石灰改良高液限土試驗研究

吳英蘭

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

0 引言

高液限土作為一種液限高于50%的不良土[1],易發生工程地質災害,并且這種危害會隨著高溫和降雨的循環作用反復出現[2]。又由于我國高液限土分布廣泛,隨意棄之,并不是最好的方法。因此,為保證能最大程度的利用高液限土,必須對高液限土進行改良。

目前,國內外學者常用化學方法對高液限土進行改良。楊元周等[3]將生石灰作為改良劑,研究發現生石灰對高液限土的CBR和回彈模量都有不同程度的提高,并且在加入生石灰后,干濕循環下高液限土的強度劣化也大大減小,生石灰最優摻量為3%。周源[4]以Na2SiO3溶液和硫酸鋁作為改良劑,將二者進行復配,試驗發現改良土的液限和塑性指數降低,在同等干濕次數下,改良土的抗剪強度以及黏聚力和內摩擦角均高于素土。鄭德平[5]使用水泥和石灰作為改良劑,以摻量作為變量,研究發現改良后的高液限土擊實曲線變得平緩,不會出現含水率稍微變化就出現干密度大幅降低的現象,并且兩種改良材料均能改善高液限土的脹縮性和水穩性。

基于此,文章以沈陽某高速路段的高液限土作為研究對象,以石灰為改良劑,通過界限含水率試驗、濕化崩解試驗、無側限抗壓強度試驗和掃描電鏡試驗,從宏觀和微觀兩方面綜合分析石灰對高液限土的改良效果,以期為實際工程提供參考。

1 試驗簡介

1.1 試驗材料

試驗高液限土取自沈陽某高速路段的右側土坡上,取土深度約為2m,其基本物性特征如表1所示。試驗結果顯示該土液限>50%、塑性指數>26,屬于典型的高液限土。

表1 高液限土物性指標

試驗用改良劑生石灰呈粉末狀,CaO含量>95%。

1.2 試驗方法及方案

試驗將生石灰的摻量作為唯一變量,其摻量選擇為0、2%、4%、6%、8%,該摻量為石灰占干土質量。按照《土工試驗方法標準》[1](GB/T 50123—2019)開展物理力學試驗測試,其中液塑限試驗用土選擇過0.5mm篩的高液限土,無側限抗壓強度試驗和濕化崩解試驗選擇過2mm篩的高液限土,含水率選擇22%,壓實度選擇95%,無側限抗壓強度試驗和濕化崩解試驗試樣尺寸均為3.91cm×8cm的圓柱樣,養護時間選擇28d。掃描電鏡試驗采用Flex1000進行改良高液限土土顆粒之間形貌、接觸和孔隙等研究。具體試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 石灰摻量對高液限土界限含水率的影響分析

界限含水率試驗可以得到三個不同含水率下的錐入深度,將三個錐入深度及它們對應的含水率進行線性擬合,可以在擬合曲線上得到相應的液限、塑限,通過液限減去塑限可以得到塑性指數,故石灰改良高液限土的液塑限以及塑性指數變化如表3所示。

表3 石灰摻量對高液限土界限含水率試驗的影響

由表3可知:(1)隨著石灰摻量的增加,高液限土的塑限逐漸增加;(2)隨著石灰摻量的增加,高液限土的液限逐漸降低;(3)由于液限逐漸降低,塑限逐漸升高,所以二者的差值也就是塑性指數逐漸減小。

為了更加直觀地看出隨著石灰摻量的增加液限和塑性指數的降幅以及塑限的增幅,以石灰摻量作為X軸,以液限、塑限和塑性指數作為Y軸,制作折線圖,如圖1所示。

圖1 石灰改良高液限土液塑限變化圖

由圖1可知:

(1)當石灰摻量超過4%時,液限的降幅增大;當石灰摻量超過2%時,塑限的增幅變小,且后續摻量下的增幅都較為穩定;塑性指數在摻量為2%和4%降幅稍有降低,其余摻量下降幅都較大。

(2)當石灰摻量為6%,塑性指數16.58<26,高液限土的親水性能已經大大減弱;當石灰摻量為8%,液限48.06%<50%,塑性指數12.19<26,此時該試驗用土已經不屬于高液限土的范疇。

分析以上試驗結果,主要是由于石灰加入高液限土中會釋放出大量的Ca2+,高價的鈣離子會發生離子交換作用,將土顆粒之間低價的陽離子置換出來,高價的鈣離子與土顆粒表面的負電荷相互吸引靠近,減小了土顆粒之間雙電層厚度,也就是結合水膜厚度,故最終使得高液限土的親水性大大降低。

2.2 石灰摻量對高液限土崩解量的影響分析

將3.91cm×8cm的圓柱樣放入水中,記錄不同時刻的剩余質量,可以得到該時刻的崩解量,由此可以作為不同摻量下石灰改良高液限土的評價指標,不同摻量下高液限土的崩解量如圖2所示。

圖2 石灰改良高液限土崩解量變化圖

由圖2可知:(1)沒有加入石灰的素土崩解極快,幾分鐘內就完全崩解,水質呈渾濁的褐色;(2)當石灰摻量為2%時,高液限土的崩解依舊是100%,但是完全崩解的時間超過1h,說明低石灰摻量下,石灰依舊會對高液限土起到改良作用,但是由于摻量較小,石灰與土顆粒反應生成的膠凝產物不夠多;(3)當石灰摻量≥4%開始,改良高液限土的崩解量在12h均達到100%,隨著摻量的增加,最終崩解率依次為60.26%、30.56%和17.32%,說明隨著石灰摻量的增加,石灰在土顆粒之間生成的膠凝產物越來越多,大大提高了高液限土的水穩定性;(4)無論素土還是石灰改良土其崩解曲線均經歷先迅速增大,崩解斜率快速提高,然后斜率逐漸減小,最終崩解趨于穩定的走勢。

2.3 石灰摻量對高液限土無側限抗壓強度的影響分析

無側限抗壓強度試驗可以得到土樣的抗壓強度以及達到峰值抗壓強度時的應變,故將石灰改良高液限土的峰值抗壓強度即無側限抗壓強度和到達該強度時的應變進行匯總,如表4所示。

表4 石灰改良高液限土無側限抗壓強度試驗數據匯總

由表4可知:(1)隨著石灰摻量的增加,高液限土的無側限抗壓強度呈現持續遞增的規律,而達到無側限抗壓強度時的應變則呈現出持續遞減的規律;(2)在未加入石灰時,素高液限土表現出低強度、高應變特征,說明素土有較好的抗變形能力和較好的塑性。當石灰加入高液限土中后,高液限土呈現出高強度、低應變的特征,說明改良土抗變形能力降低,破壞偏向于脆性;(3)當石灰摻量為4%時,高液限土無側限抗壓強度的增幅最大,后續增幅開始慢慢降低,當摻量達到8%時,增幅僅有58kPa,主要原因是過多的石灰不參與膠凝物質的生成,并且會在土顆粒之間形成阻隔,從而影響土顆粒之間的膠結。

2.4 石灰摻量對高液限土微觀結構的影響

由SEM試驗得到的石灰改良高液限土微觀結構如圖3所示。

圖3 石灰改良高液限土微觀結構匯總

由圖3可知:(1)素土和石灰摻量2%改良土微觀結構均呈現蜂窩狀,土顆粒之間能看到明顯的大孔隙,整體性不好,但是相較于素土,石灰摻量2%的改良土孔隙較少;(2)當石灰摻量≥4%時,土顆粒之間的孔隙被大量膠凝產物填充,大孔隙大量減少,微小孔隙增多,土樣表現出良好的完整性,并且土顆粒之間從點-點接觸變成了面-面接觸。

3 結論

通過對沈陽某高速路段的高液限土進行物理、力學和微觀試驗,研究了石灰對高液限土的改良效果,得到以下結論:

(1)石灰能夠降低高液限土的液限以及顯著降低塑性指數,對高液限土的親水特性具有很強的削減作用。

(2)石灰會大幅提高高液限土的水穩定性,表現為崩解量大幅減少。

(3)石灰能夠大幅提高高液限土的無側限抗壓強度,但是會增強高液限土的脆性,并且強度的增幅隨著石灰摻量增加呈現出先增大后減小的規律。

(4)通過掃描電鏡試驗分析發現素土是由棱角明顯的塊狀土顆粒組成的,整體性很差,經過石灰改良后的高液限土,土顆粒逐漸轉化為膠體狀,表現出很好的整體性。