重塑石灰土的強度恢復(fù)方法與機制初探

談云志，喻 波，劉 云，左清軍，胡莫珍，鄭 愛

（三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002）

1 引言

添加石灰或水泥等材料可以提高土體的強度和水穩(wěn)定性，特別是對于膨脹土、紅黏土、軟土等這類特殊土具有十分顯著的效果[1－5]。但隨著工程服役期限逼近或工程過早發(fā)生災(zāi)變，早期利用石灰土處治的工程將面臨重建、改造等問題。談云志等[6]對重塑石灰土的力學(xué)特征與性能劣化機制開展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)重塑過程中破壞了石灰土的膠結(jié)強度，致使黏聚力部分喪失，從而降低了其力學(xué)性能。然而，石灰穩(wěn)定土呈堿性，如果隨地棄置將嚴重污染周邊土壤；另外，需尋找其他填筑材料進行置換，顯然既不環(huán)保又不經(jīng)濟。那么如何恢復(fù)石灰土的強度，選擇何種外添劑能有效提高重塑石灰土的力學(xué)強度呢？由于石灰穩(wěn)定土工程還未進入重建、翻修的鼎盛時期，故有關(guān)石灰穩(wěn)定土再利用的研究成果鮮有報道。

破碎后的石灰穩(wěn)定土黏粒（粒徑＜0.002mm）含量由改良前的31.5%下降至改良后的5.1%，出現(xiàn)了明顯的“砂化”現(xiàn)象[6]。而“二次摻灰”施工工藝就是利用燜料過程降低黏土的天然含水率，充分利用其“砂化”特性提高石灰土的碾壓性能[7－9]。因此，石灰穩(wěn)定土再利用技術(shù)的研究可以借鑒“二次摻灰”的基本原理進行探索，但到底是繼續(xù)添加石灰還是水泥進行改良，還沒有明確的結(jié)論。

為此，論文以破碎的石灰穩(wěn)定土（簡稱重塑石灰土）為研究對象，分別添加石灰和水泥進行再次改良（簡稱石灰再改良土和水泥再改良土），對比分析石灰再改良土、水泥再改良土、重塑石灰土的工程特性，借助粒度分析、掃描電鏡和X射線衍射等試驗揭示重塑石灰土的強度再生機制，為重塑石灰土的再利用提供理論參考依據(jù)。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

重塑石灰土是由紅黏土添加4%的石灰改良養(yǎng)護完成后經(jīng)過人工破碎而成。

表1 試樣的物理性質(zhì)[6]Table 1 Physical properties of specimens

試驗用石灰的CaO含量為73.4%，MgO含量為1.5%，燒失量為25.1%，屬于優(yōu)質(zhì)石灰；試驗用水泥為普通硅酸鈣水泥。

2.2 試樣制備

將石灰土試樣用橡膠錘破碎后過2 mm孔徑的篩，分別摻5%石灰和5%水泥后制備土樣放在保濕箱中養(yǎng)護7 d。石灰再改良土和水泥再改良土的制樣干密度分別為1.30、1.34 g/cm3，試樣含水率為最優(yōu)含水率32.1%。

具體制樣步驟如下：①根據(jù)最優(yōu)含水率配制土樣，用塑料袋密封放置保濕箱內(nèi)靜置7 d；②根據(jù)干密度和初始含水率計算每個試樣的濕土質(zhì)量后，將稱好的土樣倒入預(yù)先定制好的鋼模內(nèi)進行靜壓成型；③試樣成型后用密封袋封裝好，再次放入保濕箱內(nèi)以供試驗所用。

壓縮和直剪試驗用試樣為環(huán)刀樣，其尺寸為φ61.8 mm、高20 mm；無側(cè)限抗壓強度試驗用試樣為圓柱樣，其尺寸為φ50 mm、高100 mm。

2.3 試驗方法

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程JTG E51—2009》[10]、《公路土工試驗規(guī)程JTG E40—2007》[11]等規(guī)范，從土體的壓縮特征、無側(cè)限抗壓強度、直接剪切強度角度研究石灰再改良土、水泥再改良土以及重塑石灰土的工程力學(xué)特性，試驗時試樣保持制樣時的濕度狀態(tài)；宏觀力學(xué)試驗結(jié)束后把試樣按照粒度分析、掃描電鏡和X射線衍射試驗的要求制備完成后進一步開展微觀試驗。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 壓縮特性

重塑石灰土、石灰再改良土和水泥再改良土的壓縮曲線如圖1所示。

當你要切東西或者鉆洞的時候，可能會用到楔子。它有時是圓圓的、尖尖的，像圖釘一樣；有時是長長的、薄薄的，像刀一樣。

圖1 e-P 曲線Fig.1 e-P curves

為進一步分析兩種再改良土的壓縮特性，計算了壓縮系數(shù)，如表2所示。

表2 試樣壓縮系數(shù)Table 2 Compressive coefficients of specimens

從圖1可以看出，應(yīng)力0～200 kPa范圍內(nèi)，石灰再改良土與水泥再改良土壓縮量基本相同，當應(yīng)力超過200 kPa以后至800 kPa時，前者的壓縮量明顯要低于后者的壓縮量，后者的壓縮曲線變得陡峭，這說明當超過應(yīng)力200 kPa以后，水泥再改良土的結(jié)構(gòu)性趨于屈服狀態(tài)。但相土粒相對密度塑石灰土而言，經(jīng)石灰或水泥再改良后其壓縮量都下降了50%左右。

圖2為石灰再改良土與水泥再改良土放大2 000倍后的微觀形貌圖。

圖2 掃描電鏡圖Fig.2 Images of scanning electron microscope

重塑石灰土加入水泥后形成硬化片狀物，雖然固體片狀物自身很密實，但其整體結(jié)構(gòu)仍存在較大的孔隙，片狀物呈現(xiàn)面-邊或面-點接觸的排列模式，沒有形成很好的定向排列，所以仍存在被壓實的空間。雖然石灰再改良土也存在孔隙，但團粒之間形成較穩(wěn)定的聯(lián)接。因此，當應(yīng)力超過200 kPa后水泥再改良土壓縮性比石灰再改良土大。

3.2 強度特性

石灰再改良土、水泥再改良土的無側(cè)限抗壓強度應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，壓實度分別為90%、93%。

取應(yīng)力-應(yīng)變峰值，得到石灰再改良土、水泥再改良土的無側(cè)限抗壓強度如表3所示。

圖3 軸向應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系Fig.3 Relations between axial stress and strain

表3 無側(cè)限抗壓強度Table 3 Unconfined compressive strengths

石灰再改良土和水泥再改良土直剪試驗的典型應(yīng)力-位移曲線，如圖4所示。

圖4 剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系Fig.4 Relations between shear stress and displacement

通過直線擬合獲得的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c 強度參數(shù)，如表4所示。

表4 試樣剪切強度指標Table 4 Parameters of shear strength of specimens

石灰再改良土的內(nèi)摩擦角較重塑石灰土提高了1倍左右；水泥再改良土的內(nèi)摩擦角較重塑石灰土提高了50%左右。石灰再改良土和水泥再改良土土粒相對密度塑石灰土的黏聚力都略有增加，但增加的幅度不大。

3.3 討論與分析

3.3.1 團粒化效應(yīng)

為揭示摻入石灰或水泥再改良后，重塑石灰土的強度再生機制，進行了粒度分析和掃描電鏡試驗，試驗結(jié)果分別如圖5、6所示。

圖5 粒度分析曲線Fig.5 Particle size distribution curves

粒度分析曲線表明，石灰再改良土的團粒主要分布在粒徑0.32～120.2 μm范圍內(nèi)，含量占69.8%；水泥再改良石灰土的團粒則主要分布在粒徑0.32～275.4 μm范圍，內(nèi)含量約占58.1%，再次說明摻水泥再改良的團?；Ч麤]有石灰再改良土的效果好。

圖6(a)為石灰再改良土的微觀形貌?？梢钥闯鍪遗c團粒之間發(fā)生充分反應(yīng)，石灰土團粒之間以及黏土顆粒由鈣化結(jié)晶物包裹，形成了較為穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。圖6(b)為水泥再改良土的微觀形貌圖，與圖6(a)相比，膠結(jié)物包裹石灰土顆粒和團粒的現(xiàn)象不明顯，存在許多類似水泥硬化薄片的物質(zhì)填充在土粒周圍，輪廓分明，硬化薄片未能把團粒與團粒膠結(jié)在一起形成更大的團粒，而且自身呈邊-邊和點-邊接觸狀態(tài)，形成不穩(wěn)定的孔隙構(gòu)架。因此，石灰再改良土團粒化效果比水泥再改良土的效果好。

圖6 掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.6 Images of scanning electron microscope

3.3.2 膠結(jié)強度

依據(jù)石灰和水泥水化機制可知，起膠結(jié)作用的物質(zhì)主要是水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、氫氧化鈣等[12－15]。借助X射線衍射方法（XRD）探測石灰和水泥再改良土中的膠結(jié)成分，如圖7所示。

XRD圖表明，重塑石灰土經(jīng)石灰、水泥再改良后均生成了Ca(OH)2結(jié)晶體、硅酸鹽類水化物、碳酸鈣、氯酸鈣等膠結(jié)物。

結(jié)合熱重分析方法（TGA）確定膠結(jié)物的含量，如圖8所示。圖中，TG為熱作用下重量的損失量；DTC 是對TG 曲線求微分。

圖7 X射線衍射圖Fig.7 Curves of X-Ray diffraction

圖8 熱重分析曲線Fig.8 Curves of thermo gravimetric analysis

經(jīng)計算，石灰再改良土、水泥再改良土在200～550 ℃范圍內(nèi)分別分解了4.42%、3.47%；在550～650 ℃范圍內(nèi)分別分解了1.3%、2.11%；在650～800 ℃范圍內(nèi)分別分解了1.73%、1.64%。聯(lián)合XRD試驗結(jié)果可知，在200～550 ℃內(nèi)分解的物質(zhì)為Ca(OH)2膠結(jié)物；在550～650 ℃分解的物質(zhì)為硅酸鹽類膠結(jié)物；在650～800 ℃范圍內(nèi)分解的物質(zhì)為碳酸鈣膠結(jié)物?？梢钥闯觯以俑牧纪林械腃a(OH)2與碳酸鈣膠結(jié)物明顯多于水泥再改良土，進一步佐證添加石灰更能促進重塑石灰土的強度再生。雖然水泥再改良土中硅酸鹽類膠結(jié)物含量高于石灰再改良土，但由于水泥水化后產(chǎn)生的大量硅酸鹽類膠結(jié)物自身凝固形成薄片硬塊，見圖6(b)。這些膠結(jié)物并沒有把石灰土的團粒相互膠結(jié)在一起，對重塑石灰土的強度恢復(fù)貢獻不大。

水泥改良土體的機制包括兩個過程：①水泥水化后生成水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣；②氫氧化溶液再與黏土中的活性氧化鈣和氧化鋁反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠。式（1）、（2）分別為硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化過程。

從化學(xué)反應(yīng)的平衡過程來看，重塑石灰土前期殘存有氫氧化鈣，導(dǎo)致溶液中氫氧化鈣的濃度較高，客觀上阻礙了硅酸三鈣等的水化進程，從而導(dǎo)致水泥水化第一過程中水化硅酸鈣凝膠的生成量減少。而石灰增強土體強度的機制主要包括離子交換、碳化和灰結(jié)等過程，顯然重塑石灰土殘存的氫氧化鈣對再添加石灰改良沒有不利的影響。

4 結(jié)論

（1）摻石灰和水泥再次改良后，重塑石灰土的無側(cè)限抗壓強度較重塑石灰土而言均得到大幅提高，其中摻石灰再改良效果要好于摻水泥再改良。

（2）細觀試驗結(jié)果表明，石灰再改良土中石灰與團粒之間發(fā)生充分反應(yīng)，形成了較為穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。而水泥再改良土中膠結(jié)物包裹石灰土顆粒和團粒的現(xiàn)象不明顯，存在許多類似水泥硬化薄片的物質(zhì)填充在土粒周圍，但未能把不同團粒相互膠結(jié)在一起形成更大的團粒，而且自身呈邊-邊和點-邊接觸狀態(tài)，形成不穩(wěn)定的孔隙構(gòu)架。

（3）導(dǎo)致水泥再改良土的效果不及石灰再改良土效果好的主要原因是重塑石灰土前期殘存有氫氧化鈣，導(dǎo)致溶液中氫氧化鈣的濃度較高，客觀上影響了硅酸三鈣等的水化進程，從而導(dǎo)致水泥水化第一過程中水化硅酸鈣凝膠的生成量減少。

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