51 MPa和0.148 MPa，0.160 MPa，0.177 MPa，但飽水1 d后，其抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均迅速降低，分別僅為飽水前的 41.3%，42.2%，50.6% 和43.2%，44.4%，45.2%;隨著飽水時(shí)間的增加，石灰穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度雖仍有緩慢減小，但逐漸趨于穩(wěn)定，且抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定值與文獻(xiàn)［4］對(duì)應(yīng)劑量和壓實(shí)度的石灰穩(wěn)定土90 d抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，但劈裂強(qiáng)度僅為文獻(xiàn)［4］對(duì)應(yīng)劑量和壓實(shí)度的石灰穩(wěn)定土90 d劈裂強(qiáng)度的50%～60%，這說(shuō)明長(zhǎng)期飽水會(huì)造成劈裂強(qiáng)度衰減較多.另外，圖1(a)和圖1(b)還表明，石灰劑量對(duì)石灰穩(wěn)定土的強(qiáng)度影響較大，增大石灰劑量，可以改善石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)性.

圖1 飽水時(shí)間對(duì)石灰穩(wěn)定土性能的影響Fig.1 Effect of soak periods on the performance of lime-stabilized soil

圖1(c)為回彈模量與飽水時(shí)間的關(guān)系曲線.由圖可知：在飽水初期，抗壓回彈模量迅速減小，飽水1 d后，抗壓回彈模量?jī)H為飽水前的52.7%～53.2%，但隨著飽水時(shí)間的繼續(xù)增加，則逐漸趨于穩(wěn)定.該圖還表明，石灰劑量越大，其回彈模量越大.

含水率隨飽水時(shí)間的增長(zhǎng)規(guī)律示于圖1(d).很顯然，飽水初期，含水率增加很快，隨著飽水時(shí)間的增加，其含水率仍逐漸升高，并趨于穩(wěn)定值.

4.2 干濕循環(huán)次數(shù)的影響

本次試驗(yàn)將壓實(shí)度90%，灰劑量6%的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)90 d后，在20℃養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)風(fēng)干1 d，放置于水槽中的透水石上吸水1 d，然后重復(fù)上述動(dòng)作，并稱風(fēng)干1 d后吸水1 d為一次干濕循環(huán)，并分別測(cè)試循環(huán)次數(shù) N=0，1，2，3，4，5 時(shí)試件的強(qiáng)度、變形指標(biāo)及含水率，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2(a)～(c)分別為抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度以及回彈模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.由圖可知，經(jīng)過(guò)不同次數(shù)的干濕循環(huán)，石灰穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量的變化特征與飽水試驗(yàn)相似，即在最初的干濕循環(huán)中，這些指標(biāo)損失較多，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，這些指標(biāo)雖都相應(yīng)減小，但均逐漸趨于穩(wěn)定，特別是5次干濕循環(huán)后的相應(yīng)值與前述飽水試驗(yàn)的最終值較接近.

圖2(d)表示含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，試件的含水量在第1次干濕循環(huán)后即達(dá)到較高值，以后逐漸趨于穩(wěn)定.

另外，由圖2可以看出，由于本次試驗(yàn)采用的是控溫風(fēng)干，而不是自然風(fēng)干，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中溫度基本上保持不變，因此，相應(yīng)曲線已不存在文獻(xiàn)［6－8］中試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的波動(dòng)性.

圖2 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)石灰穩(wěn)定土性能的影響Fig.2 Effect of wetting and drying cycles on the performance of lime-stabilized soil

5 結(jié)論

(1)隨飽水時(shí)間或干濕循環(huán)的增加，石灰穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度以及抗壓回彈模量均表現(xiàn)出先急劇衰減，而后趨于穩(wěn)定的特征，且抗壓強(qiáng)度最終值與對(duì)應(yīng)石灰劑量和壓實(shí)度試樣的90 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度相當(dāng)，但劈裂強(qiáng)度則與后者相差較多.

(2)石灰劑量越大，石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)性越好.

(3)在干濕循環(huán)試驗(yàn)中，為了避免試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)性，宜將自然風(fēng)干改為控溫風(fēng)干.

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