生石灰改良高液限黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

生石灰改良高液限黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

為研究高液限土的化學(xué)改良效果，文章以廣西寧明高液限黏土為對(duì)象，在分析基本工程特性的基礎(chǔ)上，采用生石灰、二灰(生石灰+水泥)為添加劑，進(jìn)行不同配比處治土的液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究石灰的改性方法及經(jīng)處治后的特殊土的物理力學(xué)特性。研究表明：摻石灰對(duì)高液限土強(qiáng)度的增長(zhǎng)效果顯著，當(dāng)摻量為5%、7%時(shí)均能滿足CBR值>3%且脹縮總率<0.7%的規(guī)范要求。

高液限土；化學(xué)改良；石灰；水泥；無側(cè)限強(qiáng)度

0 引言

公路建設(shè)中常常會(huì)遇到高液限、低CBR值的黏土。根據(jù)以往工程實(shí)踐，要使路基壓實(shí)度達(dá)到規(guī)范規(guī)定的重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，土的含水量應(yīng)在最佳含水量時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，要達(dá)到這個(gè)目的，如果只靠工地上翻松晾曬，不僅投入大、效果差，而且還受天氣制約，工期無法保證，必須進(jìn)行一定的改良。

化學(xué)改良是膨脹土常用的工程處治措施之一，在公路工程中常用的化學(xué)改良材料有：石灰、粉煤灰、水泥、化學(xué)穩(wěn)定固化劑、礫石等[1]。目前關(guān)于高液限黏土的摻灰改良研究，主要集中在通過室內(nèi)試驗(yàn)來探討摻灰對(duì)高液限黏土的抑制效果以及對(duì)強(qiáng)度的增長(zhǎng)作用。本文以廣西寧明高液限黏土為處治對(duì)象，通過試驗(yàn)研究石灰的改性方法及經(jīng)處治后的特殊土的物理力學(xué)特性，為處治土路基施工質(zhì)量控制提供借鑒依據(jù)。

1 土性試驗(yàn)

1.1 基本土性試驗(yàn)

勘探結(jié)果表明南寧外環(huán)公路沿線膨脹土主要分布于高峰林場(chǎng)至五塘鎮(zhèn)一帶的K6+000～K29+700段，結(jié)合公路沿線的工程地質(zhì)情況，選取了3個(gè)有代表性的取樣點(diǎn)取樣開展土的基本性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)按JTG E40-2007要求進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)表

從表1可知，實(shí)測(cè)土樣的自由膨脹率為46%，塑性指數(shù)為43.2，按現(xiàn)行公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范判定為中膨脹土。

1.2 試驗(yàn)方法

在本次試驗(yàn)中采用生石灰、二灰(生石灰+水泥)為添加劑，在進(jìn)行不同配比的處治土的擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)及進(jìn)行處治土的液塑限、擊實(shí)及CBR值試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果的分析，初步篩選確定添加劑的種類；最后進(jìn)行處治土的無側(cè)限等試驗(yàn)。為方便說明，對(duì)處治土的名稱進(jìn)行說明，詳見表2。表中風(fēng)干土的含水率均為6%。

表2 處治土摻入量表

2 路用性能試驗(yàn)

2.1 界限含水率試驗(yàn)

通過對(duì)摻加不同添加劑的處治土進(jìn)行不同齡期的液塑限試驗(yàn)，可了解添加劑對(duì)高液限黏土界限含水率的影響，以及悶料時(shí)間對(duì)其物理性質(zhì)的影響。

試驗(yàn)中，將過0.5 mm篩的風(fēng)干土樣與規(guī)定量的添加劑均勻拌和，然后加入適量的水(水量按擊實(shí)試驗(yàn)所確定的最佳含水率添加，以保證添加劑能充分反應(yīng))攪拌均勻，最后將試樣裝入塑料袋中密封至規(guī)定齡期再進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)土樣進(jìn)行試驗(yàn)，取齡期分為1 d、7 d、28 d，試驗(yàn)成果見表3。

表3 處治土的液、塑限試驗(yàn)成果表

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，石灰、二灰兩種添加劑對(duì)高液限黏土的稠度均有一定影響，其主要是大幅降低了高液限黏土的液限，而塑限的變化不大；液限隨著添加劑摻入量的增加而降低，降低的幅度是趨于穩(wěn)定的。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ057-94)進(jìn)行。對(duì)于添加劑為生石灰、二灰土的處治土，擊實(shí)料均為將添加劑與風(fēng)干土拌和，然后按要求制備多個(gè)不同含水率的一組試樣，將試樣放置24 h后再進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)采用重型擊實(shí)。測(cè)試結(jié)果見下頁表4。

由表4可以看出：

(1)添加生石灰時(shí)，試樣最大干密度的增大趨勢(shì)隨石灰摻入量的增加而平緩，且試樣的最佳含水率隨摻入量的增加而增大。

(2)添加劑為二灰時(shí)，試樣最大干密度值隨摻入量的增加而降低；而最佳含水率則隨摻入量的增加而增大。

表4 處治土擊實(shí)、承載比試驗(yàn)成果表

因?yàn)楦咭合摒ね猎诘秃实那闆r下強(qiáng)度過高，難以碾壓擊實(shí)，且在低含水率、高密度情況下，一經(jīng)吸水其對(duì)土的結(jié)構(gòu)性破壞也比高含水率的情況要大。從以上試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)摻入添加劑后，大部分處治土的擊實(shí)區(qū)域比較寬泛，可使高液限黏土在較高的含水率的情況下進(jìn)行碾壓，這對(duì)工程是比較有利的。因此建議在滿足密實(shí)度基礎(chǔ)上盡量在較高含水率下進(jìn)行碾壓施工，對(duì)添加劑種類及摻量的選擇確定，也應(yīng)在滿足處治強(qiáng)度要求的前提下選用能提高最優(yōu)含水率值的添加劑種類和摻量。

(3)當(dāng)添加劑為生石灰和二灰時(shí)，試樣的CBR值隨摻入量的增加而增大，并在摻入量為4%～5%時(shí)回落，趨于穩(wěn)定。由土CBR試驗(yàn)可以看出，添加劑中生石灰的處治效果最佳，二灰次之。

(4)高速公路填方路基對(duì)填料的壓實(shí)度及最小強(qiáng)度(CBR值)的要求按《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2004)及相關(guān)規(guī)定。

3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)主要通過針對(duì)不同添加劑、不同齡期的處治土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，研究各種處治土的力學(xué)特性變化情況，用以評(píng)價(jià)處治效果。

3.1 試驗(yàn)方法

選取生石灰5%、二灰5%兩種添加劑，悶料時(shí)間為1 d、3 d和7 d，分別進(jìn)行承載比試驗(yàn)及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

同時(shí)，研究不同的養(yǎng)護(hù)方式對(duì)處治土強(qiáng)度的影響。強(qiáng)度試驗(yàn)主要進(jìn)行了三種情況下的無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)：(1)處治土試樣養(yǎng)護(hù)7 d、28 d和90 d后分別測(cè)定其無側(cè)限強(qiáng)度，即對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的試樣進(jìn)行無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)，以下稱為普通無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)；(2)干濕循環(huán)，即處治土試樣養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行5次干濕循環(huán)后測(cè)定其無側(cè)限強(qiáng)度，以下稱為干濕循環(huán)無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)；(3)浸水養(yǎng)護(hù)，即處治土試樣養(yǎng)護(hù)28 d后浸水21 d后再測(cè)定其無側(cè)限強(qiáng)度，以下稱為浸水無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)。

處治土試樣的制樣含水率取擊實(shí)試驗(yàn)的最佳含水率，試樣的制樣干密度為最大干密度的95%。制樣流程為首先將規(guī)定數(shù)量的風(fēng)干高液限黏土、添加劑放置在搪瓷盆上充分?jǐn)嚢韬?，將?guī)定量的水均勻地噴灑在試料上，用小鏟將試料充分拌和到均勻狀態(tài)，然后裝入塑料口袋內(nèi)浸潤(rùn)至規(guī)定時(shí)間。制樣采用靜壓法，分三層壓制成型。養(yǎng)護(hù)的方式是將試樣脫模后用濾紙包好，放置于濕砂中室溫養(yǎng)護(hù)。

干濕循環(huán)的試驗(yàn)流程為試樣在濕砂室溫養(yǎng)護(hù)28 d后取出稱重，放置于陶瓷盤上，室溫放置24 h，稱重后再放于水箱內(nèi)，水位高于試樣約10 cm，放置24 h，即認(rèn)為干濕循環(huán)一次，依此類推。

浸水試驗(yàn)的流程為試樣在濕砂室溫養(yǎng)護(hù)28 d后取出稱重，再放置于水箱內(nèi)，水位高于試樣10 cm，放置21 d后取出稱重，再進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。

處治土混合料拌和均勻以后至成型前的悶料時(shí)間是影響處治土強(qiáng)度的因素之一。在本次試驗(yàn)中選取兩種處治土進(jìn)行不同悶料時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的主要為測(cè)試高液限黏土與外加劑拌和后放置不同時(shí)間(24 h、72 h、168 h)再進(jìn)行力學(xué)性試驗(yàn)(CBR強(qiáng)度及不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度)，用以研究悶料時(shí)間對(duì)處治土的影響。測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 悶料處治土的CBR試驗(yàn)表

從表5可知，悶料時(shí)間對(duì)不同的添加劑影響是不一樣的。添加劑為生石灰5%時(shí)，悶料時(shí)間為1 d的效果最好，其CBR值最大，膨脹量最小；添加劑為二灰5%時(shí)，悶料時(shí)間為1 d與悶料3 d的效果接近，悶料3 d稍好于悶料1 d。可以發(fā)現(xiàn)悶料時(shí)間對(duì)處治土CBR值的影響是較大的，隨著悶料時(shí)間的延長(zhǎng)CBR值均有不同程度的下降，其中添加劑為生石灰時(shí)影響更大，因此在施工中控制合適的悶料時(shí)間是非常重要的。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推薦使用的悶料時(shí)間為1～3 d，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果和施工需要確定。

3.2 普通無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)

由CBR承載比試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)添加劑為生石灰和二灰時(shí)，均存在一個(gè)最佳的摻入量。當(dāng)生石灰摻量>7%、二灰摻量>5%時(shí)，其承載比反而降低，主要原因是當(dāng)生石灰的含量超過一定數(shù)量后，多余的生石灰將沉積在土體孔隙中不參加反應(yīng)，僅僅起到顆粒骨架作用，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此在處治土無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)中，選擇生石灰3%、生石灰5%、生石灰7%、二灰3%、二灰5%和二灰7%六種添加劑。測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 處治土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果表

從表6可以看出：

(1)處治土的強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)有所提高，當(dāng)添加劑為生石灰時(shí)，qu.90/qu.7=1.70(1.50～1.85)，當(dāng)添加劑為二灰時(shí)，qu.90/qu.7=2.39(2.22～2.66)。但隨著齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)趨緩。

(2)處治土的強(qiáng)度隨添加劑摻入量的增加而提高，但當(dāng)摻入生石灰的量>5%時(shí)，強(qiáng)度就趨于穩(wěn)定了。

(3)兩種添加劑相比較，二灰的處治效果優(yōu)于生石灰。

3.3 干濕循環(huán)無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)將試樣“南友”的處治土試樣養(yǎng)護(hù)28 d后經(jīng)過5次干濕循環(huán)，再進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。處治土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，試樣處于無側(cè)限狀態(tài)。濕化的描述如表7所示。

經(jīng)過五次干濕循環(huán)后，除添加劑為二灰5%、二灰7%的處治土外， 其余均嚴(yán)重濕化崩解，

無法進(jìn)行強(qiáng)度

試驗(yàn)。其中摻二灰5%的處治土在進(jìn)行干濕循環(huán)五次后強(qiáng)度下降58%，摻二灰7%的處治土下降了43%。大部分處治土在干濕循環(huán)中發(fā)生濕化崩解現(xiàn)象，主要是由于試樣在室溫條件下風(fēng)干24 h后飽和度較低，一經(jīng)吸水產(chǎn)生過大的膨脹破壞了其結(jié)構(gòu)性，說明處治高液限黏土在驟濕驟干的條件下是十分不利的。測(cè)試結(jié)果見表8。

表7 處治土干濕循環(huán)試驗(yàn)現(xiàn)象描述表

表8 干濕循環(huán)試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果表

3.4 浸水無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)

處治土養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行浸水試驗(yàn)(浸水21 d，試樣外觀無明顯變化)，之后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見下頁表9。

表9 浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果表

由試驗(yàn)成果可知，當(dāng)添加劑為生石灰時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間浸水導(dǎo)致強(qiáng)度下降，下降幅度在20%左右。

4 結(jié)語

通過本章的研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)從土承載比(CBR)試驗(yàn)可以看出，添加劑中水泥的處治效果最佳，生石灰和二灰次之，粉煤灰的效果最差，除粉煤灰外前三種均能滿足規(guī)范要求。

(2)利用石灰可大幅降低高液限黏土的液限，而對(duì)塑限影響不大；石灰處治高液土，對(duì)土樣的親水性改善有一定影響；粉煤灰、水泥處治高液限黏土的效果比石灰差。

(3)添加劑為生石灰、二灰和粉煤灰時(shí)，處治土的最大干密度隨添加劑含最的增大而減小，最優(yōu)含水率隨添加劑含量的增大而增大。

(4)處治土強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)齡期超過28 d后，其增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。通過浸水試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn)可知，隨著添加劑摻入量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，處治土的壓縮性總體上呈降低趨勢(shì)。悶料時(shí)間是影響處治土強(qiáng)度的因素之一，處治土存在一個(gè)最佳的悶料時(shí)間，建議施工要有效地控制悶料時(shí)間在1～3 d，以取得較好的處治效果。

(5)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試表明，南友路處治高液土路基的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為：生石灰采用的摻入量為5%和7%，二灰為5%、7%，其中二灰的處治效果優(yōu)于生石灰。

[1]張 平，胡毅夫.高液限黏土路堤填筑石灰改良技術(shù)研究[J].西部探礦工程，2006(10)：7-8.

[2]Delage P.Some microstructure effects on the behaviour for compacted swelling clays used for engineered barriers[J].Chinese J.of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(4)：721-732.

[3]王保田，張福海.膨脹土的改良技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[4]郭愛國，孔令偉，胡明鑒，等.石灰改性膨脹土施工最應(yīng)變-強(qiáng)度特征與本構(gòu)描述佳含水率確定方法探討[J].巖土力學(xué)，2007，28(3)，517-521.

[5]查甫生，劉松玉，杜延軍.石灰-粉煤灰改良膨脹土試驗(yàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,37(2)：339-344.

[6]郭愛國，孔令偉，胡明鑒，等.石灰穩(wěn)定均勻級(jí)配礫石土的路用性能試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(增刊2)：5641-5647.

[7]JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8]JTG E40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[9]JTJ013-95，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10]JTG E51-2009，公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].

Research on Unconfined Compressive Strength Test of High-liquid Limit Clay Improved by Quicklime

CAI Ning-sheng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to study the chemical improvement effect of high-liquid limit soil，with Guangxi Ningming high-liquid limit clay as the object，based on the analysis of basic engineering characteristics，and by using the quicklime and flyash (quicklime+cement) as the additive，this article conducted the liquid plastic limit test，compaction test and unconfined compressive strength test of the soil treated under different mixing ratio，and studied the lime modification method and the physical and mechanical properties of special soil after treatment.Studies have shown that：the lime mixing has remarkable effect on the growth of high-liquid limit soil strength，and when the mixing content is 5% and 7%，it can all meet the regulatory requirements of CBR value>3% and the total swelling-shrinkage rate <0.7%.

High-liquid limit soil；Chemical modification；Lime；Cement；Unconfined strength

蔡寧生，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：道路與橋梁工程。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.003

1673-4874(2015)06-0008-05

2015-03-06