凍融循環作用下石灰改良粉砂土特性研究

伍劍鋒

（ 中國水利水電第八工程局，湖南 長沙410000）

青海省位于我國青藏高原地區，該地區受季節性凍土影響較大，在凍融循環作用下，其土體內部結構及顆粒組成均會發生變化，進而使土體的力學性能迅速劣化，造成凍脹、融沉等現象，極大危害公路運營安全[1-4]。為解決上述由于凍融循環造成的危害，常常需要對該地區凍土進行處理。

土壤改良是最常見、最經濟、效果較好的一種處治方法[5-6]。目前，對土體改良最常見的改性材料主要為水泥、石灰、粉煤灰、爐渣等[7-9]。張向東等[10]研究了煤渣改良土在凍融循環作用下的強度及屈服特性，詳細分析了凍融循環次數對煤渣改良土強度特性及屈服面的影響。宋金華等[11]為研究凍融循環對石灰改良路基土的影響開展了動回彈模量實驗,分析了凍融次數、含水率、石灰含量和壓實度等因素對改良土路基動回彈模量的影響規律。吳燕開等[12]利用水泥、鋼渣粉和NaOH 等材料改良了膨脹土，并研究了改良膨脹土的凍融特性。崔宏環等[13]開展凍融循環作用下不同養護期齡的水泥改良土的無側限抗壓強度試驗，探究了養護期齡、凍融循環次數對水泥改良土的無側限抗壓強度、質量損失率以及變形模量的影響規律?，F有研究表明，利用水泥、石灰、粉煤灰、爐渣等材料改良后的土體的凍融特性均有一定的提升[14-17]。但是這些研究多是針對改良土的宏觀力學特性的研究，而對凍融循環作用下改良土的微觀結構變化的研究尚不深入。因此，通過研究改良土在凍融循環作用下的微觀結構變化解釋其宏觀力學特性具有重要意義。

本文通過開展不同石灰含量的石灰改良粉砂土在凍融循環作用下的無側限抗壓強度、三軸試驗，分析了凍融循環次數、石灰含量對石灰改良粉砂土無側限抗壓強度、粘聚力和內摩擦角的影響規律。并通過電鏡掃描(SEM)試驗,揭示了石灰改良粉砂土的微觀機制和凍融循環作用對改良改良粉砂土微觀結構的影響。該研究可為石灰改良粉砂土在青海地區的應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本實驗中所用的粉砂土均取自青海省蘭州市某道路施工現場，其級配如圖1 所示。采用X 射線衍射測試了該風積砂土所含礦物成分，發現該粉砂土中主要含有伊利石，高嶺石，石英、云母等。依據JTG E40-2007《公路工程土工試驗規程》得到該風積砂土的基本物理指標，相對密度1.98，液限30.2%，塑限23.2%。天然含水率為11.88%，壓實干密度為1.74g/cm3，最大干密度為1.84g/cm3。熟石灰采用工程用料鈣質熟石灰粉，選用的石灰的鈣鎂含量分別為CaO 含量為72.12%，MgO 含量為3.90%。

圖1 粒徑級配

1.2 擊實試驗

將從施工現場取回的土在實驗室內風干、碾碎后過2mm篩，與含量(相較于干土質量)0、2%、4%、6%和8%的石灰攪拌均勻后，分別配置成5～6 個不同含水率(含水率在16%～26%之間)。含水率配置完成后將改良土至于密封袋中密封24h，以便土壤中水分分布均勻。依據JTG E40-2007《公路工程土工試驗規程》采用重型擊實的方法進行擊實試驗，得到不同石灰含量下改性粉砂土的最大干密度和最優含水率。

1.3 凍融循環試驗

依據上述擊實試驗所得最大干密度及最優含水率制備不同石灰改良粉砂土試樣，然后進行凍融循環試驗，具體步驟如下：

(1)依據上述擊實試驗所得0、2%、4%、6%和8%石灰改良土的最大干密度及最優含水率，采用靜力壓實法分5 層制備大小為φ50mm×100mm 的圓柱形試樣，試樣完成后，將試樣置于恒溫恒濕箱中養護28d，然后取部分試樣進行無側限抗壓強度試驗，其余試樣進行凍融循環試驗。

(2)試樣養護完成后，將試樣置于真空飽和器中，飽和24h，此時試樣為0 次凍融循環。

(3)將飽和試樣置于溫度為-20℃的冷凍箱中24h，凍結完成后，將試樣置于水溫為20℃的真空飽和器飽和24h 后取出試樣，用濾紙吸干試樣表面水分，此過程為1 次凍融循環。

(4)將試樣按照步驟(3)進行0、2、4、6、8 次凍融循環后，對進行無側限抗壓強度試驗。

2 試驗結果

2.1 擊實特性

圖2 改良粉砂土的擊實曲線

土體的擊實曲線可反映土體的擊實特性。本試驗通過重型擊實試驗得到不同石灰含量的改良粉砂土的擊實曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，隨著石灰含量的增加，改良粉砂土的擊實曲線的陡峭程度越來越緩，這表明摻加石灰后，粉砂土的水敏性減小，受含水率的影響逐漸減小。此外，從圖2 中還可以看出，隨著石灰含量的增加，改良粉砂土的最大干密度由1.84g/cm-3逐漸減小至1.65g/cm-3，而最優含水率由18.3%逐漸增大至24.2%。究其原因主要是因為石灰的親水性比粉砂土的親水性強，因此導致其最優含水率隨石灰含量的增加而增加；而石灰的干密度要小于粉砂土，從而導致改良后粉砂土的最大干密度逐漸減小。

2.2 石灰含量對改良粉砂土無側限抗壓強度的影響

圖3 凍融作用下石灰改粉砂土無側限抗壓強度

圖3 為不同石灰含量下改粉砂土無側限抗壓強度。從圖中可以看出：

(1)未進行凍融循環處理時，未改性的粉砂土的無側限抗壓強度僅為0.6MPa。隨著石灰含量從0 增加至8%，改良粉砂土的強度從0.63MPa 增加至1.33MPa。這主要是以為石灰在粉砂土內部形成了具有膠凝作用的Ca(OH)2和xCaO·SiO3，從而增加了粉砂土的粘聚力，進而影響石灰改良粉砂土的無側限抗壓強度。此外，從圖中還可看出，隨著石灰含量的逐漸增大，改良粉砂土無側限抗壓強度的增幅越來越小。這表明石灰對粉砂土強度的影響程度逐漸減弱。

(2)同一凍融循環次數下，石灰改良粉砂土的無側限抗壓強度隨石灰含量的增加而逐漸增加。將同一凍融循環次數下不同石灰含量的改良粉砂土的無側限抗壓強度進行擬合，發現其曲線隨著石灰含量的增加，后期增長速率越來越小，可以預測，隨著石灰含量的逐漸增大，其強度的增量也會越來越小。

(3)同一石灰摻量下的改良粉砂土的無側限抗壓強度，隨著凍融次數的增大其強度越來越小。從其擬合曲線的之間的間距可以發現，曲線間的間隔越來小，可以判斷，隨著凍融次數的逐漸增大，其強度的減小幅度也越來越小。

2.3 石灰改良粉砂土微觀機制分析

石灰主要是通過離子交換、結晶、火山灰及碳化等作用改善土體的內部結構，進而影響其力學性質，其具體改良機制如下：

(1) 石灰水化產生的Ca2+置換出粉砂土顆粒表面的低價陽離子，使粉砂土顆粒表面的水膜厚度減小，由于范德華力的作用，導致顆粒間的間距逐漸減小，使改良后的粉砂土更加致密。

(2)石灰與粉砂土混合后，在土體內部產生Ca(OH)2，從而出現結晶現象，從而與土體中游離的水發生反應，形成具有微弱膠結作用的Ca(OH)2·nH2O，使粉砂土顆粒形成大的骨架。

(3)石灰形成的Ca(OH)2與土體內部的SiO2和Al2O3等發生火山灰反應，形成具有膠結作用的硅酸鈣鹽和鋁酸鈣鹽，從而是粉砂土顆粒間形成大的團聚體。

(4)Ca (OH)2還可與空氣和粉砂土孔隙中的CO2發生碳化反應，形成CaCO3晶體。

3 結論

本文通過凍融循環作用下的石灰改良粉砂土的無側限抗壓強度試驗、三軸試驗，探討了凍融循環對石灰改良粉砂土的無側限抗壓強度的影響，并分析了石灰改良粉砂土的作用機理。得到如下結論：

(1)石灰含量影響著改良粉砂土的擊實特性，隨著石灰含量的增加，改良粉砂土的最大干密度逐漸減小，而最優含水率逐漸增大。

(2)隨著石灰含量的增大，石灰改良粉砂土的無側限抗壓強度也隨之增大，且增長幅度逐漸減小。無側限抗壓強度隨著凍融次數的逐漸增大，但其強度的減小幅度越來越小。

(3)石灰主要是通過離子交換、結晶、火山灰及碳化等作用改善土體的內部結構，進而增強其力學性質。