水玻璃改良低液限粉土的室內(nèi)試驗(yàn)研究

姜 沖,黃 珂,杜 偉,趙子榮

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)，江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心 江蘇 南京 210098)

水玻璃改良低液限粉土的室內(nèi)試驗(yàn)研究

姜 沖1，2,黃 珂1，2,杜 偉1，2,趙子榮1，2

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)，江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心 江蘇 南京 210098)

通過對(duì)泰州地區(qū)低液限粉土進(jìn)行室內(nèi)改良試驗(yàn)，研究2.6～2.9和3.1～3.4兩種不同模數(shù)水玻璃作為改良劑對(duì)該地區(qū)粉土改良效果，試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種水玻璃改良土的最大干密度均小于素土的最大干密度，最優(yōu)含水率均大于素土的最優(yōu)含水率；兩種不同模數(shù)水玻璃對(duì)該地區(qū)低液限粉土的CBR值均有明顯提高作用，壓實(shí)度對(duì)2種改良填料土的CBR值有著不同程度的影響，隨著壓實(shí)度增加，CBR值呈現(xiàn)不同比例的增長(zhǎng)，而且28d齡期增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于0d齡期的增長(zhǎng)幅度，不養(yǎng)護(hù)時(shí)增加壓實(shí)度對(duì)CBR值的提高影響不大；模數(shù)3.1～3.4水玻璃改良土的早期強(qiáng)度要高于模數(shù)2.6～2.9的水玻璃改良土；養(yǎng)護(hù)相同時(shí)間情況下模數(shù)2.6～2.9水玻璃改良土強(qiáng)度提高更大。

水玻璃；加州承載比；粉土；路基；改良試驗(yàn)

泰州位于長(zhǎng)江三角洲平原區(qū)，砂質(zhì)粉土(粉土、粉土夾粉砂、粉砂夾粉土)分布廣泛，該類土液限低，塑性指數(shù)小，粉粒含量較高(一般大于50%)，黏粒含量低(一般小于15%)。該類土含水率稍大則進(jìn)入流塑狀態(tài)，易產(chǎn)生橡皮土現(xiàn)象；同時(shí)保水性差，含水率變化較快，在含水率較低時(shí)不成團(tuán)，顆粒間摩擦力大，CBR值極低(小于5)，難以壓實(shí)。因此，砂質(zhì)粉土不能直接作為路堤填料在工程中直接應(yīng)用，必須進(jìn)行改良。工程中廣泛采用的改良方法主要有物理改良和化學(xué)改良，其中采用穩(wěn)定劑進(jìn)行粉土改良加固方面，主要采用一種或幾種無機(jī)結(jié)合料，如水泥、石灰、粉煤灰等進(jìn)行加固，并取得了很好的改良效果[1-5]。但是石灰穩(wěn)定土初期的塑性降低，而且石灰穩(wěn)定土強(qiáng)度對(duì)凍融循環(huán)敏感且經(jīng)過凍融強(qiáng)度降低。所以石灰改良粉土仍具有其局限性[6-7]。水泥土的干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)都比較大，因此，暴露的水泥土易因水泥水化反應(yīng)、環(huán)境溫度、濕度的變化造成體積的不均勻變化而產(chǎn)生裂縫。這種裂縫的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致固化體(水泥土)的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍和抗沖刷性能降低。不僅如此，傳統(tǒng)的改良劑在施工過程中會(huì)不可避免的出現(xiàn)揚(yáng)塵，污染環(huán)境，雖然采用石灰土改良時(shí)，施工過程中采取邊施工邊灑水可以控制大面積揚(yáng)塵，但是粉土在碾壓過程中對(duì)含水率控制要求很高，采取這種施工方法不利于含水率的控制，影響壓實(shí)效果。因此，在環(huán)境問題日益突出的今天，尋找一種既能滿足工程要求又可以保護(hù)環(huán)境的新型改良劑顯得尤為重要。為解決水泥、石灰改良粉土施工過程中產(chǎn)生揚(yáng)塵這一問題，擬采用水玻璃(Na2O·nSiO2)代替石灰、水泥作為改良劑研究其對(duì)粉土加固作用效果，為以后的粉土改良加固研究及設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及方法

1.1試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)用土取自泰州地區(qū)低液限粉土，通過采用不同模數(shù)(Na2O·nSiO2中n表示水玻璃模數(shù)，為研究模數(shù)對(duì)粉土改良效果的影響，試驗(yàn)選取應(yīng)用廣泛且價(jià)格相對(duì)較低的2.6～2.9,3.1～3.4兩種模數(shù)水玻璃進(jìn)行試驗(yàn))，不同摻量(摻量分別為3%、5%、7%、9%)水玻璃改良土的重型擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度和最優(yōu)含水率，研究分析改良土的壓實(shí)特性。最后以不同壓實(shí)度(93%、94%、96%)、不同齡期(0d、28d)改良土路基填料的CBR值作為填筑質(zhì)量的控制指標(biāo)進(jìn)行研究，并加以分析，對(duì)該地區(qū)路基工程的設(shè)計(jì)和施工提供相應(yīng)參考依據(jù)。

1.2試驗(yàn)方法

(1)測(cè)素土風(fēng)干含水率，根據(jù)預(yù)估最優(yōu)含水率制備5種不同含水率試樣，相鄰組試驗(yàn)含水率相差2%～3%，每組試驗(yàn)取2.5kg風(fēng)干土加水拌勻燜料12h左右，備用。考慮水玻璃溶液本身含水，根據(jù)水玻璃摻量適量減少素土試樣含水率(本試驗(yàn)采用水玻璃濃度為39%左右，加水配土?xí)r須考慮所摻加的水玻璃中61%的含水量)。擊實(shí)前根據(jù)配比摻入相應(yīng)質(zhì)量的改良劑，人工拌勻后立即進(jìn)行試驗(yàn)。控制每層高度分五層擊實(shí)，每層27擊。擊實(shí)后從中間取樣測(cè)其含水率，并繪制擊實(shí)曲線，得到最優(yōu)含水率和最大干密度。

(2)通過重型擊實(shí)試驗(yàn)得到素土和不同改良土的最大干密度與最優(yōu)含水率，分別在最優(yōu)含水率不同的壓實(shí)度(93%、94%、96%)條件下對(duì)各改良填料按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)采用靜壓法制備CBR試樣，分別養(yǎng)護(hù)0d和28d并浸水四晝夜后進(jìn)行CBR試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)取土坑的素土進(jìn)行了液塑限、比重、顆粒分析以及重型擊實(shí)試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表1。從顆粒分析結(jié)果以及結(jié)合液塑限情況依據(jù)規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)可知該土屬于低液限粉土。粉粒(粒徑0.002～0.075mm)的含量占總量91.9%，粘粒很少，從性質(zhì)上更多顯示出粉土的性質(zhì)：顆粒較為均勻、級(jí)配差，難于壓實(shí)同時(shí)粉粒毛細(xì)作用強(qiáng)烈，水穩(wěn)定性差。

2.1 水玻璃改良的擊實(shí)效果

模數(shù)為2.6～2.9,3.1～3.4水玻璃改良土的擊實(shí)曲線如圖1、圖2。

表1土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

注：上述土的分類命名依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ024-85)

分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于模數(shù)為2.6～2.9的水玻璃改良土而言，不同摻量下改良土的最優(yōu)含水率先增大后減小，都略高于素土的最優(yōu)含水率，最大干密度隨著水玻璃摻量從0%增大到9%范圍內(nèi)表現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律。究其原因，是由于水玻璃與土顆粒間隙中空氣以及土中的礦物成分發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)致使土的塑性減小、膠結(jié)物增多，這些原因造成了顆粒的團(tuán)聚、粗化，這種顆粒的團(tuán)聚少量產(chǎn)生后會(huì)造成土體的局部空隙增大致使最大干密度有所減小，但隨著水玻璃劑量的繼續(xù)增加，相應(yīng)的粗顆粒的數(shù)量增加到一定程度后又會(huì)使得水玻璃改良土的最大干密度開始隨水玻璃摻量增加而變大。同時(shí)可以看到，模數(shù)2.6～2.9的水玻璃改良土的擊實(shí)曲線變化趨勢(shì)與素土的基本相同。

由圖2可知，對(duì)于模數(shù)為3.1～3.4水玻璃改良土，隨著水玻璃摻量增加，改良土的最大干密度先減小后增大，最優(yōu)含水率高于素土的最優(yōu)含水率，改良土最大干密度明顯小于素土的最大干密度，原因與2.6～2.9模數(shù)水玻璃改良土相同。同時(shí)可以看出模數(shù)3.1～3.4的水玻璃改良土的擊實(shí)曲線變化趨勢(shì)與素土的基本相同。

2.2CBR試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 不養(yǎng)護(hù)條件下水玻璃改良土CBR值與壓實(shí)度的關(guān)系

在不同模數(shù)(2.6～2.9、3.1～3.4)、不同壓實(shí)度(93%、94%、96%)條件下水玻璃改良土不養(yǎng)護(hù)直接浸水四晝夜后的CBR試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4。

圖3、圖4分別描述的是模數(shù)為2.6～2.9和3.1～3.4水玻璃改良土不養(yǎng)護(hù)條件下CBR值與壓實(shí)度之間的關(guān)系。由圖可知，壓實(shí)度對(duì)于2種改良土均有著較明顯的影響，隨著壓實(shí)度的增大CBR值都有所增加。分析圖3中各摻量變化曲線我們可以看到，當(dāng)摻量為7%時(shí) ，隨著壓實(shí)度的增加CBR值變化不大，這是由于水玻璃是氣硬性材料只能在空氣中硬化而不能很好的在潮濕環(huán)境或者水中硬化，摻量7%模數(shù)2.6～2.9的水玻璃改良土的最大干密度小，同時(shí)最優(yōu)含水率較大，限制了水玻璃與空氣的反應(yīng)。從圖3、圖4我們還可以看到，壓實(shí)度不變的情況下隨著摻量的增加CBR值大體呈增加趨勢(shì)。

2.2.2養(yǎng)護(hù)28d條件下水玻璃改良土CBR值與壓實(shí)度的關(guān)系

不同模數(shù)(2.6～2.9、3.1～3.4)、不同摻量(3%、5%、7%、9%)下水玻璃改良土養(yǎng)護(hù)28d浸水四晝夜后的CBR值與壓實(shí)度關(guān)系曲線如圖5、圖6。

分析圖5、圖6來看，養(yǎng)護(hù)28d后兩種模數(shù)水玻璃改良土的CBR值較素土均有很大提高，且隨著壓實(shí)度的增加都明顯增大。同時(shí)，模數(shù)2.6～2.9的水玻璃改良土在同一壓實(shí)度條件下，隨著摻量的增加CBR值增大。

比較圖3與圖5、圖4與圖6可以看出，兩種模數(shù)水玻璃改良土28d齡期較0d齡期CBR值有明顯提高。模數(shù)為2.6～2.9和3.1～3.4水玻璃改良土在93%壓實(shí)度條件下，摻量為3%、5%、7%、9%養(yǎng)護(hù)28d的CBR分別為不養(yǎng)護(hù)的1.8、1.5、2.3、2.7倍和1.0、1.3、1.5、1.3倍；模數(shù)為2.6～2.9和3.1～3.4水玻璃改良土在94%壓實(shí)度條件下，摻量為3%、5%、7%、9%養(yǎng)護(hù)28d的CBR分別為不養(yǎng)護(hù)的1.7、2.2、2.1、1.7倍和1.4、1.8、1.6、1.4倍；模數(shù)為2.6～2.9和3.1～3.4水玻璃改良土在96%壓實(shí)度條件下，摻量為3%、5%、7%、9%養(yǎng)護(hù)28d的CBR分別為不養(yǎng)護(hù)的1.3、1.4、2.3、2.3倍和的1.7、2.6、2.5、2.0倍。

2.2.3 不同齡期93%壓實(shí)度水玻璃改良土的CBR值與摻量的關(guān)系

93%壓實(shí)度條件下，兩種模數(shù)水玻璃改良土0、28d齡期的CBR值與摻量的關(guān)系如圖7所示。

分析圖7可知，壓實(shí)度為93%其它條件不變的情況下，隨著水玻璃摻量的增加，兩種水玻璃改良土的CBR逐漸增大。不養(yǎng)護(hù)條件下，兩種水玻璃摻量相同時(shí)，模數(shù)3.1～3.4水玻璃改良土CBR值均大于模數(shù)為2.6～2.9水玻璃改良土。由此可以看出模數(shù)3.1～3.4水玻璃改良土的早期強(qiáng)度要高于模數(shù)2.6～2.9的水玻璃改良土。養(yǎng)護(hù)28d條件下，水玻璃摻量相同時(shí)模數(shù)2.6～2.9水玻璃改良土CBR值均大于模數(shù)為3.1～3.4水玻璃改良土。由此可以看出，養(yǎng)護(hù)相同時(shí)間情況下模數(shù)2.6～2.9水玻璃改良土強(qiáng)度提高較大。

3 結(jié)論

1)從兩種水玻璃改良土的擊實(shí)總體情況來看，改良土的最大干密度均小于素土最大干密度，最優(yōu)含水率均大于素土的最優(yōu)含水率。兩種模數(shù)水玻璃改良土的最大干密度隨著摻量增加先減小后增加。

2)從CRB值隨壓實(shí)度變化規(guī)律分析來看，壓實(shí)度對(duì)2種水玻璃改良土的CBR值有著不同程度的影響，隨著壓實(shí)度增加，CBR值呈現(xiàn)不同比例的增長(zhǎng)。而且28d齡期增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于0d齡期的增長(zhǎng)幅度，不養(yǎng)護(hù)時(shí)增加壓實(shí)度對(duì)CBR值的提高影響不大。

3)分別比較分析93%壓實(shí)度0d齡期和28d齡期條件下兩種水玻璃CBR值變化曲線可以看出，模數(shù)3.1～3.4水玻璃改良土的早期強(qiáng)度要高于模數(shù)2.6～2.9的水玻璃改良土；養(yǎng)護(hù)相同時(shí)間情況下模數(shù)2.6～2.9水玻璃改良土強(qiáng)度提高較大。

(4)兩種水玻璃均能有效提高泰州地區(qū)低液限粉土的CBR值，且隨著摻量的增加改良土CBR值大體呈增加趨勢(shì)。從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果看，用水玻璃改良該地區(qū)低液限粉土是可行的。

[1]白祖國.低路堤填筑的粉土改良及毛細(xì)水作用下路堤穩(wěn)定性研究[D].天津：天津大學(xué),2009.

[2]張西海,夏 瓊,楊有海.水泥及水泥粉煤灰改良粉土填料性能試驗(yàn)研究[J]. 路基工程,2007(2):75-76.

[3]楊迎曉.錢塘江沖海積粉土工程特性試驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué),2011.

[4]陳 燕.土強(qiáng)度影響因素研究及合理填筑條件探索[D]. 南京：河海大學(xué), 2005.

[5]馬 巍,徐學(xué)祖,張立新.凍融循環(huán)對(duì)石灰粉土剪切強(qiáng)度特性的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào),1999,21(2):158-160.

[6]商慶森,姚占勇,劉樹堂.提高石灰穩(wěn)定粉土的強(qiáng)度及抗凍性的研究[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，27(l):8-15.

[7]姚占勇,劉樹堂,商慶森.生石灰粉穩(wěn)定黃河沖(淤)積粉土的可行性探討[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，29(l):77 - 80.

(責(zé)任編輯 李軍)

Experimental study on improvement of low liquid limit silt with water glass

JIANGChong1,2,HUANGKe1,2,DUWei1,2,ZHAOZirong1,2

(1.KeyLaboratoryforGeotechnicalEngineeringofMinistryofWaterResource,JiangsuNanjing210098,China;2.ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

ThroughlaboratorytestsoflowliquidlimitsiltinTaizhouarea, 2.6～2.9and3.1～3.4modulusofwaterglasswereusedasmodifiers,andtheeffectofimprovedsiltintheareawasresearched.Theresultsshowthatthemaximumdrydensityoftwokindsofwaterglassmodifiedsoilarelessthantheplainsoil,andtheoptimummoisturecontentisalsogreaterthantheplainsoil.TheCBRvaluesofthelowliquidlimitsiltwithtwokindsofwaterglassintheareaaresignificantlyincreased,andthecompactiondegreehaseffectsontheCBRvalueofthemodifiedfillersoil.Withtheincreaseofthecompactiondegree,theCBRvalueshowsdifferentproportionofgrowth.Andthegrowthratewith28daysismuchgreaterthanthegrowthrateof0day.Theearlystrengthofthe3.1～3.4moduluswaterglassimprovedsoilishigherthanthatofthe2.6～2.9moduluswaterglassimprovedsoil.Underthesamemaintenanceconditions,theimprovedsoilstrengthofthe2.6～2.9moduluswaterglassimprovedsoilisgreatlyimproved.

waterglass;Californiabearingratio;Silt;subgrade;improvedtest

1673-9469(2016)04-0042-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.010

2016-08-09

浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015J06)

姜沖(1990-)，男，山東日照人，河海大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥恋撵o動(dòng)力學(xué)特性、特殊土處治技術(shù)。

TU

A