石灰和水玻璃共同改良粉土試驗研究

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(河海大學 a.巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室； b.江蘇省巖土工程技術工程研究中心，南京 210098)

石灰和水玻璃共同改良粉土試驗研究

朱文旺a,b，張文慧a,b，姜沖a,b,張瑜a,b,吳兵a,b

(河海大學 a.巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室； b.江蘇省巖土工程技術工程研究中心，南京 210098)

對泰州地區(qū)粉土用石灰和水玻璃進行室內(nèi)改良試驗，研究了不同摻量石灰+水玻璃(1%石灰+3%水玻璃、3%石灰+1%水玻璃、3%石灰+3%水玻璃)改良粉土的改良效果，得出以下結論：石灰+水玻璃對粉土有良好的改良效果，改良土的CBR值較素土有很大的提高；改良土的CBR值與無側(cè)限抗壓強度均隨著養(yǎng)護時間和壓實度的增加明顯提高；粉土中摻入3%石灰+3%水玻璃后改良效果最佳，摻入1%石灰+3%水玻璃后能快速提高粉土的早期強度。試驗成果可以指導實際工程依據(jù)強度要求確定不同的石灰+水玻璃摻量。

粉土改良試驗；石灰；水玻璃；CBR值；無側(cè)限抗壓強度；養(yǎng)護時間；壓實度

1 研究背景

粉土屬于第四系全新統(tǒng)地層(Q4)，沖洪積而成，多呈棕黃色，散粒結構，屬于細粒土，粉粒含量高，黏粒含量少，塑性指數(shù)低，具有松散、黏聚力差、易液化等特點，是一種工程性質(zhì)很差的路基填筑材料，應用之前必須進行改良處理[1-2]。

目前國內(nèi)學者在利用石灰、水泥以及粉煤灰作為改良劑改良粉土的整體性及物理力學性能方面已經(jīng)有了一些重要的理論成果。王?？〉萚1]對石灰、水泥類改良土的CBR指標與齡期和配合比的規(guī)律進行了研究，提出了經(jīng)濟合理的配比方案，并闡述了改良粉土的CBR試驗方法和加固機理；張西海等[2]結合實際工程，對路基填料粉土用石灰及石灰粉煤灰改良粉土的效果進行了試驗研究，得出了石灰在早期能較好地改良粉土的水穩(wěn)定性，石灰粉煤灰改良粉土的無側(cè)限抗壓強度隨著粉煤灰摻合比的增加而提高；陳燕等[3]分析了不同改良劑的優(yōu)缺點，并選用水泥進行改良粉土試驗，最終確定了水泥的最佳摻入比;王?？〉萚4]從試驗的角度對不同的摻灰劑(水泥、石灰)及不同配合比改良后粉土的性質(zhì)進行分析，并研究了改良后粉土CBR值、無側(cè)限抗壓強度與齡期及配合比的關系;武慶祥等[5]利用水泥、石灰對京臺高速公路北京段路基粉土進行改良，研究改良土的強度、壓縮性和滲透性，同時比較了2種改良劑的改良效果，并對不同類型粉土土樣應使用何種改良劑提出了合理的建議;白祖國[6]利用石灰、水泥對粉土進行改良，并進行效果評價分析，提出了適合于工地使用的最佳摻配比，同時通過改變試驗條件，得出了浸泡時間對改善土的CBR值的影響規(guī)律。

近些年，水玻璃作為改良劑改良土的物理力學性質(zhì)逐漸進入學者的研究范圍。虞躍等[7-9]對水玻璃改良昔格達土物理力學性質(zhì)進行了試驗研究，同時分析了水玻璃改良昔格達土的機理，并通過改良土對于穩(wěn)定邊坡的作用及改良土模擬邊坡沖刷試驗，探討了水玻璃改良土在工程中的應用前景。

加州承載比(California Bearing Ratio，CBR)是用于評定路基和路面材料的強度指標，表征了材料抵抗局部荷載壓入變形的能力。

本文選用石灰和水玻璃作為摻加劑對泰州某地區(qū)粉土進行了改良，并通過室內(nèi)擊實試驗、CBR試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗對改良效果進行了研究。

2 試驗土樣基本物理性質(zhì)

本試驗原狀土樣取自泰州市東風路南段(永定路—寧通高速)快速路改造工程，需要將沿線粉土加以改良后作為填料填筑路基。通過對土樣進行顆粒分析，以及比重、液塑限和擊實試驗，得到該粉土的基本物理性質(zhì)，如表1所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標Table 1 Physical properties of soil

該土樣中粒徑在0.002～0.075 mm之間的粉粒和砂粒含量占90.7%，液限為28.5%，依據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTJ 024—85)[10]判斷該土屬于低液限粉土。

3 試驗方法

以下所有試驗及制樣過程均按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)[11]進行。

(1) 試驗采用石灰與水玻璃作為改良劑共同摻入粉土土樣，水玻璃濃度為40%，模數(shù)為2.6～2.9，擬定以下3種摻量：1%石灰和3%水玻璃、3%石灰和1%水玻璃、3%石灰和3%水玻璃(百分數(shù)為摻加劑與干土的質(zhì)量比)。

(2) 采用重型擊實試驗，測得以上3種摻量改良土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率，以此最優(yōu)含水率為準，對每種摻合比土樣制備3種不同壓實度(93%，94%，96%)的CBR試驗以及無側(cè)限抗壓強度試驗試樣。CBR試驗試樣分別養(yǎng)護0,28 d，試驗前需將試樣浸水4個晝夜；無側(cè)限抗壓強度試驗試樣分別養(yǎng)護14,28,58,90 d,試驗前將試樣飽和24 h。

圖1 石灰+水玻璃改良土擊實曲線Fig.1 Compaction curves of soil improved by lime and sodium silicate

4 試驗結果分析

4.1 擊實試驗

石灰+水玻璃改良土的擊實試驗結果如圖1、表2所示。由圖1和表2可以看出：改良土的最優(yōu)含水率比素土大，最大干密度比素土??；3種不同摻合劑的改良土的最大干密度大致相同；當石灰摻合比相同時，改良土的最優(yōu)含水率隨著水玻璃的摻合比增加而增大，當水玻璃摻合比相同時，改良土的最優(yōu)含水率隨著石灰的摻合比增加而增大。

表2 石灰+水玻璃改良土擊實試驗結果Table 2 Compaction test results of soil improved by lime and sodium silicate

4.2 CBR試驗

石灰+水玻璃改良土在不養(yǎng)護和養(yǎng)護28 d條件下CBR值與壓實度的關系如圖2所示。表3為不同摻量、不同壓實度的改良土在養(yǎng)護28 d后的CBR值與不養(yǎng)護的CBR值的比。

圖2 石灰+水玻璃改良土未養(yǎng)護和養(yǎng)護28 d條件下CBR與壓實度關系曲線Fig.2 Relationship between CBR and compaction degree of soil improved by lime and sodium silicate under the condition of curing periods of 0 d and 28 d

表3 養(yǎng)護28 d與不養(yǎng)護改良土CBR值之比Table 3 Ratio of CBR value of improved soil with 28 days of curing to that with no curing

根據(jù)圖2可知:不同摻量改良土的CBR值隨著壓實度的增大而提高;改良土在養(yǎng)護28 d后，土樣的CBR值均有一定程度的提高;在不養(yǎng)護和養(yǎng)護28 d條件下，石灰+水玻璃改良土的CBR值均遠大于素土的CBR值；1%石灰+3%水玻璃摻量和3%石灰+3%水玻璃摻量改良土的CBR值均比3%石灰+1%水玻璃摻量改良土的CBR值高。在93%和94%壓實度條件下，未養(yǎng)護時，1%石灰+3%水玻璃摻量改良土CBR值高于3%石灰+3%水玻璃摻量改良土的CBR值;養(yǎng)護28 d后，1%石灰+3%水玻璃摻量改良土CBR值低于3%石灰+3%水玻璃摻量改良土的CBR值。因此，在養(yǎng)護28 d條件下，粉土中加入3%石灰+3%水玻璃后改良效果最佳。

根據(jù)表3可以看出，3%石灰+1%水玻璃摻量的改良土在養(yǎng)護28 d后CBR值增加幅度最大，而其余2種摻量改良土的增加幅度則相對較小。再根據(jù)上述對圖2的分析可以推斷，粉土中加入合適比例的石灰和水玻璃后，能夠在改良前期就能快速有效地發(fā)揮出改良劑的改良效果，提高粉土的早期強度。實際工程中可以根據(jù)對粉土各時期的強度要求來選取合適的石灰和水玻璃的比例和摻量。

4.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

素土與改良土的無側(cè)限抗壓強度如表4、表5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，素土中加入3種不同摻合比的石灰和水玻璃后，其無側(cè)限抗壓強度有很明顯的提升。

表4 不同壓實度下素土的無側(cè)限抗壓強度Table 4 Unconfined compressive strength of plain soil with different compaction degrees

圖3 不同摻量改良土無側(cè)限抗壓強度與齡期的關系曲線Fig.3 Relationship between unconfined compressive strength and curing age of improved soil with different admixture proportions

表5 96%壓實度改良土的無側(cè)限抗壓強度Table 5 Unconfined compressive strength of improved soil with compaction degree of 96%

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別為1%石灰+3%水玻璃、3%石灰+1%水玻璃、3%石灰+3%水玻璃改良土的無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關系。

由圖3可以看出，改良土的無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護時間的增長而提高，隨著壓實度的增大而提高。

對比表5中的數(shù)據(jù)可以得知:養(yǎng)護時間超過28 d 后,3%石灰+3%水玻璃摻量的改良土的無側(cè)限抗壓強度值為3種摻量改良土中最高； 1%石灰+3%水玻璃摻量的改良土在養(yǎng)護14 d時的無側(cè)限抗壓強度為3種摻量改良土中最高，且其隨著養(yǎng)護時間的增長而增加的幅度較小。根據(jù)以上分析也可得出：3%石灰+3%水玻璃摻量對粉土有最佳改良效果；1%石灰+3%水玻璃摻量改良粉土時在前期就能快速地發(fā)揮出改良劑的改良效果，提高粉土的早期強度。

使用石灰單獨改良粉土時，由于粉土中黏粒含量很少，其陽離子交換能力和火山灰作用很弱，土顆粒與石灰很難較快地產(chǎn)生硅酸鹽、鋁酸鹽呈膠結作用，形成的晶體及晶體相互結合的程度較差，強度的形成主要依賴Ca(OH)2的碳酸化和自行結晶作用[1]，該過程較為緩慢，改良土的強度會隨著齡期的增長緩慢增加。當在粉土中同時加入石灰和水玻璃時，水玻璃中的硅酸根離子會與石灰中的鈣離子發(fā)生劇烈反應生成硅酸鈣膠體，這些膠結物有效地提高了粉粒之間的聯(lián)結力，對粉土前期強度的提高起到了很大的作用；隨著齡期的增長，膠結物逐漸轉(zhuǎn)化為晶體狀態(tài)，粉土強度進一步提高。

5 結 論

通過對泰州地區(qū)粉土進行石灰+水玻璃室內(nèi)改良試驗，可知石灰+水玻璃對粉土有良好的改良效果。試驗結果可以總結為：

(1) 石灰+水玻璃改良土的最優(yōu)含水率比素土大，最大干密度比素土??；不同摻合比的改良土的最大干密度大致相同；當石灰摻合比相同時，改良土的最優(yōu)含水率隨著水玻璃摻合比的增加而增大，當水玻璃摻合比相同時，改良土的最優(yōu)含水率隨著石灰摻合比的增加而增大。

(2) 石灰+水玻璃改良土的CBR值遠大于素土CBR值，并隨著壓實度和養(yǎng)護齡期的增加而增大。

(3) 石灰+水玻璃改良土的無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而提高，隨著壓實度的增大而提高。

(4) 對于3種不同的改良劑(1%石灰+3%水玻璃，3%石灰+1%水玻璃，3%石灰+3%水玻璃)，加3%石灰+3%水玻璃能夠最大地提高粉土的強度，改良效果最佳；加1%石灰+3%水玻璃在前期就能有效地發(fā)揮出改良劑的改良效果，迅速地提高粉土的早期強度。

(5) 在實際工程中,可以根據(jù)對粉土各時期的強度要求來選取合適的石灰和水玻璃的比例和摻量，既能保證改良土的后期強度，又能使其前期具有很高的強度。

[1] 王海俊,殷宗澤，余湘娟.粉土路堤填料的CBR試驗研究[J].路基工程,2006,24(1):56-58.

[2] 張西海,夏 瓊，楊有海.石灰及其與粉煤灰混合料改良粉土的試驗研究[J].路基工程，2007,25(3):43-45.

[3] 陳 燕,魏宏超，徐 鵬.高速鐵路粉土路基改良試驗研究[J].安全與環(huán)境工程，2011,18(3):126-128.

[4] 王?？?余湘娟，殷宗澤，等.粉土用作路堤填料的試驗研究[J].防災減災工程學報，2006,26(4):468-472.

[5] 武慶祥,彭麗云，龍佩恒.石灰水泥對粉土的改良研究[J].公路，2015,60(9):14-19.

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

[7] 虞 躍,陳廷方,張 俊.水玻璃改良昔格達土物理力學性質(zhì)的試驗研究[J].路基工程,2010,28(2):84-85.

[8] 虞 躍,陳廷方.水玻璃改良昔格達土機理分析[J].路基工程,2011,29(6):12-14.

[9] 虞 躍,陳廷方.水玻璃改良昔格達土應用前景探討[J].路基工程,2012,30(2):12-14.

[10] JTJ 024—85，公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1985.

[11] JTG E40—2007，公路土工試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2007.

(編輯：劉運飛)

Experimental Study on Silt Improved by Lime and Sodium Silicate

ZHU Wen-wang1,2,ZHANG Wen-hui1,2,JIANG Chong1,2,ZHANG Yu1,2,WU Bing1,2

(1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering under Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Engineering Research Center of Geotechnical Engineering Technologies of Jiangsu Province,Hohai University,Nanjing 210098,China)

An indoor test of improving silt in Taizhou by using lime and sodium silicate was carried out,and the improvement effects of different mix proportions of lime and sodium silicate were studied: 1% lime and 3% sodium silicate,3% lime and 1% sodium silicate,3% of lime and 3% sodium silicate,respectively.Results revealed that,1) lime and sodium silicate could effectively improve silt’s properties,with obvious increase of CBR value in comparison with plain soil; 2) the CBR value and unconfined compressive strength of improved soil obviously increased with the increase of curing age and compaction degree; 3) 1% lime and 3% sodium silicate could achieve the best improvement effect,while 1% lime and 3% sodium silicate could rapidly improve the early strength of soil.The test results can be taken as reference for determining the blending proportions of lime and sodium silicate according to needed strength.

improvement test of silt; lime; sodium silicate; CBR value; unconfined compressive strength; curing age; degree of compaction

TU441.2

A

1001-5485(2017)10-0091-04

2016-07-12 ；

2016-08-24

中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目(KYLX15-0469)

朱文旺(1993-)，男，安徽樅陽人，碩士研究生，主要研究方向為土的靜動力學特性、特殊土處治技術，(電話)18251826839(電子信箱)1161382324@qq.com。

張文慧(1973-)，男，甘肅會寧人，副教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為土的靜動力學特性、特殊土處治技術等，(電話)13605184284(電子信箱)zhangwenhui@hhu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160708 2017,34(10):91-94