消石灰、水泥改良粉土的強(qiáng)度及變形特性研究

宋博文 ，呂光東 ，朱文旺 ，張瑜

（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.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；3.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000）

0 引言

粉土是介于黏性土和砂土之間的一種土，具有松散、不穩(wěn)定、塑性指數(shù)低、黏性小和土粒徑集中等特點(diǎn)，不能直接用來填筑路基。由于社會(huì)發(fā)展、土地資源緊缺、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀和工期等原因，經(jīng)常要用粉土來填筑路基。為了避免因使用粉土填筑材料而造成的工程危害，必須對(duì)粉土進(jìn)行改良，使改良后的粉土能夠滿足路基填筑的設(shè)計(jì)要求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉土的改良進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，取得了一些重要成果。張瑜等[1]用石灰和水泥改良泰州地區(qū)的粉土，發(fā)現(xiàn)水泥改良粉土的效果比水泥加石灰好，改良土的CBR值隨著水泥摻合比的增加而增大。陳燕等[2]采用水泥改良粉土，并給出了水泥的最優(yōu)摻合比。張西海等[3]依托隴海線鄭州至徐州段鐵路工程，利用石灰和粉煤灰改良粉土，得出石灰粉煤灰改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻合比的增加而提高的結(jié)論。王?？〉萚4]通過摻加石灰、水泥來改性粉土，得到較為經(jīng)濟(jì)的摻合比和加固機(jī)理。尚新鴻[5]采用砂礫改良粉土，效果較好。

粉土作為路基填料要經(jīng)受反復(fù)的荷載作用，不僅要滿足承載力要求，而且要能經(jīng)受反復(fù)的荷載作用，故本文對(duì)石灰、水泥改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和循環(huán)荷載作用下的變形特性進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 土樣的基本物理性質(zhì)

在泰州市東風(fēng)路南段（永定路—寧通高速）采取的土樣，土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table1 The basic physical propertiesof soil

按 JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[6]判定泰州市東風(fēng)路南段的土樣為低液限粉土，不能直接作為路基填筑材料。

2 試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。采用水泥為普通硅酸鹽水泥（P.O32.5），石灰為二級(jí)灰（CaO）。

1）擊實(shí)試驗(yàn)：采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，試樣的制備采用干法制備。

2）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：以重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得的不同的摻加劑和摻合比改良粉土的最優(yōu)含水率為基準(zhǔn)，分別在試驗(yàn)室制配壓實(shí)度為93%、94%、96%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣，試樣分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)14 d，28 d，58 d和90 d。在進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)之前將試樣浸水飽和24 h。

3）循環(huán)荷載試驗(yàn)：試樣的直徑和高度均為50 mm，循環(huán)荷載下限利用公式其中K=0.477 5，假定輪載為集中荷載；P參照規(guī)范取100 kN；假定高等級(jí)道路面層厚度80 cm，即Z=0.8 m，代入公式得到下限荷載大小為74.6 kPa。循環(huán)荷載上限取為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的70%。

3 擊實(shí)特性試驗(yàn)分析

在試驗(yàn)室進(jìn)行不同的摻加劑和摻合比改良粉土重型擊實(shí)試驗(yàn)，繪制干密度與含水率的關(guān)系曲線，最后得到不同的摻加劑和摻合比改良粉土的最優(yōu)含水率和最大干密度，具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table2 Compaction test results

分析表2中的數(shù)據(jù)可知，摻加不同的摻加劑和摻合比對(duì)粉土的最大干密度影響很小，但對(duì)粉土的最大干密度影響顯著。消石灰改良法可以顯著地提高改良粉土的最優(yōu)含水率，但隨著摻合比的增大改良粉土的最優(yōu)含水率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。水泥改良法可以顯著的提高改良粉土的最優(yōu)含水率，但隨摻合比的增大改良粉土的最優(yōu)含水率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。消石灰和水泥聯(lián)合改良法對(duì)粉土的最優(yōu)含水率沒有較大的影響。

4 強(qiáng)度特性分析

4.1 消石灰改良粉土的強(qiáng)度特性分析

4.1.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

消石灰改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 消石灰改良粉土的養(yǎng)護(hù)齡期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.1 Curve of maintenance ageof silt modified with slaked lime and unconfined compression strength

圖2 消石灰改良粉土的摻合比與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Curve of mixing ratio of silt modified with slaked lime and unconfined compression strength

4.1.2 強(qiáng)度特性分析

粉土在93%、94%和96%壓實(shí)度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為57.6 kPa、59.1 kPa和68.3 kPa。由圖1和圖2分析可知，消石灰可以有效地提高粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。原因是將消石灰均勻摻加到粉土中后，會(huì)發(fā)生離子交換作用、碳化作用、火山灰作用和結(jié)晶作用[7-8]。離子交換作用：Ca（OH）2水化生成的Ca2+與黏土礦物表面吸附的K+、Na+進(jìn)行離子交換的團(tuán)粒化作用（由于粉土中黏粒含量較少，因此該反應(yīng)很弱）。碳化作用：Ca（OH）2與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成難溶性的碳酸鹽CaCO3。火山灰作用：Ca（OH）2與粉土中的SiO2和Al2O3發(fā)生了反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣（反應(yīng)十分緩慢），這兩種凝膠能夠在水環(huán)境下以凝膠體出現(xiàn)，后期逐步轉(zhuǎn)化為與土體膠結(jié)的纖維狀晶體。結(jié)晶作用：消石灰在摻入粉土后，產(chǎn)生的Ca（OH）2除去以上幾種作用之外，大部分以晶體形式析出，增加土體的強(qiáng)度。

由圖2發(fā)現(xiàn)：消石灰改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻合比的增加而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，5%消石灰的改良效果較好；消石灰改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的不斷增加也在不斷增加。

由圖1，消石灰改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而逐漸增長(zhǎng)，但14～28 d之間無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較大，在28 d之后增長(zhǎng)速率變小。這是因?yàn)樵?8 d之前，改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度主要是由離子交換作用、碳化作用、膠結(jié)作用和結(jié)晶作用共同作用產(chǎn)生的，故強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較大。在28 d之后，離子交換作用、碳化作用和結(jié)晶作用已基本完成（三者反應(yīng)較快），只進(jìn)行反應(yīng)緩慢的膠結(jié)作用，故強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率較小。

4.2 水泥改良粉土的強(qiáng)度特性分析

4.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

水泥改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 水泥改良粉土的養(yǎng)護(hù)齡期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.3 Curve of maintenance age of silt modified with cement and unconfined compression strength

圖4 水泥改良粉土的摻合比與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.4 Curve of mixing ratio of silt modified with cement and unconfined compression strength

4.2.2 強(qiáng)度特性分析

由圖3和圖4并對(duì)比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)，水泥可以高效地提高粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且改良粉土的效果比消石灰好。將水泥均勻摻加到粉土中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，主要有水化作用和碳化作用[9-10]。水泥水化后產(chǎn)生不溶于水的水硬性膠結(jié)產(chǎn)物，近而增加粉土的強(qiáng)度。水泥在粉土中水化后產(chǎn)生的 Ca（OH）2和 Mg（OH）2與空氣中的 CO2發(fā)生反應(yīng)生成難溶性的碳酸鹽，如CaCO3和MgCO3等。水泥改良粉土的效果比消石灰好，只因水泥產(chǎn)生的水化作用較消石灰產(chǎn)生的火山灰作用強(qiáng)，且反應(yīng)速率快，增加粉土的強(qiáng)度較為顯著。

由圖4可知，水泥改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻合比的增加而呈線性增加。水泥改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增加。

圖3分析可知，水泥改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)逐漸增大，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，增加幅度逐漸減小。14～28 d之間無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加速率較大，28 d之后的增長(zhǎng)速率變小。因?yàn)樗嗟脑缙趶?qiáng)度增長(zhǎng)較快，隨著齡期的增長(zhǎng)強(qiáng)度增長(zhǎng)越來越緩慢，即前期離子交換作用、硬凝作用和碳化作用等反應(yīng)速率較快，到后期反應(yīng)速率逐漸減小，導(dǎo)致強(qiáng)度增長(zhǎng)比較緩慢。

4.3 消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土

消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)齡期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.5 Curve of maintenance age and unconfined compression strength

圖6 摻合比與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.6 Curve of mixing ratio and unconfined compression strength

分析圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，消石灰和水泥聯(lián)合改良可以顯著提高粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著壓實(shí)度的增加，消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也在不斷增加。圖5中消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而逐漸增長(zhǎng)，但無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率在14～28 d之間較大，28 d之后變小。

對(duì)比圖6、圖3發(fā)現(xiàn)，在90 d養(yǎng)護(hù)齡期以后，3%消石灰+5%水泥聯(lián)合改良粉土與7%水泥改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差較小，但前者的改良成本相對(duì)較低。雖然3%的消石灰在前期改良效果一般，但在后期其改良效果顯著提高。故在進(jìn)行粉土改良時(shí)，可以采用3%消石灰和5%水泥聯(lián)合改良粉土，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的。

5 消石灰和水泥改良粉土的變形分析

由于消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土的效果較為經(jīng)濟(jì)高效，故對(duì)消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土進(jìn)行了循環(huán)荷載作用下的變形試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土的變形量Fig.7 Deformation of silt modified with slaked limeand cement

分析圖7可知，93%、94%和96%壓實(shí)度下的荷載變形重合在一條水平的直線上，表明消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土在初次達(dá)到下限荷載時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變與壓實(shí)度和摻合比無關(guān)。消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于381 kPa，而下限荷載為74.6 kPa（強(qiáng)度較小），因此只會(huì)引起的微弱變形，故呈現(xiàn)出不同壓實(shí)度下的荷載變形重合在一條水平直線上的現(xiàn)象。

93%、94%和96%壓實(shí)度的上荷載變形曲線都呈拋物線型，這表明消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土在初次達(dá)到上限荷載時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變隨著壓實(shí)度的增加而不斷增加，消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土在初次達(dá)到上限荷載時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變隨著摻合比的增加而呈現(xiàn)先減小后增大的拋物線型。因隨著摻合比的變化改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，故抵抗變形的能力也呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，而上限荷載強(qiáng)度也呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，會(huì)不斷產(chǎn)生先增大后減小的荷載變形，但此時(shí)抵抗變形能力大于產(chǎn)生荷載變形的能力，故呈現(xiàn)先減小后增大的拋物線型。

93%、94%和96%壓實(shí)度的破壞時(shí)變形曲線都呈拋物線型，表明消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土在達(dá)到破壞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變隨著壓實(shí)度的增加而不斷增加，消石灰和水泥聯(lián)合改良粉土在達(dá)到破壞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變隨著摻合比的增加而呈現(xiàn)先減小后增大的拋物線型。因?yàn)殡S著摻合比的變化改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，故抵抗疲勞變形的能力也呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，而上限荷載強(qiáng)度也呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，會(huì)不斷產(chǎn)生先增大后減小的荷載變形，但此時(shí)抵抗疲勞變形能力大于產(chǎn)生荷載變形的能力，故呈現(xiàn)先減小后增大的拋物線型。

6 結(jié)語

1）添加不同的摻加劑和摻合比對(duì)粉土的最大干密度影響很小，但對(duì)最優(yōu)含水率的影響較大。消石灰改良法和水泥改良法都可以顯著提高改良粉土的最優(yōu)含水率。消石灰和水泥聯(lián)合改良法對(duì)粉土的最優(yōu)含水率影響較小。

2）消石灰、水泥、消石灰和水泥聯(lián)合均可以有效地提高粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，消石灰改良的效果相對(duì)另外兩種差。3%消石灰和5%水泥聯(lián)合改良粉土可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的效果。消石灰改良法、水泥改良法及消石灰和水泥聯(lián)合改良法改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在14～28 d之間的增長(zhǎng)速率較大，28 d之后的增長(zhǎng)速率較小。

3）消石灰和水泥聯(lián)合改良法均可以有效地提高粉土抵抗變形的能力。

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