養護齡期對改良膨脹土無側限抗壓強度試驗的影響

楊 俊，楊 志，張國棟，唐云偉

（1.三峽大學 三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北 宜昌443002；2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌443002；3.宜昌市交通運輸局，湖北 宜昌443002）

膨脹土主要是由蒙脫石、伊利石和高嶺石組成，它是一種特殊的高塑性黏土，含有較多的黏粒，且黏粒中含有大量的親水性礦物成分，致使其具有明顯的脹縮性、超固結性、多裂隙性和強度衰減性，對工程建筑物和公路工程如鐵路、公路、堤壩、房屋建筑等的危害極大，極易導致路基邊坡滑塌、路面開裂、地基沉陷、擋墻傾倒和墻體開裂等，若把膨脹土直接用以填筑路基或在改良和填筑施工過程中質量控制不當，都會對路基的強度和穩定性帶來相當大的危害［1］。

為了改善膨脹土的這些特性，工程施工中常在膨脹土中摻入石灰、水泥、粉煤灰等無機結合料，并通過其與膨脹土中物質成分的化學作用來提高膨脹土的強度，很多學者也對其進行了大量研究［2－8］，并取得了豐富的成果。強度是表征膨脹土抵抗剪切破壞，計算路塹、渠坡、路堤等斜坡穩定性和支擋建筑物土壓力的一項重要指標［9］，且很多膨脹土的危害均是因為其吸水導致強度不足而引起的，而表征膨脹土強度的指標有很多，如抗剪強度，回彈模量，加州承載比，無側限抗壓強度等，其中無側限抗壓強度是反映改性膨脹土的物理力學特性的關鍵指標之一，它能準確地反映改性土的強度特性。而影響改性土無側限抗壓強度的因素很多，如：顆粒級配、粒徑、改性材料摻量、壓實度、養護齡期等［10］，本研究選取改性材料的摻量和養護齡期作為抗壓強度的影響要素，結合宜昌某一級公路改建工程路段的膨脹土，擬采用一種新型的以物理改良為主的方法——風化砂改良，并在室內分別進行了養護齡期對水泥、石灰、粉煤灰、風化砂改良膨脹土無側限抗壓強度的影響實驗，探討養護齡期和改性材料摻量對無側限抗壓強度的影響規律，且通過這4種改性材料的對比試驗和分析，對改性材料的處理效果進行研究。

1 原材料基本性質和實驗方案

1.1 原材料的基本性質

（1）膨脹土。此室內試驗所用膨脹土取自宜昌市某一級公路改建項目路段，膨脹土的土質均勻，呈黃褐色，有滑感，結構較密致，黏性很強，天然含水率較高。膨脹土液限為70.53%＞50%，塑性24.09%，塑性指數46.44%＞17%，故判定此膨脹土高液限黏土；自由膨脹率43%，大于40%且小于60%，因此判定其膨脹性較弱，為弱膨脹土。

（2）水泥。試驗所用水泥為市場上銷售的C32.5的普通硅酸鹽水泥。

（3）石灰。試驗用的石灰粉為生石灰在空氣中自然熟化而成的粉末，屬于Ⅱ級鎂質石灰。然后在室內過0.25mm的方孔篩后密封待用。

（4）粉煤灰。粉煤灰選用電廠的排灰，其顏色為暗灰色，手捏無顆粒感，等級為Ⅱ級。

（5）風化砂。風化砂選用此膨脹土公路沿線路段，此風化砂中的細顆粒較多，其不均勻系數Cu＝2.84；曲率系數Cc＝0.86＜1，因此得出該風化砂為級配不良砂。

1.2 試驗方案

本試驗的方法和過程均按照《公路土工試驗規程（JTG E40—2007）》和《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程（JTG E51—2009）》進行。其中，水泥摻量0，3%，5%，7%，9%；石灰摻量0，4%，6%，8%，10%；粉 煤 灰 摻量 0，10%，12%，14%，16%，18%，20%；風化砂摻量0，10%，20%，30%，40%，50%。

無側限抗壓強度試模：直徑×高＝Φ100mm×100mm，試樣在萬能試驗機下成型，脫模后將試件密封，置入養護間內，在恒溫恒濕下分別養護7，14，28 d；養護完成后，將試樣放在萬能試驗機下（圖1），加載速率1mm／min，直至試樣破壞，記下破壞時的最大壓力值，從而其計算無側限抗壓強度。

圖1 無側限抗壓強度試驗裝置（萬能試驗機）

2 改良膨脹無側限強度特性及分析

2.1 養護齡期對水泥改良膨脹土無側限抗壓強度的影響

通過實驗得到養護齡期對水泥改良膨脹土的無側限抗壓強度影響結果（圖2—3）。由圖2可知，養護齡期對水泥改性土的無側限抗壓強度有一定的影響，其抗壓強度隨著齡期的增加緩慢增大。其中當水泥摻量為0和3%時，齡期對其抗壓強度的影響很小，最大增長幅度只有0.11MPa；而當水泥摻量為5%，7%，9%時，隨著齡期增加抗壓強度會先迅速增大后緩慢增大，其在齡期7～14d之間增長速率最快，增長幅度最大達到0.48MPa，在齡期14～28d增長最慢，增長幅度最大僅0.18MPa，表明對于此膨脹土，水泥可以有效地提高其早期強度。

由圖3可以看出，水泥摻量對改性土的無側限抗壓強度有著較大的影響，在齡期一定時，改性土的抗壓強度隨著水泥摻量的增加先緩慢增加后迅速增大。當水泥摻量小于3%時，各個齡期的改性土抗壓強度增長緩慢，抗壓強度最大僅增長0.22MPa，而當水泥摻量大于3%時，改性土的抗壓強度會迅速增大，在養護齡期為28d，水泥摻量為9%時達到最大；產生這種現象的原因是由于水泥的水化作用、水泥與土中的活性物質之間的硬凝反應以及離子交換作用，生成具有一定強度的凝膠體，從而改變了膨脹土的結構和化學成分，使改性土產生硬化，抗壓強度提高；隨著水泥摻量的增加，這些作用會繼續加強，抗壓強度也會隨之增大。

圖2 養護齡期與水泥改性土無側限抗壓強度之間的關系

圖3 水泥摻量與改性土無側限抗壓強度之間的關系

2.2 養護齡期對石灰改良膨脹土無側限抗壓強度影響及分析

由室內試驗可以得到養護齡期、石灰摻量與改性膨脹土之間的關系曲線（圖4—5）。由圖4可以看出，養護齡期對石灰改性土的無側限抗壓強度有顯著影響，齡期28d的抗壓強度是7d的2倍左右。在石灰摻量一定時，改性土的抗壓強度隨著養護齡期的增加明顯增大。其中，對于原狀土，齡期對抗壓強度基本沒有影響，當齡期在7～14d之間時，石灰改性土的抗壓強度增幅在0.2MPa左右，當齡期在14～28 d時，石灰改性土抗壓強度在0.4MPa左右，是齡期7～14d的2倍；說明石灰可以顯著地增加此膨脹土的后期強度。這是因為在膨脹土中摻入石灰，生石灰會迅速消解，并與土顆粒中的低價陽離子發生離子交換作用，從而使膨脹土的塑性指數下降，提高改性土的早期強度；隨著齡期的增加，生石灰還會與空氣中的二氧化碳發生反應，生成較高強度的固體顆粒以及與土顆粒的凝膠反應，而這一過程的反應較慢、周期很長，故石灰改性土的后期強度會較前期顯著增長。

由圖5可以得到，在齡期一定時，石灰改性土的無側向抗壓隨度隨著石灰摻量的增加先快速增加后緩慢降低。在石灰摻量為0～8%之間，改性土的抗壓強度快速增大，其中在石灰摻量0～6%之間增長最快，在6%～8%之間增長較慢，當石灰摻量為8%時，抗壓強度達到峰值，增長了1.6MPa左右；而當石灰摻量在8%～10%之間時，改性土的抗壓強度會降低；這是由于隨著石灰的摻入，石灰中大量的氧化鈣將快速的與膨脹土顆粒發生硬凝反應，生成強度較高的膠結物質，使改性土的抗壓強度快速增加；而石灰摻量超過一定量時，石灰土中會存在一部分沒有反應的消石灰，它會消弱土顆粒之間的聯結，當這種消弱作用超過前面生成膠結物質的作用時會導致改性土的強度降低［11］。

圖4 養護齡期與石灰改性土無側限抗壓強度之間的關系

圖5 石灰摻量與改性土無側限抗壓強度之間的關系

2.3 養護齡期對粉煤灰改良膨脹土無側限抗壓強度影響及分析

通過實驗可知養護齡期、粉煤灰摻量與改性膨脹土之間的關系曲線（圖6—7）。由圖6可知，當粉煤灰摻量相同時，改性土的無側限抗壓強度會隨著齡期的增加而穩步增大。且抗壓強度在養護齡期14d以前增長顯著，在14～28d之間的抗壓強度逐漸趨于平穩，增長緩慢，這一現象表明粉煤灰可以有效地提高改性土的早期強度。這是因為隨著粉煤灰的摻入，粉煤灰中的活性高價陽離子將迅速與膨脹土顆粒發生一系列的化學反應，如：離子交換作用、團聚作用、碳酸化作用等，生成強度較高的膠結物，從而提高改性土的抗壓強度；隨著齡期的增加，粉煤灰中的活性高價陽離子基本反應完全，導致后期的抗壓強度增長緩慢。

從圖7可以看出，粉煤灰摻量對膨脹土的無側限抗壓強度有一定影響，在養護齡期一定時，改性土的抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而增大，其速率先慢后快再變慢；抗壓強度在粉煤灰摻量為0～14%之間增長較慢，只增長0.1MPa左右；在粉煤灰摻量為14%～18%之間增長較快，達到0.4MPa左右，在摻量為18%～20%之間增長又變慢，僅0.08MPa左右。這是因為對于粉煤灰改性土，粉煤灰顆粒與膨脹土顆粒發生化學反應，生成很高強度的膠凝物，提高了改性土抗壓強度；當粉煤灰摻量增加，則化學作用加強，使改性土顆粒間的主要結構進一步發生變化，降低膨脹土的塑性，且人為降低了改性土中的黏粒含量，使抗壓強度迅速增大。

圖6 養護齡期與粉煤灰改性土無側限抗壓強度之間的關系

圖7 粉煤灰摻量與改性土無側限抗壓強度之間的關系

2.4 養護齡期對風化砂改良膨脹土無側限抗壓強度影響及分析

圖8—9分別為養護齡期與改性土、風化砂摻量與改性土之間的關系曲線。由圖8可以看出，對于風化砂改良膨脹土，無側限抗壓強度與養護齡期的關系曲線基本上平行于X軸，在風化砂摻量一定時，養護齡期28d的改性土其抗壓強度較養護齡期7d的改性土僅僅提高了0.05MPa左右。說明養護齡期對風化砂改性土的無側限抗壓強度幾乎沒有影響，其改良主要是以物理作用為主。

通過圖9可以看出，風化砂對其改性土的無側限抗壓強度有著很大影響，在相同的養護齡期下，改性土的抗壓強度均隨著風化砂摻量的增加先迅速增大后迅速減小再緩慢減小。其中，改性土的抗壓強度在風化砂摻量小于10%時快速增大，在風化砂摻量為10%時達到峰值，增幅為0.7MPa左右；在風化砂摻量10%～30%之間迅速減小，減小幅度在0.6MPa左右；在風化砂摻量大于30%時減小速率變緩。產生這種現象的原因是：風化砂有一定的粒徑和棱角，將風華砂摻入膨脹土中時，砂顆粒會與土顆粒交叉團聚，給膨脹土形成受力骨架，且砂顆粒強度大于土顆粒，故抗壓強度會迅速增加；當摻砂量大于一定量時，土顆粒會明顯減少，又由于砂粒沒有黏性，使之不能很好地團聚在一起，導致強度迅速降低。

圖8 養護齡期與風化砂改性土無側限抗壓強度之間的關系

圖9 風化砂摻量與改性土無側限抗壓強度之間的關系

3 養護齡期對不同改性材料無側限抗壓強度影響的對比分析

（1）由圖2—9可以看出，水泥、石灰、粉煤灰和風化砂四種改性材料均能提高膨脹土的無側限抗壓強度，使之達到公路的路用標準。從無側限抗壓強度改良效果來看，水泥提高的抗壓強度最大，石灰次之，風化砂、粉煤灰隨后。

（2）水泥、石灰、粉煤灰改良膨脹土均是以化學改良為主，養護齡期對其改性土的無側限抗壓強度有較大的影響；而風化砂改良膨脹土主要是以物理改良為主，其改良效果與養護齡期基本沒有關系。

（3）從施工控制的難易程度來看，水泥、石灰、粉煤灰均是粉末狀顆粒，與膨脹土現場拌合難度較大，且不易拌合均勻；而且這3種改性材料均以化學改良為主，會對施工人員的健康造成威脅，以及會對環境造成一定的影響。而風化砂具有一定的粒徑組成，拌合相對較容易。

（4）從經濟性角度來看，水泥、石灰、粉煤灰單價較高，而此公路沿線分布有大量的風化砂，施工時可以就地取材，節約工程造價。

綜合以上分析可以得出，對于此改建公路路段的膨脹土，用風化砂改良較水泥、石灰、粉煤灰要好，此時風化砂摻量為10%。

4 結論

（1）養護齡期對以化學改良為主的水泥、石灰、粉煤灰改性土無側限抗壓強度有很大影響，但是對以物理改良為主的風化砂改性土效果不明顯。

（2）改性材料的摻量與改性土的抗壓強度密切相關，水泥摻量較多時其增長速率較快；石灰要控制好最佳摻量才能使改良效果最好；對于粉煤灰改而言，其較多的摻量對改性土的抗壓強度不敏感。

（3）對于此改建公路路段的膨脹土，水泥、石灰、粉煤灰和風化砂4種改性材料均能有效的提高其無側限抗壓強度，使其達到路用標準。但是經過綜合比較分析，風化砂效果優于其它3種改性材料。且通過本次實驗可知，對于風化砂改良膨脹土，在養護齡期一定時，改性土的無側限抗壓強度隨著摻砂量的增加會快增大后減小，當風化砂摻量為10%時，抗壓強度達到最大值，此時效果最佳。

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