不同改良劑改良粉土的試驗研究

楊再福，馬文寧

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 215000；2.泰州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 泰州 225000)

不同改良劑改良粉土的試驗研究

楊再福1，馬文寧2

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 215000；2.泰州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 泰州 225000)

結(jié)合泰州市東風(fēng)路南段快速路改造工程，對泰州地區(qū)粉土進(jìn)行室內(nèi)改良試驗，研究石灰-水泥和石灰-水玻璃作為改良劑對該地區(qū)粉土的改良效果。研究發(fā)現(xiàn)：石灰-水泥改良土最大干密度略高于素土的最大干密度，最優(yōu)含水率與素土基本相同，改良土的無側(cè)限抗壓強度隨著壓實度增大而增加，隨著齡期的增長改良土的強度明顯提高；石灰-水玻璃改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著改良劑摻量的變化基本不變，最大干密度小于素土的最大干密度，改良土的強度隨著壓實度的提高而增大，但增加幅度不明顯，石灰-水玻璃改良土中石灰、水玻璃組分摻量對改良土強度影響很大。

石灰； 水玻璃； 水泥； 無側(cè)限抗壓強度； 粉土； 改良試驗

粉土既不同于粘土，又有別于砂土，具有獨特的工程性質(zhì)。粉土保水性差，直接填筑，很難達(dá)到規(guī)范要求壓實度。當(dāng)其含水率變化時，由于孔隙中含水率變化導(dǎo)致“假粘聚力”發(fā)生變化，從而導(dǎo)致粉土的強度發(fā)生較大變化。含水率較高時粉土的強度較低，通常不能滿足最小強度要求，因此需要通過物理或者化學(xué)的方法進(jìn)行加固。

在以往研究及工程實例中，化學(xué)加固方法主要采用石灰、水泥、二灰等作為改良劑對粉土進(jìn)行改良。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者專家對此進(jìn)行了研究并取得了一定的成果[1-4]。但是，雖然石灰改良土對減小路基工后沉降效果顯著，可是石灰穩(wěn)定初期土的塑性降低，而且石灰粉土強度對凍融循環(huán)敏感且經(jīng)過凍融強度降低；水泥改良土干縮、溫縮系數(shù)大，容易產(chǎn)生裂縫；采用二灰穩(wěn)定的粉土在實際工程中則存在早強低、水穩(wěn)性差等問題。而且，采用水泥、石灰、二灰進(jìn)行化學(xué)改良，施工時不可避免產(chǎn)生揚塵污染環(huán)境。采用石灰+水玻璃改良粉土可以很好地提高粉土強度，減少石灰摻量，降低對環(huán)境的污染，水泥+石灰改良土能一定程度上克服單獨作為改良劑改良粉土的缺陷。因此，本文通過室內(nèi)試驗采用石灰-水泥、石灰-水玻璃對粉土改良效果進(jìn)行對比研究。

1 工程概況

本研究依托泰州市東風(fēng)路南段(永定路—寧通高速)快速路改造工程，該工程起于泰州市永定路北側(cè)，向南延伸穿過寧通高速，止于徐莊村。擬建道路等級屬城市快速路，路寬為70.00 m左右。

泰州市位于砂質(zhì)粉土分布廣泛的長江三角洲平原區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，粉土是具有特殊工程性質(zhì)的土，粘聚力差，易于松散，壓實較困難；水穩(wěn)定性差，當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時路基強度隨含水量增加而降低；結(jié)構(gòu)性差，在振動荷載作用下，易產(chǎn)生液化現(xiàn)象。因此，沿線土質(zhì)不能當(dāng)作路基填料在工程中直接應(yīng)用，需要進(jìn)行固化處理，以保證路基施工質(zhì)量。

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結(jié)合料，如水泥、石灰、粉煤灰等進(jìn)行粉土的加固，并取得了很好的改良效果[5-8]。由于顆粒組成、礦物成分不同，不同改良劑對不同地區(qū)粉土改良效果有明顯差異。因此，有必要通過相關(guān)試驗對該地區(qū)粉土進(jìn)行改良試驗研究，具體分析不同改良劑改良效果以及其適應(yīng)性，同時分析不同改良劑不同組分摻量與壓實度對改良土強度的影響，得到改良這種粉土的最佳方案，對于泰州地區(qū)乃至全國粉土路基工程的設(shè)計和施工提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

2 試驗方案及方法

2.1 試驗方案設(shè)計

本試驗用土取自泰州市東風(fēng)路南段沿線低液限粉土，通過采用不同改良劑(石灰-水泥，石灰-水玻璃)、不同摻量(3%石灰+3%水泥、3%石灰+5%水泥、5%石灰+3%水泥；1%石灰+3%水玻璃、3%石灰+1%水玻璃、3%石灰+3%水玻璃)改良土的重型擊實試驗，確定最大干密度和最優(yōu)含水率，研究分析不同改良土的壓實特性。然后分別圍繞不同的壓實度(93%、94%、96%)、不同齡期(14、28、60 d)對改良填料以路基填料的無側(cè)限抗壓強度作為填筑質(zhì)量的控制指標(biāo)影響規(guī)律進(jìn)行研究，并加以分析對比，對于該地區(qū)路基工程的設(shè)計和施工提供相應(yīng)參考依據(jù)。

2.2 試驗材料

(1)石灰：采用二級灰；

(2)水泥：采用海螺牌復(fù)合硅酸鹽水泥PC32.5；

(3)水玻璃：采用模數(shù)為2.6～2.9的鈉水玻璃，濃度為39%。

2.3 試驗方法

(1)本試驗用土取該地區(qū)快速路改造工程沿線粉土，分別采用不同改良劑、不同摻量進(jìn)行研究；

(2)通過重型擊實試驗得到素土及不同改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率，分別在最優(yōu)含水率和不同的壓實度(93%、94%、96%)條件下對各改良土按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)采用靜壓法制備試樣，分別養(yǎng)護(hù)14、28、60 d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗；

(3)分析每種改良劑的改良效果，對比不同改良劑的改良效果以及不同因素對強度的影響規(guī)律。

2.4 試驗儀器及試驗過程

(1)重型擊實試驗：重型擊實儀采用電動擊實儀，錘質(zhì)量為4.5 kg，落高45.7 cm；擊實桶內(nèi)徑10 cm，桶高12.7 cm，體積997 cm3。試驗方法按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)進(jìn)行；

(2)無側(cè)限抗壓強度試驗：試樣采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)法養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后，浸水一晝夜，在萬能試驗機上進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗。

3 試驗結(jié)果

對所取素土進(jìn)行了液塑限、比重、顆粒分析以及擊實試驗，其試驗結(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《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)可知該土屬于低液限粉土。粉粒(0.002～0.075 mm)含量占總量的89.3%左右，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，級配差，難于壓實同時粉粒毛細(xì)作用強烈，水穩(wěn)定性差。

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)計規(guī)范》(JTJ024—85)

3.1 改良土的擊實效果

石灰-水泥改良土和石灰-水玻璃改良土的擊實曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 石灰-水泥改良土擊實曲線 圖2 石灰-水玻璃改良土擊實曲線

分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，對于石灰-水泥改良土而言，石灰摻量不變情況下，最大干密度隨水泥摻量的增加而增大；水泥摻量不變的情況下，改良土的最大干密度隨石灰摻量的增加也呈上升趨勢。改良土的最大干密度大于素土最大干密度，但最優(yōu)含水率(包含了水泥、石灰等摻料重量的整體含水率)與素土最優(yōu)含水率基本相等，在15.0%左右。從4條曲線可以看出，改良劑摻量越大最大干密度越大，且改良土的擊實曲線形狀與素土擊實曲線形狀基本一致。

從圖2可知，改良土擊實曲線整體向素土擊實曲線右下角方向遷移，即改良土的最大干密度呈減小趨勢，最優(yōu)含水率較素土變大。同時，石灰-水玻璃改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著改良劑摻量的變化基本不變。究其原因，是由于水玻璃溶液中的硅酸根離子與石灰中的鈣離子產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，把周圍土顆粒牢牢地粘結(jié)在一起生成堅硬的固體。由于反應(yīng)劇烈，反應(yīng)時間較短，這就導(dǎo)致了該種改良土的最大干密度隨改良劑摻量的變化基本不變。

3.2 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果與分析

3.2.1 石灰-水泥改良土無側(cè)限抗壓強度與壓實度的關(guān)系

不同摻量石灰-水泥改良劑改良土在不同壓實度(93%、94%、96%)條件下分別養(yǎng)護(hù)14、28、60 d進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，相關(guān)試驗結(jié)果見圖3。

圖3 石灰-水泥改良土無側(cè)限抗壓強度隨壓實度的變化曲線

分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，石灰-水泥改良土的無側(cè)限抗壓強度隨著壓實度的增加而增大，當(dāng)水泥、石灰摻量都是3%時，增大壓實度改良土的無側(cè)限抗壓強度增加最明顯。同時可以發(fā)現(xiàn)，水泥摻量不變時，改良土強度隨石灰摻量增加而增大；石灰摻量不變時，改良土強度隨水泥摻量增加而增大(水泥摻量在0～5%范圍)。這是因為石灰、水泥與土中礦物成分以及空氣發(fā)生較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成堅硬固體膠結(jié)物使改良土的強度增加，隨著摻量的增加這種反應(yīng)越明顯，改良土的強度也就越大。比較圖3(a)—(c)可以看出，改良土的無側(cè)限抗壓強度隨著齡期的增長而變大。

3.2.2 石灰-水玻璃改良土無側(cè)限抗壓強度與壓實度的關(guān)系

不同摻量石灰-水玻璃改良劑改良土在不同壓實度(93%、94%、96%)條件下分別養(yǎng)護(hù)14、28、60 d進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，相關(guān)試驗結(jié)果見圖4。

圖4 石灰-水玻璃改良土無側(cè)限抗壓強度隨壓實度的變化曲線

分析圖4可知，石灰-水玻璃改良土的無側(cè)限抗壓強度隨著壓實度的提高明顯增大。石灰摻量不變時，改良土強度隨水玻璃摻量的增加而增大，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加強度增加越明顯。水玻璃含量不變時，14 d齡期時改良土強度隨著石灰含量的增加而減小，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期增長到28 d后，改良土的強度隨著石灰摻量的增加而增大(石灰摻量在1%～3%范圍)。究其原因，是因為石灰、水玻璃不僅能與土中礦物成分和空氣發(fā)生發(fā)雜化學(xué)反應(yīng)，而且兩種改良劑本身還能發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成的固體物質(zhì)將周圍土顆粒粘結(jié)在一起形成堅硬的塊狀物質(zhì)，使改良土的強度快速增大。齡期較短時，強度的提高主要靠石灰與水玻璃之間的化學(xué)反應(yīng)，齡期較長時剩余石灰發(fā)揮了較大的作用，因此出現(xiàn)這樣的規(guī)律。

3.2.3 水泥、水玻璃對石灰改良土強度的影響

石灰摻量為3%時，摻入相同摻量(0，3%)水泥、水玻璃養(yǎng)護(hù)28 d后無側(cè)限抗壓強度變化曲線如圖5所示。

通過分析圖5我們可以發(fā)現(xiàn)，石灰摻量不變的情況下，摻入相同劑量水泥或水玻璃都能顯著提高改良土的強度，而且加入水泥后強度提高更加明顯。比較3條曲線可知，改良土的強度隨壓實度的增大均有所提高，石灰-水泥改良土的無側(cè)限抗壓強度受壓實度影響更加明顯。

圖5 石灰摻量為3%時摻入不同組分改良劑的強度隨壓實度的變化曲線

4 結(jié) 論

(1)石灰-水泥改良土最大干密度略高于素土最大干密度，最優(yōu)含水率與素土基本相同。石灰-水玻璃改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著改良劑摻量的變化基本不變，最大干密度小于素土最大干密度。

(2)石灰-水泥改良土無側(cè)限抗壓強度隨著壓實度增大而增加，隨著齡期的增長改良土強度明顯提高。對于石灰-水玻璃改良土而言，改良土的強度隨著壓實度的提高而增大，但增加幅度不明顯，石灰、水玻璃組分摻量對改良土強度影響很大。

(3)石灰摻量不變的情況下，摻入相同劑量水泥或水玻璃都能顯著提高改良土的強度，而且加入水泥后強度提高更加明顯。

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[責(zé)任編輯：謝 平]

Experimental study on the improvement of silty soil with different modifiers

YANG Zai-fu1，MA Wen-ning2

(1.Jiangsu Transportation Research Institute of Limited by Share Ltd，Nanjing 215000，China；2.The Development of Limited Company of Taizhou City Infrastructure Construction，Taizhou 225000，China)

The improving laboratory tests of silt in Taizhou area were carried out,according to Taizhou Dongfeng Road south expressway reconstruction project for the research of the effects of lime-cement and lime-water glass as modifiers on silt in this area. The research found that the maximum dry density of lime-cement soil is slightly higher than the maximum density of the plain soil,while the optimum water content is basically the same as the plain soil. The unconfined compressive strength of improved soil increased with the increase of compaction degree,and with the increase of soil age the strength significantly improved; the maximum dry density and optimum water content of lime-water glass modified soil unchanged with the change of modified dosage,and the maximum dry density is less than that of plain soil,the strength of modified soil increases with the increase of the degree of compaction,but the increase is not obvious,the content of lime and water glass component in lime-water glass improved soil has great influence on the strength of the modified soil.

lime； water glass； cement； unconfined compressive strength； silty soil； improved test

2096-3998(2017)03-0053-05

2016-12-06

2017-02-17

泰州市科技支撐計劃(社會發(fā)展)項目

楊再福(1982—)，男，四川省攀枝花市人，蘇交科集團(tuán)股份有限公司工程師，主要研究方向為道路工程。

TU441

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