高液限黏土改良方法試驗研究

肖 斌，吳 斌，張進港

（1.山東高速軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250098；2.山東泰和公路工程有限公司，山東 淄博 256103；3.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南 250101）

引言

高液限黏土通常含有大量的蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土成分；土中黏粒和粉粒較多，集配分布不均，不易壓實；毛細現(xiàn)象明顯，吸水后能長時間保持水分，故吸水后承載力小、穩(wěn)定性差；具有較大的可塑性、弱膨脹性和黏性。因此高液限黏土工程性質較差，不能直接用于路基填筑，必須進行技術改良。對不滿足工程要求的土料進行土體改良，既可提高土體路用性能，又能解決路基填筑土料不足的問題，達到資源循環(huán)利用的目的。

傳統(tǒng)的土體改良技術如加水泥、石灰等已經(jīng)很成熟，尋找新物質對土體進行改良已成為新熱點。木質素是植物界中儲量僅次于纖維素的第二大生物質資源，全球每年產(chǎn)量約5 000萬噸，大部分未得到合理利用，資源浪費嚴重[1]。對此，國內外學者通過在土體中添加木質素來研究其對土體的物理力學性能的改善，成果頗豐。張濤等[2]發(fā)現(xiàn)低圍壓排水剪切條件下，木質素改良粉土體積應變存在先“剪縮”后“剪脹”的變化特征，高圍壓條件下則完全表現(xiàn)為“剪縮”。鐘秀梅等[3]從微觀角度揭示了兩種制樣法制備試樣的本質差異，發(fā)現(xiàn)對于木質素改良土，泥漿攪拌法獲得的試樣中木質素與黃土顆粒形成了新的膠結物和團聚物；而加水濕拌法獲得試樣中，木質素在土顆粒中僅起到加筋作用，未出現(xiàn)新的膠結物。張健偉等[4]通過無側限抗壓強度試驗和凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)一定的凍融循環(huán)次數(shù)下木質素改良土的無側限抗壓強度隨著摻量的增大先增加后降低，存在一個最優(yōu)摻量。劉釗釗等[5]基于土-水特征曲線試驗和濕化崩解試驗，發(fā)現(xiàn)不同體積含水率條件下改良黃土的基質吸力均隨木質素摻量的增加先增后減，改良黃土水穩(wěn)性并非隨摻量持續(xù)增加而單調增強，1%～2%摻量的改良黃土水穩(wěn)性最佳。劉俐丹等[6]針對紫色土易引起水土流失的特點，進行木質素磺酸鈣固化實驗，發(fā)現(xiàn)固化土抗剪強度隨著木鈣摻入量的增加先增大后減小，木鈣摻量為5.0%時，固化土抗剪強度達到峰值，凝聚力和內摩擦角分別提高62.73% 和11.84%。劉松玉等[7]的研究證明，木質素與粉土會發(fā)生水解反應、質子化反應和靜電引力作用，最終形成致密穩(wěn)定的土體結構，有效提高粉土的抗壓強度和耐久性。

1 試樣方案及材料

1.1 試驗方案

對魯山大道工程沿線分布的高液限黏土，分別采用石灰和兩種木質素磺酸鹽（木質素磺酸鈣、木質素磺酸鈉，以下分別簡稱木鈣、木鈉）作為固化劑對其改良，通過對比分析改良土的無側限抗壓強度和酸堿度指標，綜合評價不同固化劑的改良效果。試驗方案見表1。

表1 試驗方案

1.2 試驗材料

土樣取自淄博市魯山大道工程施工路段，基本物理性質見表2。 木鈣呈棕褐色粉末狀，pH值為5.4，呈弱酸性。木鈉呈黃褐色粉末狀，pH值為9.1，呈弱堿性。石灰呈白色粉末狀，pH值為12.78，呈強堿性。酸堿度測定選用蒸餾水，其他試驗取日常生活用水。

表2 土樣主要物理性質指標

2 試驗方法

2.1 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度是試樣在無側向壓力情況下，抵抗軸向壓力的極限強度，由無側限壓縮試驗求得。試驗采用應變控制式無側限抗壓強度試驗儀。試件尺寸為直徑39.1 mm，高80 mm的圓柱體，采用千斤頂靜壓一次成型法。

取過2 mm篩下試驗用風干土與固化劑拌和均勻，用噴霧設備噴灑預計的加水量，拌和均勻后裝入密閉容器中，悶料一夜備用。悶好的土料分三次倒入試模，每次振搗10～20次，靜壓1 min后脫模。將成型試件放入保鮮袋中，在標準養(yǎng)護箱中（養(yǎng)護溫度20±3 ℃，相對濕度≥95%）密封養(yǎng)護。待試件到養(yǎng)護齡期后，進行無側限抗壓強度試驗。

2.2 酸堿度試驗

酸堿度試驗是為了評價改良土對周圍環(huán)境的影響，所用儀器型號為PHS-3C數(shù)顯臺式酸度計。試樣取自無側限抗壓強度完成后的破碎土樣，將土樣碾碎過1 mm篩，取篩下土樣10 g，量取100 mL蒸餾水與土樣攪拌均勻，然后用酸度計測試pH值。

3 試驗結果分析

3.1 改良土無側限抗壓強度

（1）圖1（a）為木鈣摻量與養(yǎng)護齡期對改良土抗壓強度的影響曲線。可以看出，在各級養(yǎng)護齡期下，隨著木鈣摻量的增加，改良土強度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，木鈣摻量為3%時改良土的抗壓強度最大，而當摻量超過3%后強度呈現(xiàn)急速下降趨勢。28 d齡期時，3%摻量時強度為2 887.5 kPa，為素土強度（1 698.9 kPa）的170%，可見3%摻量的木鈣對高液限黏土改良效果顯著，抗壓強度能提高70%。（2）圖1（b）為木鈉摻量與養(yǎng)護齡期對改良土抗壓強度的影響曲線。可以看出，在各級養(yǎng)護齡期下，隨著木鈉摻量的增加，改良土強度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，木鈉摻量為6%時改良土的抗壓強度最大，當摻量超過6%后強度呈現(xiàn)下降趨勢。28 d齡期時，木鈉摻量為6%時的抗壓強度為2 530.7 kPa，為素土強度（1 698.9 kPa）的149%，可見6%摻量的木鈉對高液限黏土改良效果最好，抗壓強度能提高49%。（3）圖1（c）為石灰摻量與養(yǎng)護齡期對改良土抗壓強度的影響曲線。

圖1 改良土無側限抗壓強度

可以看出，在各級養(yǎng)護齡期下，隨著石灰摻量的增加，改良土強度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，石灰摻量為9%時改良土的抗壓強度最大，當摻量超過9%后強度呈現(xiàn)急速下降趨勢。28 d齡期時，石灰摻量為9%時的抗壓強度為4 351.1 kPa，為素土強度（1 698.9 kPa）的256%，可見9%摻量的石灰對高液限黏土改良效果最好，抗壓強度能提高156%。

3.2 改良土酸堿度

圖2 為28 d齡期時各固化劑摻量對改良土pH值的影響。

圖2 齡期28 d時改良土的pH值

可以看出，石灰改良土和木鈉改良土pH值都隨固化劑摻量的增加而增大，且都是在摻量為6%時達到最大值后趨于平穩(wěn)，其中石灰改良土pH值增加較大，pH最大值為11.6，呈強堿性，木鈉改良土pH值增加較小，pH最大值為9.3，呈弱堿性；木鈣改良土pH值隨固化劑摻量的增加而減小，在摻量為3%時達到最小值后趨于平穩(wěn)，pH最小值為6.2，改良土接近中性。

3.3 改良效果對比

為了直觀對比木鈣、木鈉與石灰對高液限黏土的改良效果，根據(jù)齡期28 d時改良土的抗壓強度和pH值變化，考慮經(jīng)濟性，選取最少摻量為3%時的改良土與素土進行強度比較，見圖3。

圖3 三種固化劑改良效果對比

與素土相比，養(yǎng)護齡期7 d、14 d、28 d、60 d時，木鈉改良土強度提高不明顯，木鈣改良土和石灰改良土強度提升明顯。由此可知，3%摻量時，木鈉對高液限黏土的改良效果不明顯，但木鈣和石灰對于高液限黏土的改良效果極佳。在經(jīng)濟性要求下，綜合考慮三種固化劑對改良土無側限抗壓強度和pH值的影響，可知木鈣在最優(yōu)摻量3%時對高液限黏土的改良效果最佳。

4 結語

（1）各級養(yǎng)護齡期下，隨著固化劑摻量的增加，三種改良土的抗壓強度均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，木鈣、木鈉和石灰的最佳摻量分別為3%、6%和9%；養(yǎng)護齡期28 d時，與素土相比，3%木鈣、6%木鈉和9%石灰改良土的抗壓強度分別提高了70%，49%和156%。（2）養(yǎng)護齡期28 d時，石灰改良土和木鈉改良土的pH值都隨固化劑摻量的增加而增大，二者均在6%摻量時達到最大值后趨于平穩(wěn)，pH最大值分別為11.6和9.3；木鈣改良土的pH值隨固化劑摻量的增加而減小，3%木鈣摻量時達到最小值后趨于平穩(wěn)，最小值pH為6.2。（3）從經(jīng)濟性、改良土的抗壓強度和酸堿度三方面綜合比較，可知木質素磺酸鈣對高液限黏土的改良效果最佳。