不同水泥及石灰摻和比條件下膨脹土的改性試驗(yàn)研究

畢新玲

(福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

0 引言

膨脹土是我國(guó)江淮河流沖積地區(qū)的一個(gè)典型特殊性土，其內(nèi)部含有大量的親水性礦物，具有吸水膨脹、失水崩解等特征，對(duì)水利基礎(chǔ)工程的施工極為不利。針對(duì)膨脹土這種不良的地質(zhì)特性，一些研究者進(jìn)行了相關(guān)研究。如：吳建濤等[1]為降低膨脹土受水的影響程度，提出了水泥加生石灰的改性思路；魏存蘭[2]研制不同比例的膨脹土試樣，并根據(jù)其在不同浸水工況下的膨脹過程，對(duì)其含水率的變化進(jìn)行了分析；熊欽武[3]借助一系列單軸、三軸試驗(yàn)，將膨脹土在不同含水率下的抗壓、抗剪強(qiáng)度的變化進(jìn)行了研究；黃偉、譚文超等通過模擬不同溫濕度、干濕循環(huán)交替作用下膨脹土的物理性質(zhì)及劣化過程，提出了膨脹土改良應(yīng)重點(diǎn)控制內(nèi)部自由水的遷移[4-5]。除此外，為進(jìn)一步改良膨脹土，有研究者還提出了采用雙摻法可彌補(bǔ)單一改性劑對(duì)膨脹土的缺失，建立膨脹土物理力學(xué)地質(zhì)模型的必要性[6-10]。基于上述研究，筆者以江淮平原地區(qū)某水利工程為依托，選取該地區(qū)典型的膨脹土試樣，將水泥及生石灰進(jìn)行雙摻綜合配比，觀察其改良后的物理力學(xué)性質(zhì)及變化規(guī)律，以為該類型膨脹土的改良提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土來自于某水利工程標(biāo)段J1+400～J1+500段內(nèi)開挖的土體，開挖深度3.0 m，開挖厚度1.5 m，開挖土樣見圖1。室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)表明：土體天然密度在1.7～1.82 g/cm3；天然含水率為25.0%～25.3%；自由膨脹率約為52%；液限含水率在51.2%；塑限含水率在22.0%；塑性指數(shù)為28～29。土樣擊實(shí)試驗(yàn)表明：最優(yōu)含水率為18%；最大干密度1.79 g/cm3。

圖1 試樣所用膨脹土試樣 圖2 膨脹土樣顆分曲線

水泥中的礦物成分、水化物以及配合比是影響膨脹土性狀的重要特性。試驗(yàn)選擇的水泥樣品為海螺水泥所生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，基本力學(xué)參數(shù)見表1，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求。

表1 試驗(yàn)用水泥基本質(zhì)量

生石灰主要是利用高溫(1 000 ℃以上)將石灰石加熱分解產(chǎn)生氧化鈣和二氧化碳，煅燒后的生石灰呈白色粉末狀。生石灰遇水后產(chǎn)生較高熱量的同時(shí)，可使土體內(nèi)的水分蒸發(fā)，然后，熟化后的生石灰會(huì)溶于水中，其顆粒內(nèi)的Ca2+可與膨脹土內(nèi)部的親水礦物反應(yīng)生成凝膠狀穩(wěn)定物質(zhì)，成為土顆粒的粘合劑。與此同時(shí)，氧化鈣與水中碳酸反應(yīng)時(shí)所生成的碳酸鈣難溶于水，這些顆粒物質(zhì)在土顆粒中將形成骨架來進(jìn)一步增加土體的強(qiáng)度。試驗(yàn)所選用的生石灰主要成分及含量見表2。

表2 試驗(yàn)用生石灰成分及含量

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要是改變水泥及生石灰的摻入比，以獲取改性后的膨脹土的物理力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律。參考文獻(xiàn)[4-5]關(guān)于水泥和生石灰雙摻改性后的淤泥質(zhì)土抗壓強(qiáng)度效果分析：改良后單一改良劑效果遠(yuǎn)小于同時(shí)進(jìn)行雙摻后的改良效果；水泥與生石灰等量加入改良過程中水泥和生石灰存在一個(gè)最低摻入比。本試驗(yàn)從膨脹性、抗壓、抗剪以及液塑限等4個(gè)角度去分析等量摻入生石灰及水泥后的變化過程。

1.2.1 膨脹性試驗(yàn)

膨脹性試驗(yàn)主要是通過測(cè)量膨脹土的膨脹率(自由膨脹率和有壓膨脹率)來實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)裝置見圖3和圖4。自由膨脹率試驗(yàn)采用量筒進(jìn)行標(biāo)定，有壓膨脹率試驗(yàn)采用天津美特斯試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的STD-5有壓膨脹試驗(yàn)儀。自由膨脹率試驗(yàn)：首先篩選0.5 mm的膨脹土，利用壓樣法進(jìn)行環(huán)刀制樣，然后分別給土體內(nèi)加入質(zhì)量百分比分別為0、2%、3%、4%、5%和7%的水泥生石灰改性劑，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為1 d、3 d和7 d。有壓膨脹率采用50 KPa壓力，制樣方式和養(yǎng)護(hù)時(shí)間與自由膨脹率試驗(yàn)相同。此后，觀察不同時(shí)間、不同摻和比下的膨脹率。本試驗(yàn)采用的雙摻配合比為2種等比例進(jìn)行摻入。

圖3 自由膨脹率試驗(yàn)裝置 圖4 有壓膨脹率試驗(yàn)裝置

1.2.2 液塑限

土樣的液塑限直接決定土體對(duì)含水率的敏感性，是造成土體性狀變化的關(guān)鍵參數(shù)。本試驗(yàn)采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法，試驗(yàn)儀器為天津華通試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的TYS-3型液塑限聯(lián)合測(cè)定儀，見圖5。土樣依據(jù)摻量的不同，分為6組，摻量與膨脹率試驗(yàn)一樣，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為1 d，3 d和7 d。

圖5 液、塑限測(cè)試設(shè)備

1.2.3 抗壓與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

本試驗(yàn)通過單軸壓縮和直接剪切試驗(yàn)來分析膨脹土的力學(xué)強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用天津華通生產(chǎn)的CTM2000型壓縮試驗(yàn)儀(圖6)，抗剪采用天津華通生產(chǎn)的ZJ5000型直剪儀(圖7)。單軸壓縮試驗(yàn)通過擊樣法制取土樣，樣品為圓柱形，擊實(shí)筒尺寸φ 50 mm×130 mm，取得的土樣尺寸為φ 50 mm×90 mm；直剪試驗(yàn)采用四聯(lián)應(yīng)變式直剪儀，制樣過程中嚴(yán)格控制土樣的含水率與干密度進(jìn)行擊實(shí)，采用的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d和7 d，施加的垂直荷載從0至400 KPa，每次加載100 KPa，試樣破壞后記錄其剪切強(qiáng)度。

圖6 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 圖7 直接剪切試驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 膨脹性試驗(yàn)

由表3可知，摻入生石灰及水泥后，膨脹土的自由膨脹率呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)，這說明改性效果明顯。在無改良劑摻入條件下，P1試樣的自由膨脹率為50.51%；在摻入質(zhì)量為2%的改性劑后，試樣1 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)自由膨脹率降低至42.58%，降低約18%；隨著摻量的不斷提高，試樣的自由膨脹率和有荷膨脹率呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)，但總體上下降不顯著；當(dāng)摻量達(dá)到7%后，改性試樣的自由膨脹率降低至32%左右，屬于非膨脹土。

表3 不同摻量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的試驗(yàn)膨脹率試驗(yàn)

在未摻入改性劑情況下，試樣的有荷膨脹率為1.77%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間1 d，改性劑摻入量為2%時(shí)降低至1.39%，下降效果有限；當(dāng)摻入量加大后(2%至7%)，試樣的有荷膨脹率總體上呈現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，在水泥生石灰摻量約為5%下試樣的膨脹率達(dá)到最低值；摻量增加至7%時(shí)候膨脹率有所增加，養(yǎng)護(hù)7 d后達(dá)到最低值0.14%。究其原因，可能是水泥和生石灰的過量摻入導(dǎo)致水化反應(yīng)消耗了大量自由吸附水，而土樣失水干燥又提高了樣品的孔隙率，這說明水泥和生石灰在改性過程中如過量摻入容易增加樣品的改性時(shí)間，拉長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。

2.2 液塑限試驗(yàn)

由表4可知，在未摻入改性劑的膨脹土試樣中，液限含水率為52.0%，塑限含水率為21.9%，塑性指數(shù)為30.9。在摻入比例為2%且1 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間工況下，試樣的液限含水率和塑限含水率分別為52.01%和22.31%，塑性指數(shù)為30.08。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著改性劑摻量的增加，土樣的液限含水率呈正增長(zhǎng)，塑性含水率和塑性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。同時(shí)還可以看出，改性劑摻量在5%以內(nèi)，試樣的塑性指數(shù)下降較為明顯，當(dāng)水泥生石灰摻量達(dá)到7%時(shí)，其塑性指數(shù)較S5試樣降低了約5%，改性效果一般。

表4 膨脹土試樣液塑限試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

選擇0～7%的水泥生石灰摻量，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為1 d，3 d和7 d，樣品的單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果見圖8：未摻入改性劑的膨脹土樣，其單軸抗壓強(qiáng)度為0.51 Mpa；當(dāng)加入水泥生石灰改性劑后，樣品的單軸抗壓強(qiáng)度在1 d、3 d和7 d的抗壓強(qiáng)度有所上升，分別為0.77 MPa、0.63 MPa和1.19 Mpa；養(yǎng)護(hù)3 d后，樣品的抗壓強(qiáng)度有所降低，且在3%～5%摻量時(shí)規(guī)律相同，下降值約為8%～13%，造成該現(xiàn)象的主要原因，可能是改性劑與膨脹土拌和初期，其力學(xué)性能存在差異，攪拌時(shí)間超過水泥初凝時(shí)間所致。但總體上，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間不變工況下，隨著摻量的提高，改性樣品的抗壓強(qiáng)度呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)摻量達(dá)到7%，養(yǎng)護(hù)7 d后抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值1.63 MPa。

圖8 單軸抗壓強(qiáng)度變化曲線圖

2.4 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度采用粘聚力與摩擦角來評(píng)價(jià)。

由圖9可見，未摻入改性劑的素土粘聚力為90.11 KPa，經(jīng)過1 d養(yǎng)護(hù)后，在改性劑摻入量為2%時(shí)其粘聚力實(shí)測(cè)值為152.85 KPa，摻入量在5%和7%下的實(shí)測(cè)值分別為182.11 KPa和268.25 KPa，這說明摻入水泥和生石灰的膨脹土的粘聚力有顯著提高，增量約為62%～279%。隨著摻量的增加，膨脹土的粘聚力增量曲線呈現(xiàn)加速趨勢(shì)，究其原因，可能是當(dāng)水泥生石灰摻量超過一定比例后，多余的水泥與膨脹土在發(fā)生離子轉(zhuǎn)換的同時(shí)還發(fā)生了凝膠反應(yīng)，這種雙重反應(yīng)不僅增加了土體骨架的粘結(jié)力，同時(shí)也讓顆粒間的相互作用得到增強(qiáng)。當(dāng)摻量為7%、養(yǎng)護(hù)為7 d時(shí)，土樣的粘聚力達(dá)到最大值(276.11 Kpa)，增長(zhǎng)率為294.5%。

圖9 粘聚力變化曲線

由圖10可見，隨著改性劑增量的增加和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品的摩擦角增長(zhǎng)曲線呈現(xiàn)放緩趨勢(shì)，最后近似平行。究其原因，可能是水泥的水解反應(yīng)和生石灰的水化作用，造成土顆粒中離子濃度增加，離子交換作用有所減弱。此外，因凝膠團(tuán)包裹，土顆粒尺寸變大，這在微觀層面上也增大了土顆粒表明的粗糙度。當(dāng)摻量為7%，養(yǎng)護(hù)為7 d時(shí)，樣品的內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值(36.66 °)，增長(zhǎng)率為257.1%。

圖10 摩擦角變化曲線

3 結(jié)論

1)生石灰及水泥對(duì)膨脹土的自由膨脹率和有荷膨脹率改性效果明顯，雙摻比例7%時(shí)試樣的膨脹率降低至32%，屬于非膨脹土。

2)隨著改性劑摻量的增加，土樣的液限含水率呈正增長(zhǎng)，塑性含水率和塑性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

3)同一養(yǎng)護(hù)時(shí)間下隨著摻量的提高，試樣的抗壓強(qiáng)度呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)摻量達(dá)到7%，養(yǎng)護(hù)7 d后達(dá)到最大值1.63 MPa。

4)由于水泥的水解反應(yīng)和生石灰的水化作用，摻量增加過程中試樣摩擦角增長(zhǎng)曲線呈現(xiàn)放緩趨勢(shì)，當(dāng)摻量為7%、養(yǎng)護(hù)為7 d時(shí)，樣品的內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值36.66 °。