石灰改良高液限土試驗(yàn)研究

吳英蘭

(遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽市 110006)

0 引言

高液限土作為一種液限高于50%的不良土[1],易發(fā)生工程地質(zhì)災(zāi)害,并且這種危害會(huì)隨著高溫和降雨的循環(huán)作用反復(fù)出現(xiàn)[2]。又由于我國(guó)高液限土分布廣泛,隨意棄之,并不是最好的方法。因此,為保證能最大程度的利用高液限土,必須對(duì)高液限土進(jìn)行改良。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者常用化學(xué)方法對(duì)高液限土進(jìn)行改良。楊元周等[3]將生石灰作為改良劑,研究發(fā)現(xiàn)生石灰對(duì)高液限土的CBR和回彈模量都有不同程度的提高,并且在加入生石灰后,干濕循環(huán)下高液限土的強(qiáng)度劣化也大大減小,生石灰最優(yōu)摻量為3%。周源[4]以Na2SiO3溶液和硫酸鋁作為改良劑,將二者進(jìn)行復(fù)配,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改良土的液限和塑性指數(shù)降低,在同等干濕次數(shù)下,改良土的抗剪強(qiáng)度以及黏聚力和內(nèi)摩擦角均高于素土。鄭德平[5]使用水泥和石灰作為改良劑,以摻量作為變量,研究發(fā)現(xiàn)改良后的高液限土擊實(shí)曲線變得平緩,不會(huì)出現(xiàn)含水率稍微變化就出現(xiàn)干密度大幅降低的現(xiàn)象,并且兩種改良材料均能改善高液限土的脹縮性和水穩(wěn)性。

基于此,文章以沈陽某高速路段的高液限土作為研究對(duì)象,以石灰為改良劑,通過界限含水率試驗(yàn)、濕化崩解試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn),從宏觀和微觀兩方面綜合分析石灰對(duì)高液限土的改良效果,以期為實(shí)際工程提供參考。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)高液限土取自沈陽某高速路段的右側(cè)土坡上,取土深度約為2m,其基本物性特征如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示該土液限>50%、塑性指數(shù)>26,屬于典型的高液限土。

表1 高液限土物性指標(biāo)

試驗(yàn)用改良劑生石灰呈粉末狀,CaO含量>95%。

1.2 試驗(yàn)方法及方案

試驗(yàn)將生石灰的摻量作為唯一變量,其摻量選擇為0、2%、4%、6%、8%,該摻量為石灰占干土質(zhì)量。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1](GB/T 50123—2019)開展物理力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試,其中液塑限試驗(yàn)用土選擇過0.5mm篩的高液限土,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和濕化崩解試驗(yàn)選擇過2mm篩的高液限土,含水率選擇22%,壓實(shí)度選擇95%,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和濕化崩解試驗(yàn)試樣尺寸均為3.91cm×8cm的圓柱樣,養(yǎng)護(hù)時(shí)間選擇28d。掃描電鏡試驗(yàn)采用Flex1000進(jìn)行改良高液限土土顆粒之間形貌、接觸和孔隙等研究。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 石灰摻量對(duì)高液限土界限含水率的影響分析

界限含水率試驗(yàn)可以得到三個(gè)不同含水率下的錐入深度,將三個(gè)錐入深度及它們對(duì)應(yīng)的含水率進(jìn)行線性擬合,可以在擬合曲線上得到相應(yīng)的液限、塑限,通過液限減去塑限可以得到塑性指數(shù),故石灰改良高液限土的液塑限以及塑性指數(shù)變化如表3所示。

表3 石灰摻量對(duì)高液限土界限含水率試驗(yàn)的影響

由表3可知:(1)隨著石灰摻量的增加,高液限土的塑限逐漸增加;(2)隨著石灰摻量的增加,高液限土的液限逐漸降低;(3)由于液限逐漸降低,塑限逐漸升高,所以二者的差值也就是塑性指數(shù)逐漸減小。

為了更加直觀地看出隨著石灰摻量的增加液限和塑性指數(shù)的降幅以及塑限的增幅,以石灰摻量作為X軸,以液限、塑限和塑性指數(shù)作為Y軸,制作折線圖,如圖1所示。

圖1 石灰改良高液限土液塑限變化圖

由圖1可知:

(1)當(dāng)石灰摻量超過4%時(shí),液限的降幅增大;當(dāng)石灰摻量超過2%時(shí),塑限的增幅變小,且后續(xù)摻量下的增幅都較為穩(wěn)定;塑性指數(shù)在摻量為2%和4%降幅稍有降低,其余摻量下降幅都較大。

(2)當(dāng)石灰摻量為6%,塑性指數(shù)16.58<26,高液限土的親水性能已經(jīng)大大減弱;當(dāng)石灰摻量為8%,液限48.06%<50%,塑性指數(shù)12.19<26,此時(shí)該試驗(yàn)用土已經(jīng)不屬于高液限土的范疇。

分析以上試驗(yàn)結(jié)果,主要是由于石灰加入高液限土中會(huì)釋放出大量的Ca2+,高價(jià)的鈣離子會(huì)發(fā)生離子交換作用,將土顆粒之間低價(jià)的陽離子置換出來,高價(jià)的鈣離子與土顆粒表面的負(fù)電荷相互吸引靠近,減小了土顆粒之間雙電層厚度,也就是結(jié)合水膜厚度,故最終使得高液限土的親水性大大降低。

2.2 石灰摻量對(duì)高液限土崩解量的影響分析

將3.91cm×8cm的圓柱樣放入水中,記錄不同時(shí)刻的剩余質(zhì)量,可以得到該時(shí)刻的崩解量,由此可以作為不同摻量下石灰改良高液限土的評(píng)價(jià)指標(biāo),不同摻量下高液限土的崩解量如圖2所示。

圖2 石灰改良高液限土崩解量變化圖

由圖2可知:(1)沒有加入石灰的素土崩解極快,幾分鐘內(nèi)就完全崩解,水質(zhì)呈渾濁的褐色;(2)當(dāng)石灰摻量為2%時(shí),高液限土的崩解依舊是100%,但是完全崩解的時(shí)間超過1h,說明低石灰摻量下,石灰依舊會(huì)對(duì)高液限土起到改良作用,但是由于摻量較小,石灰與土顆粒反應(yīng)生成的膠凝產(chǎn)物不夠多;(3)當(dāng)石灰摻量≥4%開始,改良高液限土的崩解量在12h均達(dá)到100%,隨著摻量的增加,最終崩解率依次為60.26%、30.56%和17.32%,說明隨著石灰摻量的增加,石灰在土顆粒之間生成的膠凝產(chǎn)物越來越多,大大提高了高液限土的水穩(wěn)定性;(4)無論素土還是石灰改良土其崩解曲線均經(jīng)歷先迅速增大,崩解斜率快速提高,然后斜率逐漸減小,最終崩解趨于穩(wěn)定的走勢(shì)。

2.3 石灰摻量對(duì)高液限土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響分析

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以得到土樣的抗壓強(qiáng)度以及達(dá)到峰值抗壓強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變,故將石灰改良高液限土的峰值抗壓強(qiáng)度即無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和到達(dá)該強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變進(jìn)行匯總,如表4所示。

表4 石灰改良高液限土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

由表4可知:(1)隨著石灰摻量的增加,高液限土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)持續(xù)遞增的規(guī)律,而達(dá)到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變則呈現(xiàn)出持續(xù)遞減的規(guī)律;(2)在未加入石灰時(shí),素高液限土表現(xiàn)出低強(qiáng)度、高應(yīng)變特征,說明素土有較好的抗變形能力和較好的塑性。當(dāng)石灰加入高液限土中后,高液限土呈現(xiàn)出高強(qiáng)度、低應(yīng)變的特征,說明改良土抗變形能力降低,破壞偏向于脆性;(3)當(dāng)石灰摻量為4%時(shí),高液限土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增幅最大,后續(xù)增幅開始慢慢降低,當(dāng)摻量達(dá)到8%時(shí),增幅僅有58kPa,主要原因是過多的石灰不參與膠凝物質(zhì)的生成,并且會(huì)在土顆粒之間形成阻隔,從而影響土顆粒之間的膠結(jié)。

2.4 石灰摻量對(duì)高液限土微觀結(jié)構(gòu)的影響

由SEM試驗(yàn)得到的石灰改良高液限土微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 石灰改良高液限土微觀結(jié)構(gòu)匯總

由圖3可知:(1)素土和石灰摻量2%改良土微觀結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)蜂窩狀,土顆粒之間能看到明顯的大孔隙,整體性不好,但是相較于素土,石灰摻量2%的改良土孔隙較少;(2)當(dāng)石灰摻量≥4%時(shí),土顆粒之間的孔隙被大量膠凝產(chǎn)物填充,大孔隙大量減少,微小孔隙增多,土樣表現(xiàn)出良好的完整性,并且土顆粒之間從點(diǎn)-點(diǎn)接觸變成了面-面接觸。

3 結(jié)論

通過對(duì)沈陽某高速路段的高液限土進(jìn)行物理、力學(xué)和微觀試驗(yàn),研究了石灰對(duì)高液限土的改良效果,得到以下結(jié)論:

(1)石灰能夠降低高液限土的液限以及顯著降低塑性指數(shù),對(duì)高液限土的親水特性具有很強(qiáng)的削減作用。

(2)石灰會(huì)大幅提高高液限土的水穩(wěn)定性,表現(xiàn)為崩解量大幅減少。

(3)石灰能夠大幅提高高液限土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,但是會(huì)增強(qiáng)高液限土的脆性,并且強(qiáng)度的增幅隨著石灰摻量增加呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

(4)通過掃描電鏡試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)素土是由棱角明顯的塊狀土顆粒組成的,整體性很差,經(jīng)過石灰改良后的高液限土,土顆粒逐漸轉(zhuǎn)化為膠體狀,表現(xiàn)出很好的整體性。