過量石灰對細粒土改良效果“負效應(yīng)”機理的宏-細觀試驗研究

王章瓊，白俊龍，葉張顏

1.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；2.恩施市公路管理局，湖北 恩施 445000

隨著我國交通、水利、市政等建設(shè)的快速發(fā)展，在工程中遇到的特殊土（如軟土、黃土、膨脹土等）問題也越來越多。當這些特殊土作為建筑地基或建筑材料時，則必須進行土質(zhì)改良。石灰具有便于就地取材、價格低廉、環(huán)境友好、耐久性好等顯著優(yōu)點［1-2］，在特殊土改良中得到廣泛應(yīng)用［3-4］。

大量研究表明，土體摻入石灰后其強度特性［5-6］、變形特性［7］、水穩(wěn)定性［8］、抗凍性等均會得到明顯改良。同時也有學者發(fā)現(xiàn)，當其他條件一定時，改良土試樣無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度與石灰摻量并不呈正相關(guān)，石灰摻量過高時反而會導致改良土力學性質(zhì)發(fā)生劣化，并據(jù)此提出最優(yōu)石灰摻量［9-10］，但未對該現(xiàn)象產(chǎn)生機理進行深入分析。

對于石灰摻量過高時對土體改良效果產(chǎn)生“負效應(yīng)”機理的研究，目前主要是從化學反應(yīng)、固化土微觀結(jié)構(gòu)特征、特殊化學成分生成及其含量變化等方面進行探討。有學者認為，當石灰添加量超過最佳添加量時，一部分石灰作用于土體，另一部分殘留在土中導致土顆粒之間的結(jié)合力減小，進而降低改良土無側(cè)限抗壓強度［11］；也有學者從無側(cè)限抗壓試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線、試樣變形破壞形式的角度分析石灰摻量對改良土力學性質(zhì)的影響［12］。此外，還有學者從微觀角度探討石灰摻量對特殊土改良效果的影響［13-15］。

綜上，目前在石灰摻量對土體改良效果“負效應(yīng)”產(chǎn)生機理研究方面，主要采用抽象理論分析，無法直觀揭示問題本質(zhì)；也有從微觀結(jié)構(gòu)特征角度進行分析，然而無法明確地建立起微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學行為之間的聯(lián)系。本文擬制備不同石灰摻量的紅砂巖殘積土試樣，養(yǎng)護后分別進行無側(cè)限抗壓試驗和掃描電子顯微鏡（scaning electron microscope，SEM）試驗，獲得試樣最優(yōu)石灰摻量，并通過對壓縮試驗中試樣變形破壞形式及改良土試樣顆粒與石灰空間排列情況的分析，從宏觀-細觀角度揭示石灰摻量過大時改良土力學特性劣化機理。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

1.1.1 砂 土 試驗采用的砂土為紅砂巖殘積土［16］，取自恩施市城區(qū)，其天然含水量為8.2%，天然密度為1.49 g/cm3，最大干密度為1.72 g/cm3，最優(yōu)含水量為12.4%。

通過篩分法得到紅砂巖殘積土的顆粒級配曲線（圖1），其不均勻系數(shù)Cu=3.4＜5，為均勻土，級配不良，不宜直接用作路基填土。1.1.2 石灰 試驗用石灰為生石灰，CaO質(zhì)量分數(shù)不低于98%，燒失量為2%，為化學試劑用CaO。

圖1 紅砂巖細粒土顆粒級配曲線Fig.1 Particle size analysis of fine grained soil of red sandstone

1.2 試樣制備

為確保石灰在土中均勻分布，首先將石灰粉末與風干紅砂巖殘積土混合并攪拌均勻，然后灑水拌和，并密封悶料。

1.3 無側(cè)限抗壓試驗

制備壓實度為95%、含水量為12.8%（最優(yōu)含水量）的圓柱試樣，尺寸為5 cm×5 cm。將試樣分為5組，各組試樣摻入石灰的質(zhì)量分數(shù)分別為5%、7%、9%、11%、13%，每組6個。將每組試樣再分成2小組，每小組3個試樣，各小組試樣分別在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28、60 d后進行無側(cè)限抗壓試驗。

1.4 SEM試驗

采集無側(cè)限抗壓試驗后的試樣破碎塊體（養(yǎng)護齡期為28 d，摻入石灰的質(zhì)量分數(shù)分別為5%、7%、9%、11%、13%）制備樣品，用于SEM試驗。此外，制備壓實度為95%、含水量為12.8%的未摻灰素土試樣用于對比。具體操作方法為：用手掰開破碎塊體，使之出現(xiàn)新鮮斷裂面；用刀片切削塊體側(cè)面及底面，得到SEM試樣，并分別進行編號。

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓試驗

2.1.1 不同石灰摻量改良土試樣的無側(cè)限抗壓強度 養(yǎng)護齡期分別為28、60 d的石灰改良紅砂巖細粒土無側(cè)限抗壓強度與石灰摻量關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯?，石灰摻量對改良土無側(cè)限抗壓強度影響顯著：

圖2 無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果Fig.2 Results of unconfined compression test

1）相同養(yǎng)護齡期條件下，無側(cè)限抗壓強度隨石灰摻量的增大而先增大后減小，存在明顯的峰值，對應(yīng)的最優(yōu)石灰摻量約為11%。且養(yǎng)護齡期為28 d和60 d的改良土對應(yīng)的最優(yōu)石灰摻量基本一致，均為11%。這表明在一定范圍內(nèi)提高石灰摻量，可以有效提高改良土的無側(cè)限抗壓強度，但石灰摻量超過最優(yōu)值后，反而會對改良土力學特性產(chǎn)生“負效應(yīng)”。

2）相同石灰摻量條件下，養(yǎng)護齡期為60 d的改良土試樣無側(cè)限抗壓強度明顯大于養(yǎng)護齡期為28 d的試樣，前者約為后者的1.28～1.40倍。可能是因為養(yǎng)護60 d的試樣，石灰與土顆粒、水的物理化學反應(yīng)比養(yǎng)護28 d的試樣更完全。

2.1.2 試樣變形破壞形式 養(yǎng)護齡期為60 d，摻入石灰的質(zhì)量分數(shù)分別為5%、7%、9%、11%、13%的改性土試樣，其無側(cè)限抗壓試驗后變形破壞形式如圖3所示?？梢钥闯?，石灰摻量為5%時［圖3（a）］，壓縮試驗后試樣出現(xiàn)1條縱向主裂縫，試樣表面幾乎未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。石灰摻量為7%［圖 3（b）］、9%［圖 3（c）］、11%［圖 3（d）］時，試樣出現(xiàn)多條縱向貫通主裂縫，且沿主裂縫發(fā)育多條縱向非貫通裂縫；試樣表面出現(xiàn)規(guī)模不等的剝落，剝落塊體體積與摻灰量正相關(guān)；試樣破壞后仍較完整，軸向荷載達到峰值后具有一定殘余強度，表明石灰提高了試樣的脆性。當石灰摻量達到13%時［圖3（e）］，試樣內(nèi)部縱向裂隙極為發(fā)育，試樣大部分剝落成散體，整體松散破碎，軸向荷載達到峰值后殘余強度急劇下降，表明改良土脆性進一步提高。整體而言，石灰摻量與改良土變形破壞形式相關(guān)性顯著，試樣內(nèi)部裂隙規(guī)模和數(shù)量均隨石灰摻量的增大而增大。

2.2 不同石灰摻量改良土試樣的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

石灰摻量不同時，土體微觀結(jié)構(gòu)必然會有差異。為了解石灰摻量對改良土微觀結(jié)構(gòu)的影響，通過SEM試驗，觀察不同石灰摻量改良土試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征（圖4）。

圖3 不同石灰摻量試樣的破壞形式實物圖和示意圖（齡期 60 d）：（a）5%，（b）7%，（c）9%，（d）11%，（e）13%Fig.3 Physical images and schematic illustrationsof failure mode specimen with different lime mass fractions（curing age is 60 d）：（a）5%，（b）7%，（c）9%，（d）11%，（e）13%

可以看出，未摻石灰時［圖4（a）］，土顆粒之間接觸較緊密，但沒有黏性礦物聯(lián)結(jié)，孔隙率較大；石灰摻量為5%［圖4（b）］時，土顆粒之間有石灰膠結(jié)聯(lián)結(jié)，且石灰填充了部分孔隙；當石灰摻量增大到 7%［圖 4（c）］、9%［圖 4（d）］、11%［圖 4（e）］時，參與膠結(jié)土顆粒的石灰逐漸增多，孔隙率逐漸降低，土體骨架的整體性得到較大提高；當石灰摻量增大到13%［圖4（f）］后，土顆粒之間充填石灰的厚度進一步增大，土顆粒失去直接聯(lián)結(jié)，“懸浮”于石灰之中。

2.3 石灰摻量對改良效果的影響機理

圖4 不同石灰摻量試樣的SEM圖：（a）0%，（b）5%，（c）7%，（d）9%，（e）11%，（f）13%Fig.4 SEM images of specimen with different lime mass fractions：（a）0%，（b）5%，（c）7%，（d）9%，（e）11%，（f）13%

土體是由礦物顆粒按照一定規(guī)律在空間上組合而成，其微觀結(jié)構(gòu)特征決定了宏觀力學行為。為進一步分析石灰摻量對改良土試樣微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學特性的影響，基于無側(cè)限抗壓及SEM試驗結(jié)果，繪制了不同石灰摻量試樣微觀結(jié)構(gòu)及破壞形式示意圖（圖5）?？梢钥闯觯煌覔搅康脑嚇?，其微觀結(jié)構(gòu)特征與無側(cè)限抗壓強度、變形破壞形式具有明顯相關(guān)性。

當石灰摻量由5%［圖5（a）］增大到11%［圖5（d）］，石灰填充了土顆粒之間間隙，石灰將土顆粒膠結(jié)在一起，增強了砂土的整體性。軸向壓縮時，豎向荷載由土顆粒和土顆粒間石灰共同承擔；隨著荷載的增大，消石灰發(fā)生脆性破壞，試樣內(nèi)部多處出現(xiàn)縱向裂隙，裂縫逐漸擴展并貫通，最終試樣破壞。

當石灰摻量達到13%時［圖5（e）］，由于充填石灰過多，土顆粒無法構(gòu)成整體骨架。軸向壓縮時，豎向荷載主要由土顆粒間石灰承擔，而土顆粒對無側(cè)限抗壓強度的貢獻遠低于顆粒間石灰。因而其無側(cè)限抗壓強度反而小于石灰摻量為11%的試樣，且試樣內(nèi)部裂隙極為發(fā)育，脆性增強。

圖5 不同石灰摻量試樣微觀結(jié)構(gòu)及破壞形式示意圖：（a）5%，（b）7%，（c）9%，（d）11%，（e）13%Fig.5 Schematic diagrams of microstructure and failureform of specimen with different lime mass fractions：（a）5%，（b）7%，（c）9%，（d）11%，（e）13%

3 結(jié) 論

1）養(yǎng)護齡期相同時，試樣無側(cè)限抗壓強度隨摻入石灰的質(zhì)量分數(shù)的增大而先上升后下降，摻入石灰的最優(yōu)質(zhì)量分數(shù)約11%。石灰摻量相同時，養(yǎng)護60 d的試樣無側(cè)限抗壓強度高于養(yǎng)護28 d的試樣。

2）隨著石灰摻量的增大，無側(cè)限壓縮試驗過程中試樣內(nèi)部縱向裂隙數(shù)量及規(guī)模逐漸增大，試樣脆性逐漸增強。

3）未摻石灰時，試樣土顆粒之間連接緊密，但無膠結(jié)聯(lián)結(jié)；摻入石灰的質(zhì)量分數(shù)增大到5%、7%、9%、11%時，土顆粒之間孔隙被消石灰填充，消石灰將土顆粒聯(lián)結(jié)起來，增強了砂土顆粒的整體性；摻入石灰的質(zhì)量分數(shù)達到13%時，充填的石灰厚度過大，土顆?！皯腋　痹谑抑?。

4）石灰摻量過大導致改良土力學性質(zhì)劣化的主要原因是過量的石灰導致土顆粒處于“懸浮”狀態(tài)。軸向荷載作用下，消石灰最先產(chǎn)生裂縫并逐漸貫通，土顆粒對承受軸向荷載的貢獻大大減小。因而試樣無側(cè)限抗壓強度反而降低，壓縮試驗后試樣破碎，裂隙極為發(fā)育。