改良碳酸鹽漬土路基填料的力學(xué)性質(zhì)

周純秀，崔洪海，張中麗，遲公樂，陳 爽

(1.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.遼寧省近海橋隧工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連海事大學(xué))，遼寧 大連 116026；3.吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院，長春 130021)

鹽漬土指的是鹽土和堿土的統(tǒng)稱。公路工程中將地表以下1 m深度范圍內(nèi)的土層，當(dāng)其易溶鹽的平均含量大于0.3%，具有溶陷、鹽脹等特性時，判定為鹽漬土[1]。近年來，由于氣候、水文、地質(zhì)、地貌和認(rèn)為活動等因素影響，使得吉林省西部地區(qū)鹽漬土的分布不斷擴(kuò)大，大大制約著工程基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。由于該地區(qū)鹽漬土陰離子以HCO3-占主導(dǎo)地位，陽離子以Na+為主，即易溶鹽中主要為碳酸氫鈉，從而使得該地區(qū)公路發(fā)生鹽脹、溶蝕、路面翻漿、邊坡流失和腐蝕等現(xiàn)象。因此，采用合理的碳酸鹽漬土改良措施尤為重要。

針對于碳酸鹽漬土主要集中在鹽漬土的影響因素及基本性質(zhì)的研究，文獻(xiàn)[8]認(rèn)為土壤含鹽量隨深度增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，土體膨脹量和抗剪強(qiáng)度都與碳酸鹽漬土的含鹽量有密切關(guān)系；文獻(xiàn)[9]通過對碳酸鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)和含鹽特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽漬土在潮濕時的親水性、塑性、膨脹性、壓縮性都很大，穩(wěn)定性差。而對于碳酸鹽漬土工程性質(zhì)的改良還存在很大的研究空間，有部分學(xué)者采用石灰改良劑來改善碳酸鹽漬土的工程特性，其中文獻(xiàn)[10-14]認(rèn)為石灰改良劑可以有效提高鹽漬土的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，水穩(wěn)定性增強(qiáng)，在凍融循環(huán)的條件下也能達(dá)到改善鹽漬土工程性質(zhì)的效果。本著工業(yè)廢棄物合理利用的原則，對于吉林省西部地區(qū)不同土層的碳酸鹽漬土，本文進(jìn)行了不同配比的石灰、石灰和粉煤灰聯(lián)合改良碳酸鹽漬土的物理、強(qiáng)度試驗(yàn)，探討了石灰、石灰和粉煤灰改良碳酸鹽漬土的合理配比，研究了不同土層碳酸鹽漬土改良后的物理、力學(xué)性能，從而為類似碳酸鹽漬土用于公路路基填料提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料性質(zhì)及試驗(yàn)方案設(shè)計

1.1 試驗(yàn)土樣性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自吉林省西部地區(qū)，為更好地進(jìn)行不同土層土樣的研究，在取土過程中采用分層取土的方式，對K59+920路段的不同土層進(jìn)行了一定的試驗(yàn)研究。但由于土樣未能及時封存，使得試驗(yàn)中的土樣均為重塑土。鹽漬土的基本性質(zhì)見表1。結(jié)合土的顆粒成分分類，該碳酸鹽漬土主要為粉質(zhì)黏土，含鹽量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于0.3%，其中粉粒含量越多毛細(xì)作用越強(qiáng)，土體的凍脹性也越強(qiáng)，從而不利于道路工程的應(yīng)用。

表1 鹽漬土的基本性質(zhì)

1.2 改良材料的基本性質(zhì)

改良材料選取石灰和粉煤灰兩種無機(jī)材料。石灰是普遍的筑路材料，選自常見的生石灰，主要化學(xué)組成為氧化鈣，接觸到水時產(chǎn)生水解作用，形成的水解產(chǎn)物為氫氧化鈣，同時放出較多的熱。試驗(yàn)所用粉煤灰的主要化學(xué)成分有SiO2、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3，其各化學(xué)成分含量分別在1.30%～65.80%、1.40%～16.80%、1.20%～3.70%、1.60%～6.20%、1.50%～40.10%之間，燒失量在1.60%～30.00%之間。

1.3 試驗(yàn)方案及樣品制備

采用石灰、石灰+粉煤灰(簡稱二灰)兩種方案固化鹽漬土，因此在0～30 cm、30～80 cm、80～140 cm 3個土層中，單摻加石灰改良劑時，石灰摻量分別設(shè)為5%、9%、13%、17%；雙摻加石灰+粉煤灰(簡稱二灰)改良劑時，根據(jù)JTJ034—2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》，采用石灰與粉煤灰復(fù)合改良粉土類土質(zhì)時石灰與粉煤灰的摻合比確定為1∶2，二灰摻量分別設(shè)為3%、8%、13%、18%，本文采用了高摻量的同時改良劑采用外摻的形式進(jìn)行添加，以研究碳酸鹽漬土在石灰和二灰摻量高的情況下物理力學(xué)性能變化情況，并得到石灰和二灰的最佳摻量值。通過界限含水率試驗(yàn)得到碳酸鹽漬土改良后的液塑限指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上制備擊實(shí)試驗(yàn)所需的試樣，在得到改良后的擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)后，為研究改良后碳酸鹽漬土的強(qiáng)度變化，按照混合料的最優(yōu)含水率和最大干密度制樣。

試樣制備以二灰土為例先稱量600 g鹽漬土、一定比例石灰、粉煤灰和水，先將石灰與粉煤灰放入拌合盆內(nèi)順時針攪拌2 min使其均均分布。隨后加入鹽漬土中順時針拌合3 min使鹽漬土與石灰粉煤灰拌合均勻，最后將稱量好的蒸餾水加入混合料中順時針拌合5 min直到拌合盆底不在有干土粒為止，拌和均勻后放置密封袋內(nèi)靜置24 h，第2天再進(jìn)行試樣的制備。此方法可以使試件中的水分均勻分布并充分與固化材料接觸反應(yīng)。液塑限試驗(yàn)中制備含水率不同的3個試樣，每個試樣的含水率要分別控制在液限、略大于塑限和二者的中間狀態(tài)，圓錐儀采用的質(zhì)量為100 g。擊實(shí)試驗(yàn)中采用干土法制備含水率不同的5個試樣，根據(jù)路基工程要求選擇重型擊實(shí)試驗(yàn)方法。三軸試驗(yàn)中試件為圓柱體，直徑為39.1 mm，高為80 mm，按照壓實(shí)度在96%以上進(jìn)行制樣，試樣用密封薄膜包裹在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，利用SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切試驗(yàn)儀分別測定7 d和28 d齡期各組試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2 改良鹽漬土的工程特性分析

2.1 界限含水率指標(biāo)變化

土的界限含水率是土體顆粒特性的宏觀表現(xiàn)，土體顆粒的界限含水率受粒度成分、礦物成分等因素影響。因此可通過研究不同改良劑摻量下界限含水率的變化規(guī)律，以便于更深入地了解改良土的改良機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入石灰和二灰后，土的塑性指標(biāo)變化明顯，不同土層鹽漬土改良后的界限含水率變化見表2和表3。

表2 石灰改良土的界限含水率指標(biāo)變化

表3 二灰改良土的界限含水率指標(biāo)變化

兩種改良土的界限含水率相較素土有一定的變化，可以看出：1)石灰改良土和二灰改良土中，液限在第二、第三土層波動幅度不大，在第一土層中液限下降幅度較大；2)整體看來，塑限隨著石灰和二灰摻入比的增大而升高，塑性指數(shù)則隨著石灰和二灰摻入比的增加逐漸降低，二者呈現(xiàn)相反的趨勢。

研究表明，不同土層下改良鹽漬土的界限含水率變化不同，是由于吉林省西部地區(qū)在不同季節(jié)、不同深度土層鹽分含量不同，鈉離子含量、土分散性及黏粒含量不同[15]，使得改良鹽漬土的界限含水率在不同土層有所差別，由于第一土層含鹽量和黏粒含量較高，導(dǎo)致石灰與二灰改良土的土體顆粒表面親水基活性下降。隨著改良劑摻量的增加，由于改良劑與土體顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致土粒比表面積減小，但土體此時毛細(xì)現(xiàn)象仍然比較明顯，加之土體與改良劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)了毛細(xì)水彎液面力和土粒表面張力，在其作用下使得土體凝聚，從而表現(xiàn)出一種潛在的塑性特征[16]。

2.2 改良鹽漬土擊實(shí)特性分析

明確改良鹽漬土的擊實(shí)特性，為公路路基施工提供合理的技術(shù)指標(biāo)，也更好地為抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，結(jié)合界限含水率試驗(yàn)得到的界限含水率指標(biāo)對K59+920路段的不同土層和不同配比情況下的改良鹽漬土開展重型擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

通過分析圖1改良土最優(yōu)含水率和最大干密度的變化趨勢可知：1)隨著石灰摻量的增加，鹽漬土樣變得不容易被擊實(shí)，最大干密度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，達(dá)到最大干密度的含水量則逐漸增大。研究[16]表明，相較于土顆粒，石灰顆粒對水分子具有更強(qiáng)的吸附作用，鹽漬土摻加石灰改良劑后，一部分自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水，為提高石灰改良土的可壓實(shí)性，此時需要大量的自由水起到潤滑的作用，因此石灰摻加量增大使得最優(yōu)含水率增大；石灰摻入鹽漬土中，土顆粒凝聚為團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，石灰改良土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的可壓實(shí)性變差，最大干密度隨著石灰摻加量的增大會減小。2)隨著石灰+粉煤灰摻加量的不斷增大，鹽漬土的最大干密度逐漸減小，擊實(shí)后改良鹽漬土的最優(yōu)含水率明顯增大。通過分析二灰改良土的擊實(shí)變化趨勢可知，一方面石灰、粉煤灰顆粒對水分子具有明顯的吸附作用，另一方面石灰和粉煤灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時需要充足的水分，從而使其最優(yōu)含水率增大。由于石灰+粉煤灰摻加量的提高，在石灰水化反應(yīng)生成的堿性環(huán)境中，粉煤灰受堿性激發(fā)其活性明顯增強(qiáng)，生成大量的膠凝性產(chǎn)物，使得土體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，二灰改良土的可壓實(shí)性降低，最大干密度隨著石灰+粉煤灰摻量的增加不斷減小。

(a) 石灰土最佳含水率

(c)二灰最佳含水率

(b) 石灰土最大干密度

(d)二灰最大干密度

3 改良鹽漬土的強(qiáng)度特征

3.1 改良鹽漬土不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取鹽漬土含量較高的0～30 cm土層，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，具有代表性的石灰摻量為5%和二灰摻量為13%的改良土應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。分析圖2可知，圖2(a)原樣土為顯著的塑性破壞，呈應(yīng)變硬化型。圖2(b)、2(c)中改良土的破壞形式隨著摻加劑的加入由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)化，應(yīng)力-應(yīng)變形式為應(yīng)變軟化型[17]。對于應(yīng)變軟化型土，圍壓越小，峰值越小且越明顯，由于在圍壓較低時土樣的側(cè)向壓力較小，當(dāng)土樣破壞后在繼續(xù)增加的軸向壓力下會產(chǎn)生側(cè)向膨脹。

石灰改良土和二灰改良土的極限強(qiáng)度如圖3所示，對于改良劑摻量的增加，改良土的極限強(qiáng)度也出現(xiàn)不同的變化，并不是摻量越高極限強(qiáng)度越高，路基填土中應(yīng)選取最合適的改良劑摻量。圖3(b)中二灰改良土相較于石灰改良土極限強(qiáng)度較高一些，說明二灰改良土中石灰對粉煤灰的活性激發(fā)更顯著，石灰和粉煤灰與鹽漬土生成的固化膠結(jié)物大大增加，形成的交織骨架更明顯，其對土顆粒產(chǎn)生的空間約束力越強(qiáng)，改良效果越明顯。

(a) 原樣土

(b) 5%石灰改良土

(c) 13%二灰改良土

不同圍壓下各摻量改良土的極限強(qiáng)度變化如圖3所示。由圖3可知，隨著圍壓的增大，圖2(a)原樣土的極限強(qiáng)度逐漸增加，但增長速度遠(yuǎn)小于圖2(b)、2(c)改良土的增長速度，此時極限強(qiáng)度需要在更大的軸向變形下達(dá)到最大值。圖2(a)原樣土的偏應(yīng)力均在0～5%的軸向應(yīng)變下迅速增長，這一階段本文稱壓密階段，而后緩慢增長。圖2(b)、2(c)的改良土偏應(yīng)力均在0～3%的軸向應(yīng)變下迅速增長，而后緩慢增長。相比于原樣土，摻加改良劑后土樣的壓密階段縮短，使得土樣達(dá)到強(qiáng)度極限時產(chǎn)生的應(yīng)變減小，鹽漬土的結(jié)構(gòu)性變強(qiáng)，抗變形性能增強(qiáng)[18]。

(b) 二灰改良土

3.2 改良鹽漬土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

改良后鹽漬土的內(nèi)摩擦角和黏聚力隨著摻量增加的變化如圖4所示，圖中也表示出隨著齡期增長，內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化。分析抗剪指標(biāo)的變化趨勢可知：1)石灰改良土中，隨著摻灰量的增加內(nèi)摩擦角先增大后減小，峰值點(diǎn)位于石灰摻量為5%時，而石灰摻量過高時又有所上升，但遠(yuǎn)小于5%石灰摻量；2)二灰改良土中，隨著摻灰量的增加，內(nèi)摩擦角逐漸增大，但摻灰量過高時，增長速率變得緩慢；3)隨著齡期的增長，石灰改良土的內(nèi)摩擦角有所下降，但二灰改良土的內(nèi)摩擦角隨著齡期的增長而增長。

(a) 石灰改良土

(b) 二灰改良土

分析圖5改良土的黏聚力變化趨勢可知：1)石灰改良土中，隨著摻灰量的增加黏聚力先增大后減小，峰值點(diǎn)位于石灰摻量為5%時，而石灰摻量過高時又有所上升，但遠(yuǎn)小于5%石灰摻量時；2)二灰改良土中，隨著摻灰量的增加，黏聚力先增大后減小，0～30 cm土層黏聚力峰值點(diǎn)位于二灰摻量為13%時，30～80 cm和80～140 cm土層黏聚力峰值點(diǎn)在二灰摻量為8%時，不同土層的含鹽量不同，針對不同土層的土，需要采用合理的二灰摻量進(jìn)行路基填筑；3)隨著齡期的增長，石灰改良土和二灰改良土的黏聚力都呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象，且二者黏聚力的提升相差不大。

(a) 石灰改良土

(b) 二灰改良土

究其原因，文獻(xiàn)[13]認(rèn)為石灰的摻入使得產(chǎn)生一定的膠體包裹土顆粒，從而形成更大粒徑的團(tuán)粒，土顆粒之間的粗糙程度加大，內(nèi)摩擦角逐漸增大。石灰摻量為17%時，內(nèi)摩擦角雖略有上升，但相較于5%石灰摻量仍有減小，這是因?yàn)槎嘤嗟氖翌w粒會填充在土顆粒間的空隙里，從而減小摩擦，使得內(nèi)摩擦角減小。黏聚力也因?yàn)槭覂H填充在土顆粒中無法起到改良的作用，使得其呈下降趨勢。隨著齡期的增長，前期改良土中離子交換作用完成后，后期的硬化作用和碳化作用比較緩慢，加之土體中的易溶鹽溶解在水中，使得土中顆粒物減少，土顆粒表面摩擦力減小，內(nèi)摩擦角也隨之變小。但由于膠體的生成使得土顆粒更加牢固地連結(jié)在一起，使得黏聚力增加，抗剪強(qiáng)度提高。文獻(xiàn)[19]研究表明二灰改良土中，隨著齡期的增長，堿性環(huán)境中粉煤灰玻璃體與可溶性溶液發(fā)生硅酸化反應(yīng)，稱為硅酸鹽和硅酸鹽晶體，這些結(jié)晶體形成了二灰改良鹽漬土中的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，土體結(jié)構(gòu)緊密，其摩擦角越大，二灰改良土隨齡期的增加結(jié)晶凝膠體逐漸脫水而形成固體板結(jié)，黏聚力增加從而提高了改良土的強(qiáng)度。

4 改良鹽漬土的壓縮特性

分析圖6改良鹽漬土的壓縮系數(shù)的變化趨勢可知：1)石灰改良土和二灰改良土均由中壓縮性土轉(zhuǎn)為低壓縮性土，即土的壓縮性降低，壓縮效果得到了很好的改善；2)石灰摻量在5%時，壓縮系數(shù)最低，二灰改良土由于不同土層含鹽量的不同，使得0～30 cm土層中摻量為13%時，30～80 cm與80～140 cm土層中摻量為8%時壓縮系數(shù)最低；3)改良劑一定的情況下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，改良鹽漬土的壓縮系數(shù)大大減小。

(a)石灰改良土

(b) 二灰改良土

由于改良劑與土顆粒之間發(fā)生一系列的反應(yīng)[20]，生成的膠結(jié)物包裹著土顆粒，使得顆粒之間聚攏、鑲嵌幅度增大，造成大孔隙逐漸被分裂，形成數(shù)量較多的小孔隙，排列更加緊密，土體也變得更加密實(shí)，從而使得土體壓縮性降低。但改良劑摻量過高時，改良土的變形量會有所增加，因?yàn)楫?dāng)改良劑含量過多時，石灰、石灰+粉煤灰不會參與反應(yīng)，反而自身產(chǎn)生結(jié)晶體，由于這些結(jié)晶體的孔隙較大，所以使得改良土極易產(chǎn)生壓縮變形，故在實(shí)際使用過程中應(yīng)采用合理的改良劑摻量；在改良劑一定的情況下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，改良鹽漬土的變形量大大減小。隨著齡期增加，改良劑與土顆粒中的物質(zhì)反應(yīng)逐漸充分，生成的膠結(jié)物逐漸由凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)向晶體狀態(tài)，使得改良土體內(nèi)部的孔隙減小，壓縮量降低，石灰+粉煤灰改良后土體的壓縮性能達(dá)到石灰改良土的良好壓縮性能，說明粉煤灰的摻入對改良鹽漬土的壓縮性起到了一定的作用。

5 結(jié) 論

1)改良后的碳酸鹽漬土界限含水率指標(biāo)符合路基設(shè)計規(guī)范的要求，其最優(yōu)含水率逐漸增大且變化明顯，石灰土最優(yōu)含水率最大增幅為24.01%，二灰土最優(yōu)含水率增幅為20.81%，最大干密度變化逐漸減小，石灰土最大干密度下降了13.40%，二灰土最大干密度下降了7.22%。改良碳酸鹽漬土由塑性破壞轉(zhuǎn)向脆性破壞，伴隨著圍壓增大，其極限破壞強(qiáng)度不斷增大，相較于原土，石灰土極限強(qiáng)度增幅7倍而二灰土極限強(qiáng)度增幅7.6倍。說明在實(shí)際施工過程中不能盲目地增大改良劑摻量，合理的改良劑摻量使得改良鹽漬土的結(jié)構(gòu)性變強(qiáng)，抗變形性能增強(qiáng)，極限強(qiáng)度達(dá)到最大，工程使用效果明顯提高。

2)在使用石灰改良土?xí)r，任意土層均在石灰摻量5%時，抗剪強(qiáng)度、黏聚力得到大幅提升，因此單摻石灰時最優(yōu)摻量為5%。使用二灰土?xí)r二灰摻量在第一土層為13%，在第二、第三土層為8%時，改良土的抗剪強(qiáng)度較原樣土有很大提升，隨著齡期的增長，抗剪強(qiáng)度也不斷提高，說明石灰和二灰作為改良劑能很好地改善鹽漬土的強(qiáng)度。二灰改良土與石灰改良土抗剪強(qiáng)度相差較小，合理運(yùn)用粉煤灰改良鹽漬土，在工程中可以起到經(jīng)濟(jì)環(huán)保的作用。二灰改良土在不同土層所需劑量也不同，說明不同土層含鹽量對改良劑的摻量有一定影響，在路基填筑時需要合理使用。

3)改良碳酸鹽漬土隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加壓縮性降低，石灰土最大下降82.6%，二灰土最大下降66.1%，當(dāng)使用最優(yōu)摻量時改良土均為低壓縮性土。合理的改良劑摻量使得改良土壓縮性達(dá)到最優(yōu)，有利于減小由于土體壓縮變形引起的路基沉降。

4)石灰改良土與二灰改良土的強(qiáng)度形成機(jī)理具有相同之處，主要依靠改良后土顆粒團(tuán)聚形成大團(tuán)粒起到骨架作用和石灰粉煤灰產(chǎn)生膠凝性水化產(chǎn)物起到填充作用。其中粉煤灰含有充足的活性物質(zhì)即SiO2與Al2O3，在石灰堿激發(fā)作用下生成大量的水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，從而具有較高的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。與石灰土相比，二灰土的強(qiáng)度形成更多依賴于火山灰反應(yīng)。粉煤灰表面能很低，難溶于水導(dǎo)致二灰土的強(qiáng)度在前期不高，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加二灰土強(qiáng)度的增幅不斷增大。