石灰改良黃土性能的試驗研究及工程應用

衛 潔

(山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041000)

1 引 言

黃土在我國西北部地區廣泛分布，由于黃土自身特殊的濕陷特性，對路基穩定性產生嚴重的影響。為了保證工程質量，在應用中需分析合適的施工方案改良黃土濕陷性。在對黃土工程特性的改良上，國內已有很多成功的案例，在鐵路路基施工上使用石灰改良黃土是早有先例，馬幸發現隨著石灰摻量的增加石灰土的抗剪強度逐漸增大，胡大林研究了石灰土的動力特性及其應用。相關研究表明，在水的作用下，石灰與黃土發生兩種主要形式的物理化學反應，在前期主要表現為與黃土發生離子交換反應，在后期表現為發生火山灰反應，土的板體性和穩定性得到提高。在工地現場，中心試驗室對石灰的統一摻量一般選擇為8%～10%，不過對具體摻量和摻量影響沒有太多介紹?；诖?，本文對石灰改性黃土(后稱石灰土)的石灰最佳摻量進行性能研究，以工程當地黃土為基礎，開展不同摻量石灰土的性能研究，并將結果應用于實際工程中，指導工地現場石灰土的路基施工。

2 材料和試驗方案

2.1 黃土特性

黃土取自山西長臨高速K92+300工地現場，所取土樣以粉土為主，褐黃色色澤，孔隙大，較干燥。測得土樣的物理參數見表1。

表1 黃土土樣的物理參數

2.2 石灰特性

所用生石灰由技術參數其第三方檢測機構檢測合格，滿足鈣質石灰的技術標準，使用前過5 mm樣篩。

2.3 試驗方案

對黃土進行粉碎處理，以利于與石灰混合攪拌均勻。在黃土中分別加入2%、4%、6%、8%質量比的生石灰，制成標準試件。通過擊實試驗得到各組試件的最大干密度和最佳含水率，各試驗見表2。在以上條件下分別進行土體的無側限抗壓強度、回彈模量、壓縮固結等試驗的性能分析。

表2 石灰土的最大干密度和最佳含水率

3 試驗結果與分析

3.1 無側限抗壓強度

按規范要求制備39.1 mm×80 mm的標準試件，分別測量試件不同齡期下的無側限抗壓強度，結果見表3。

表3 石灰土的無側限抗壓強度

可以看出，各組試件的無側限抗壓強度隨著齡期的增長在漸漸提高，在28 d時，其強度是初始強度的2倍以上。這種強度提升主要是石灰的加入，所得到的改性土在水分與二氧化碳的參與下會發生一系列離子凝膠結團反應、火山灰凝膠團聚反應和碳酸化反應，土體微晶結構不斷增加，造成石灰土強度的逐漸提升。這種強度提升過程總體上變現出先快后慢，后期強度提升反應時間較長。素土抗壓強度為317.3 KPa，不同摻灰比石灰土的強度提升在同一齡期時增長幅度相對較小，高摻灰比無側限抗壓強度的提升效果在逐漸降低。考慮到工程經濟性，最佳摻灰比應控制在4%以上。

3.2 回彈模量

采用承載板法測定各摻灰比石灰土的回彈變形，計算得到各摻灰比石灰土的回彈變形E0，表4為試驗結果，同時對試驗結果做圖1?？梢钥闯?，素土的回彈模量較低，石灰土的回彈模量在石灰摻量4%之前大幅提升，6%、8%摻灰比石灰土的彈性模量遞增態勢不足5%，說明石灰對石灰土回彈模量的提高效果顯著，在低摻量時即可起到強度提升的效果。在摻灰比4%～6%時，石灰土回彈模量的提升幅度最大。

表4 石灰土的回彈模量

圖1 回彈模量與摻灰比的關系

3.3 壓縮固結

使用快速固結法測定石灰土的壓縮性能。在快速固結法中飽和土的壓縮系數越大則土越容易被壓縮。試驗中土樣的孔隙比e和壓力p組成的e-p曲線斜率為壓縮模量。壓縮模量越大，土的壓縮性越差。在95%壓實度下，對養護7d的各摻灰比石灰土的壓縮系數和壓縮模量進行測試，試驗結果見圖2。素土的壓縮系數最大，石灰改良土的壓縮系數均低于素土，摻灰比4%時，石灰土的壓縮系數最低，石灰土達到最不易被壓縮的狀態。石灰土壓縮模量的變化趨勢與壓縮系數呈相反的狀態，在摻灰比4%時，壓縮模量為22.7 MPa，土的固結狀態最好。

圖2 石灰土的壓縮系數和壓縮模量

4 工程應用

4.1 工程概況

結合工地試驗室確定的試驗數據，在4%～6%摻灰量時開展工程應用，考慮到工地現場石灰用量不易精準控制，減少石灰用量過小石灰土強度不夠，現場確定選用推薦摻量上限6%進行工程驗證，在工地現場選取K92+230-K97+200作為工程試驗段。采用的石灰材料技術指標滿足規范要求。現場采用路拌法，盡量保證灑水和拌和的均一性，整形碾壓平整。為保證路拌法摻灰比滿足設計要求，在石灰放樣時盡量控制好堆放間距，沿路線方向均勻堆放。

4.2 現場壓實度檢測

在K94+300～K94+900路段采用環刀法進行石灰土的壓實度測試，現場各樁號的測點中壓實度最高可達99%，平均壓實度達97%，該試驗段壓實度符合現場施工要求。

圖3 工地現場取樣

4.3 彎沉檢測

完成鋪筑后在K96+310、K97+030橫斷面采用貝克曼梁測定路基的彎沉值，按照質量評定標準開展測試，測試結果見表5，測試結果滿足評定要求。

表5 現場彎沉測量值

4.4 回彈模量檢測

對試驗路K96+310、K97+030橫斷面進行不同齡期的回彈模量檢測，檢測結果見表6。石灰土的回彈模量在7 d時為52.7 MPa和54.1 MPa，28 d時為78.8 MPa和84.3 MPa，石灰土的回彈模量遞增隨齡期增長較為平穩，石灰土的回彈模量滿足施工要求。

表6 現場回彈模量檢測結果

5 小 結

石灰加入黃土后，由于石灰與黃土發生火山灰反應等物理化學變化，石灰土的物理性質得到有效提高。在摻灰比為6%時，石灰土的回彈模量提升最為顯著，且該摻量下石灰土的壓縮系數最低，石灰土達到最不易被壓縮的狀態。以摻灰比6%進行實體工程驗證，根據現場壓實度、彎沉值和回彈模量的跟蹤試驗檢測結果，驗證了該摻量石灰土能較好改善黃土的工作性能，滿足工程需求。