石灰摻量對分散性土工程性質的時效影響分析

田維恒, 王寧遠, 楊海華, 何建新*

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院, 烏魯木齊 830052; 2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室, 烏魯木齊 830052;3.中國水電建設集團十五工程局有限公司, 西安 710016)

20世紀中葉,澳大利亞人發現了分散性土的存在,隨著分散性土應用于水利工程中,并對水利樞紐造成破壞后,美國工程師便開始對其研究[1],而中國對分散性土的發現與研究則相對較晚[2]。分散性土分布范圍廣,在黑龍江、吉林、浙江、山東、江蘇等省都有發現。分散性土是指土顆粒在水中懸浮絮凝,容易被雨水或滲流沖蝕帶走的水敏性特殊土[3],其不良工程特性表現為抗沖蝕能力低、滲透穩定性差、易發生管涌、流土、沖溝等破壞,在水利工程中需要對分散性土進行改性,才能投入使用。石灰具有經濟、易獲取、施工方便、施工工藝較完善等優點,工程中多采用石灰作為改性劑,但石灰摻入土中會發生離子交換、結晶、碳酸化等一系列反應[4-5],改性土的物理及力學性能將發生改變,從而對改性土填筑心墻壩的防滲和變形產生影響。開展石灰改性分散性土后期力學性能變化規律研究對分散性土投入水利工程中使用具有重大意義。

目前,分散性土主要采用石灰[6-8]、粉煤灰[9]、納米土[10]、木質素[11]等改性劑來抑制其分散性,效果俱佳。劉國梁[12]研究發現,對加入石灰復合改性劑的分散性土齡期超過7 d以上,改性效果更好,無側限抗壓強度隨石灰摻量增加而增大。劉杰等[13]對分散性土用石灰改性,結果表明,摻量對分散性和抗剪強度影響較大。姬勝戈等[11]用木質素改善分散性土,得到隨木質素和齡期增加改性效果越好,無側限抗壓強度越大。高夢娜等[14]研究表明,石灰提高了黃土無側限抗壓強度,石灰摻量越多強度越高,而齡期對強度的影響小。張豫川等[15]對黃土用石灰改善,結果表明,短期內石灰改性土的抗剪強度提升快,長齡期下改性土樣的滲透系數變化幅度大(從10-6減小到10-7數量級)。葛菲等[16]通過直剪試驗發現,養護齡期越長,改良黃土的抗剪強度越高,變形能力變弱,硅微粉摻量為10%,改良土強度明顯增大。康靖宇等[17]利用水玻璃改善了膨脹土的脹縮性,并對齡期28 d不同水玻璃摻量的改性土進行直剪試驗,試驗結果表明加入水玻璃改良后膨脹土的強度明顯提高,黏聚力隨摻量增加呈線性增長。尚高鵬等[18]用纖維聚合物改良粉土易液化的性質,對不同纖維含量和不同齡期的改性土進行無側限抗壓強度試驗,結果表明,纖維聚合物能提高粉土強度。李敏等[19]通過石灰復合改性劑對鹽漬土進行改性,提高了鹽漬土的強度,結合抗壓和抗剪強度試驗,得到石灰改性劑的最佳摻量。佟利輝等[20]對鹽漬土加入石灰開展無側限抗壓強度試驗,結果表明,石灰改善了鹽漬土的強度和抗變形性能,隨齡期增加鹽漬土改善更好。陳學軍等[21]研究發現,木質素可以提高紅黏土的無側限抗壓強度,隨木質素摻量和齡期增加改性紅黏土的無側限抗壓強度增大。肖慶一等[22]對紅黏土加入石灰改性,發現改性土的、壓實特性和收縮性均得到改善,強度隨齡期和摻量的增加而增大。

前人針對黃土、膨脹土、鹽漬土等特殊土開展了改性后的力學性能研究,得到在不同改性劑摻量、齡期下的力學性能變化規律,確定了合理的改性劑摻量,為工程建設中使用黃土等特殊土提供了理論依據。當分散性土用于高壩心墻填筑時,其水敏性特點不利于大壩防滲,故需對分散性土改性,目前對分散性土的改性和分散機理研究較多,而對分散性土改性后的力學研究較少,部分學者僅在單一條件下研究了改性劑摻量對分散性土強度的影響[12-13],而改性土的變形、強度、壓實性等性能還隨齡期的增長而改變。鑒于此,對心墻分散性土填筑料加入石灰改性,通過室內試驗,研究不同石灰摻量對分散性土擊實性能的影響,并在不同齡期、不同石灰摻量條件下研究改性土的變形和強度的變化規律。研究成果可為實際工程中確定改善分散性土的合理石灰摻量和評價改性后心墻長期工作性能提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗土樣

試驗用土是新疆某工程大壩黏土心墻填筑料場4個鉆孔下的混合土樣,本次試驗將未摻石灰的試驗用土稱為素土。對素土進行分散性判別試驗,綜合判定結果如表1所示,試驗用土屬分散性土。表2為分散性土的基本物理性質指標,為低液限粉土。通過室內擊實試驗,測得該土樣的最優含水率為14.9%,最大干密度為1.78 g/cm3。

表1 分散性土的分散性綜合判別Table 1 Comprehensive discrimination of dispersion soil

表2 分散性土的物理性質Table 2 Physical properties of dispersed soils

1.2 試驗方案

1.2.1 改性試驗

為得到石灰改性分散性土的最佳摻量,本試驗對分散性土摻入1%、2%、3%、5%、10%的石灰進行針孔試驗(試樣尺寸直徑為39.1 mm,高為50 mm)、碎塊試驗和雙比重計試驗,試驗根據美國試驗與材料協會的D4647-20、D4221-18、D6572-20標準進行判別,選出最佳改性摻量。

1.2.2 擊實試驗

本次擊實試驗選擇7種石灰摻量(0.5%、1%、2%、3%、5%、7%、10%,即石灰質量與灰土總質量之比)。素土樣用105 ℃的溫度烘干,待土樣冷卻后與備好的石灰(比表面積越小越好)攪拌均勻,將石灰與土拌勻后再預加至需要含水拌勻裝入密封袋靜置24 h后采用輕型擊實試驗標準進行擊實。

不同石灰摻量擊實試驗結果可為下一階段試驗提供數據基礎和為大壩填筑提供質量控制指標。

1.2.3 壓縮與直剪試驗

根據改性土的擊實試驗結果,以最優含水率和最大干密度來制備不同石灰摻量(0、1%、2%、3%、5%、10%)的壓縮與直剪試驗土樣,將成型的試樣用保鮮膜包裹好放入密閉的容器里,再放入恒溫箱中養護至需要的齡期(0、1、2、3、7、14、28 d),保證試樣含水率變化不超過0.2%。試驗方法按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行。

1.2.4 無側限抗壓強度試驗

不同摻灰量(0、1%、2%、3%、5%和10%)的無側限抗壓強度試驗土樣制備同上,試樣尺寸直徑為39.1,高為80 mm,分6層擊實成型。把擊好成型的試樣(每組3個)用保鮮膜包裹好放入密閉的容器里,再放入恒溫箱中養護至需要的齡期(0、1、2、3、7、14、28 d。),養護溫度(20±2) ℃。

2 試驗結果與分析

2.1 摻量對土分散性的影響

由3種分散性判別試驗結果可知,不同試驗方法對改性土的結果鑒別存在差異,為保障工程長期安全運行,只要一種試驗結果不符合標準則視為不合格。判別試驗結果如表3所示,當石灰摻量為1%時,改性土針孔試驗結果為過渡性土,碎塊試驗結果為分散性土,雙比重計試驗結果為過渡性土;石灰摻量為2%時,3種試驗判別結果分別為非分散性土、過渡性土、過渡性土;當石灰摻量增加到3%后,3種分散性試驗判別皆為非分散性土。由圖1可知,1%摻量的石灰改性土其抗沖蝕能力明顯比素土的抗沖蝕能力強;2%摻量的石灰改性土,針孔試驗結果為非分散性土,從滲徑破壞形狀來看,2%摻量改性土的滲徑形狀與1%摻量改性土的滲徑形狀相比并未有較大的改變,但是兩者水頭高度不同,滲徑大小卻接近,顯然2%摻量的改性土抗沖蝕效果要好很多,仍不滿足工程安全需求;3%摻量的改性土,3種判別試驗結果皆為非分散性土,滲流孔徑幾乎沒有變化,說明3%的石灰摻量能完全抑制土的分散性,提高其抗沖蝕能力,滿足工程要求,只考慮經濟情況,3%的石灰摻量為最佳。

圖1 針孔試驗剖面圖Fig.1 Profile of pinhole test

表3 分散性判別試驗結果Table 3 Results of dispersion discrimination test

2.2 石灰摻量對擊實性能影響

圖2為不同石灰摻量改性土的擊實曲線,圖3為最優含水率和最大干密度與石灰摻量的關系曲線。從圖2可以看出,不同石灰摻量改性土的擊實曲線均呈現出干密度ρd隨含水率ω的增加先增大后減小的趨勢,在含水率一定時出現峰值;石灰摻量為0的素土最大干密度最大,最優含水率最小,隨石灰摻量增加改性土的擊實曲線整體逐漸向右下方移動,最大干密度減小,最優含水率增大。

圖2 不同石灰摻量的擊實曲線Fig.2 Compaction curves for different lime dosages compaction test results

圖3 石灰摻量與擊實試驗結果關系Fig.3 Relationship between lime dosage and maximum dry density and lime content

從圖3中可以看出,素土中加入0.5%的石灰后,其最大干密度驟然下降。改性土的最大干密度隨石灰摻量增多而減小。摻灰量從0～0.5%這一段傾斜度最大,5%～10%該段次之,顯然,石灰對土的擊實性能影響較大,石灰摻量越多,最大干密度越小,減小的趨勢更明顯。最優含水率隨石灰摻量增加而增大。石灰摻量從3%增加至5%時,含水率增加量最大;石灰摻量從1%增加到2%時,其最大干密度降低0.5%,最優含水率增加2.4%;當石灰摻量從3%增加到5%時,最大干密度降低0.6%,最優含水率增加8.6%。石灰與土發生膠凝反應,土中活性氧化物含有的硅離子和鋁離子與鈣離子生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣兩種膠凝物,隨著石灰量增加,膠凝物越多[4-5],其與土顆粒間的膠結作用使改性土樣的團粒結構發育很好,孔隙較大,因此最大干密度隨石灰摻量增加而減小;土樣摻入石灰可以降低其塑性,提高其最優含水率,而含水過多導致擊實功不能全部作用于土顆粒上,一部分傳遞給土顆粒周圍的水和被封閉的空氣,土粒不能重新排列,故最大干密度降低。

2.3 石灰摻量和齡期對改性土壓縮性能的影響

圖4、圖5分別描述了石灰摻量、齡期與壓縮系數a1-2之間的關系。可以看出,加入1%的石灰后,改性土的壓縮系數減小,隨著石灰摻量增加改性土的壓縮系數呈先減小后增大至平穩的趨勢,5%摻量的改性土壓縮系數取得極大值;素土的壓縮系數幾乎不受齡期影響,改性土的壓縮系數隨著齡期的增加逐漸減小,0～3 d這一階段斜率較大,改性土的壓縮系數減小的得明顯,而后期變化較為平緩。摻入1%～2%的石灰時,養護3 d,改性土為低壓縮性土;石灰摻量為3%時,改性土齡期超過7 d,其壓縮系數小于0.1 MPa-1;當石灰摻量為5%時,養護齡期大于28 d,改性土為低壓縮性土。分散性土中摻入石灰,石灰與水反應生成氫氧化鈣和少許氫氧化鎂,二者水解產生高價鈣離子和鎂離子,分散性土顆粒吸附的鉀離子和鈉離子與鈣離子和鎂離子產生離子交換,導致吸附水膜厚度比原來小,增強土粒之間的引力形成團聚結構,摻量越多,形成的團聚結構越多,改性土的孔隙增多[4-5,15],故壓縮系數隨石灰摻量增加先減小增大。利用石灰對分散性土的壓縮性能改善時,當石灰摻量、齡期一定時,壓縮系數幾乎不變。

圖4 a1-2與石灰摻量關系Fig.4 Relationship between a1-2 and lime content

圖5 a1-2與齡期關系Fig.5 Relationship between a1-2 and age

2.4 石灰摻量和齡期對改性土抗剪強度的影響

抗剪強度是土的重要力學指標。圖6、圖7描述了抗剪強度參數黏聚力c、內摩擦角φ與石灰摻量和齡期之間的關系。可以看出:隨著石灰摻量增加,改性土的黏聚力c先增大后減小,內摩擦角φ逐漸增大,黏聚力c在5%摻量下取得極大值,當石灰摻量超過5%后黏聚力c略有降低,內摩擦角φ在10%摻量下取得極大值;隨齡期增加,改性土的黏聚力c和內摩擦角φ逐漸增大。在齡期為0、28 d時,石灰摻量為3%時,改性土的黏聚力c比素土的黏聚力c分別增加了87.08%、190.36%,摻量為5%的改性土,其黏聚力c比3%分別增加了10.36%、5.31%;3%摻量的改性土,在0 d的黏聚力c只有28 d黏聚力c的61.95%。齡期為小于3 d時,各摻量改性土的內摩擦角φ在28.2°～29.7°,當齡期在3 d及以上時,改性土的內摩擦角φ增幅較大,各石灰摻量改性土的內摩擦角φ在30.3°～38.7°。熟石灰與空氣中、土體孔隙中的二氧化碳反應生成碳酸鈣,且有膠結作用,剪切時改性土的 “咬合”作用增大,故黏聚力c增大。石灰摻量過多時,部分熟石灰不能與二氧化碳反應而自己形成結晶體,削弱了土粒之間的聯結作用,并且結晶體的“咬合”作用弱,因此,石灰摻量過多時,黏聚力略微減小。隨齡期增加,進入土體的二氧化碳含量變多,生成的碳酸鈣數量增多,石灰改性土強度在后期越高[4-5,15]。

圖6 黏聚力與石灰摻量關系Fig.6 Relationship between cohesion and lime content

圖7 內摩擦角與石灰摻量關系Fig.7 Relationship between internal friction angle and lime content

2.5 石灰摻量和齡期對無側限抗壓強度的影響

從圖8可以看出,3%的石灰摻量是改性土強度的臨界點,當石灰摻量少于3%,石灰摻量越多,改性土的強度越大;石灰摻量超過3%后,強度開始逐漸降低。當摻量達到10%時,改性土的強度皆低于1%、2%、3%和5%摻量改性土的無側限抗壓強度。從圖9可以看出,素土的強度并不會隨齡期的增加而提高;石灰改性土的強度隨齡期增加而增大,在前期改性土的強度增長速率較快,14 d后其增長速率較緩。齡期為0 d時,摻灰量3%、10%改性土的強度比素土強度分別提高了62.62%、61.1%;在齡期為28 d時,3%、10%改性土的強度比素土強度分別提高了422.85%、234.94%。在齡期0～3、3～7、7～14、14～28 d,3%土樣的強度增幅分別為55.95、84.04、105.68、130.77 kPa。這是因為分散性土中一部分活性氧化物含有四價硅離子和三價鋁離子,與石灰漿中游離Ca2+反應生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣兩種膠凝物,把土顆粒膠結起來形成各種各樣的結構,充當土體骨架,提高改性土的強度,當石灰摻量過多時,改性土中的消石灰含量也增加,因二氧化碳缺少,消石灰優先自結晶,減少土顆粒之間的聯結作用,甚至,削弱了土顆粒之間的聯結作用[4-5,15]。因此,石灰摻量越高改性土的強度不增反減小。與姬勝戈等[11]對分散性土改性后開展的無側限抗壓強度試驗結果有相同趨勢,均為強度隨改性劑摻量的增加而先增大后減小,隨齡期的增加而增大。

圖8 石灰摻量與改性土無側限抗壓強度關系Fig.8 Influence of ash content on unconfined compressive strength of modified soil

圖9 齡期與改性土無側限抗壓強度關系Fig.9 Relationship between age and unconfined compressive strength of modified soil

圖10為不同石灰摻量,齡期28 d的應力-應變曲線。圖10中,素土的應力應變曲線為應變硬化型,改性土的應力應變曲線為應變軟化型,改性土樣在齡期28 d時為脆性破壞。隨應變增加,改性土的應力逐漸增大至峰值后開始減小,到試樣完全破壞。改性土的無側限抗壓強度為最高點對應的應力。改性土樣在彈性階段的斜率大于素土的斜率,隨石灰的摻入,土樣強度提高,改性土的彈性階段持續時間短,素土破壞時的應變在2.25%,當摻灰量為3%和10%,土樣破壞的應變在1.75%、1.5%,石灰土的適應變形能力減弱。

圖10 石灰改性土應力-應變曲線Fig.10 Stress-strain curve of lime-modified soil

3 結論

(1)隨石灰摻量增加,改性效果越好,擊實性能變差,強度呈先增大后減小的趨勢;加入0.5%的石灰,改性土的最大干密度明顯降低;石灰摻量在1%～3%,最大干密度降低幅度小,當超過5%時,改性土的擊實性能越差,不利于工程施工;3%摻量下,分散性土被改性為非分散性,改性土無側限抗壓強度最大,摻量為5%時,黏聚力最高。

(2)石灰能夠提高分散性土的強度,改善其壓縮性能,隨齡期增加,改性土的力學性能逐漸增強。分散性土中加入1%的石灰,改性土的壓縮性能得到改善,齡期大于2 d時,改性為低壓縮性土,當石灰摻量為5%時,齡期超過14d后改性土為低壓縮性土。齡期為0和28 d時,3%摻量改性土的黏聚力c比素土分別增加了87.08%、190.36%,改性土無側限抗壓強度比素土分別提高了62.62%、 422.85%;在齡期0～3、3～7、7～14、14～28 d,3%土樣的強度分別前一階段增加55.95、84.04、105.68、130.77 kPa。

(3)齡期28 d,摻量為10%的改性土強度比3%、1%的強度分別低了35.95%、19.38%。改性土樣為脆性破壞,摻量10%的改性土破壞應變為1.5%,素土的破壞應變為2.25%,隨齡期和摻量增加,石灰改性土的適應變形能力降低,這不利于黏土心墻壩安全運行。從分散性和改性土的擊實性能、強度以及變形考慮,最佳合理石灰摻量為3%～5%,施工時應盡量將石灰拌勻,避免局部石灰摻量不足或過多。