偏高嶺土-石灰改良路基膨脹土拉壓強度特性研究

陳崢昊，楚延天

（商丘職業技術學院，商丘 476000）

1 前言

膨脹土屬于一種黏性土，它具有黏性土的所有特征，其中最明顯的特征是遇水后土體會迅速膨脹，使得土體的承載力變得極低，但是遇到高溫干燥的天氣，則土體中的水分會逐漸流失，導致土體干裂失穩。如果將這種土應用于公路路基、基礎設施建設，將給國家和人民帶來生命和財產的嚴重損失[1-2]。

針對膨脹土的防治問題，目前使用最多的手段是在膨脹土中摻入一些固化劑，如石灰、水泥、粉煤灰等，通過與水結合發生水化反應對膨脹土體進行加固，提升土體承載力。但是這些固化劑的使用具有兩方面的弊端，一方面，發生水化反應的過程中產生的化合物對環境造成的污染；另一方面，這些材料其本身成本和運輸成本比較高。因此,國內外學者開始關注環境友好型、節約成本的新型土壤改良劑[3-4]。偏高嶺土與石灰配合使用可以作為土體固化劑，偏高嶺土中含有大量的SiO2和Al2O3，其本身沒有活性，但是遇到消化后的石灰將會激發自身活性，這種反應又稱為堿激發，激發活性后的偏高嶺土可作為膨脹土的改良劑[5-6]。

雖然石灰改良膨脹土的效果很好，即抑制了膨脹土的脹縮性，又提高了其力學特性，但是許多學者忽略了大量的使用石灰對環境污染的影響。隨著人們的環保意識日益增強，“綠色建設”的理念已經深入人心，因此本文將利用偏高嶺土來代替石灰的用量，用無側限抗壓試驗和劈裂試驗來探究石灰激發偏高嶺土作為改良劑對改變膨脹土力學特性的影響，為實際路基施工提供可靠的依據。

2 試驗材料與試樣制備

2.1 試驗材料

試驗用土是南陽市內鄉縣某國道公路旁的膨脹土,測得其物理性質指標如表1 所示。

表1 膨脹土的基本物性

2.2 試樣制備及擊實試驗

在制備試樣之前要進行擊實試驗，其目的是得到每個摻量試樣的最優含水率和最大干密度。制樣前先計算出每個試樣所需的質量，其質量要嚴格參照擊實試驗所得到擊實曲線而定，如圖1 所示。試樣的制樣過程：將碾碎后的膨脹土過0.5 mm 的篩，然后按照擊實試驗的試驗結果，摻入相應摻量的石灰和偏高嶺土，并加入一定量的蒸餾水與膨脹土充分混合后裝入保鮮袋中靜置12 h，將靜置好的土量取質量后倒入制樣模具中，分三次進行壓實，得到50 mm×50 mm 的試樣。為了保證試驗數據的準確性，每個摻量的試驗需要進行6 次平行實驗，結果取其平均值。制備好試樣之后，將試樣放入調整好的恒溫恒濕箱中進行養護，達到所需的齡期后方可進行試驗。

圖1 偏高嶺土-石灰改良膨脹土的擊實曲線

3 試驗方法與試驗結果

3.1 試驗方法

無側限抗壓強度試驗是利用承載比試驗儀對已經養護好的試樣施加軸向應力，以設置好的速率逐漸加壓，直至試樣破壞，在試驗的過程中需要時刻觀察儀表并記錄數據。依照擊實試驗的結果，本試驗選取石灰（L）的摻量為固定值6%。具體的試驗方案如表2 所示。

表2 試驗方案

劈裂試驗的實驗方法與無側限抗壓強度試驗的方法相似，區別在于劈裂試驗對試樣施加的是橫向線性荷載，以觀察試樣的抗拉強度的變化趨勢及破壞情況，通過該實驗能夠有效的反映固化后試樣的抗拉強度，劈裂試驗與無側限抗壓試驗的試驗方案相同。

本文試驗依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)對養護到期的試樣先進行強度試驗。儀器采用了CBR-1 型承載比試驗儀。

3.2 試驗結果

3.2.1 無側限抗壓強度試驗

通過對記錄的試驗數據進行處理，得出了三個不同齡期下試樣抗壓強度的變化規律，可以用應力-應變曲線表示，如圖2 所示。

圖2 L-MK 改良膨脹土應力-應變曲線圖

圖2 反映了養護齡期為7d、28d 試樣應力-應變的變化曲線，試樣的抗壓強度會隨著MK 摻量的增多而增大，隨著試樣養護齡期的增加，相同摻量的試樣其抗壓強度也會隨著齡期的增長而增大，養護齡期28d 且MK摻量為12%時抗壓強度最大。試樣破壞時，其抗壓強度會迅速下降，一般隨著應力的增加，試樣會發生塑性變形或者脆性破壞，抗壓強度越大的試樣越容易發生脆性破壞。

由圖2(a)可知，摻入6%L＋3%MK 試樣的峰值無側限抗壓強度為1.127 MPa。《公路路面基層施工技術細則》中指出，一級公路路基的最低強度標準需要≥1.1 MPa，3%MK 的摻量已經滿足要求，因此，L-MK 作為改良劑固化膨脹土，其達到的抗壓強度完全適用于各級公路路基的標準。

3.2.2 改良膨脹土的彈性模量-MK 含量關系曲線

對于無側限抗壓強度試驗來說，僅僅通過應力-應變曲線的分析是遠遠不夠的。為了進一步探究試樣的抗壓強度的變化情況和材料的利用率情況，本文引入了一種新的分析方法—彈性模量-MK 摻量變化曲線。此分析方法需要參考圖4 分別計算出每個摻量應力-應變曲線中直線段的斜率，然后通過線性擬合的方式得出彈性模量-MK 摻量變化曲線，如圖3 所示。

圖3 改良膨脹土的彈性模量-MK 含量關系曲線

圖4 改良膨脹土劈裂試驗的應力-應變曲線圖

通過觀察線性擬合曲線可知，土體的彈性模量隨著MK 摻量的增多而增大。圖3(a)是養護齡期7d 的擬合曲線，曲線沒有明顯的變化，接近于線性增長；圖3(b)是養護齡期28d 的擬合曲線，當MK 摻量由0%增加到3%時，線段斜率大，說明此時抗壓效果提升明顯；隨著MK摻量的繼續增加，彈性模量增長趨勢逐漸變緩，說明了雖然MK 摻量增加了，彈性模量也隨之增長，但是材料利用率方面明顯降低。出于經濟性方面的考慮，MK 摻量為6%時材料利用率最好，試樣的抗壓性能良好。

3.2.3 劈裂試驗的應力-應變關系規律

由于劈裂試驗得到的應力-應變關系曲線與無側限抗壓強度試驗應力-應變關系曲線的發展規律類似，并且劈裂試驗的持續時間短，試樣的抗拉強度遠低于抗壓強度，所以這里只選取養護齡期為28 天的試樣進行分析，如圖4 所示。

由圖可知，試樣的抗拉強度會隨著MK 摻量的增加而增大，當MK 的摻量為12%時，其抗拉強度達到最大0.45 MPa。從抗拉曲線的發展規律可以看出，隨著應力的增加，其試樣的抗拉強度也在逐步增大，增大至峰值之后，抗壓強度迅速減小，此時試樣發生了脆性破壞。也就是說，與無側限抗壓強度試驗相比，試樣沒有塑性變形的過程，且改良后的土體的抗拉強度遠小于同等條件下試樣的抗壓強度。

4 結論

本文通過對偏高嶺土-石灰改良膨脹土進行無側限抗壓強度試驗和劈裂試驗，探討并分析了石灰堿激發偏高嶺土作為改良劑對膨脹土的力學特性的影響，得到以下結論：

（1）通過無側限抗壓強度試驗研究發現：當養護齡期28d 且摻入6%L+12%MK 改良劑時，試樣的無側限抗壓強度最大，摻入6%L+3%MK 改良劑的試樣的無側限抗壓強度為1.127 MPa，已經滿足了一級公路路基的最低標準≥1.1 MPa；土的彈性模量也會隨著MK 的摻入而增大，但是當MK 的摻量由6%增加至12%時彈性模量增長速率顯著下降。

（2）通過劈裂強度試驗研究發現：抗拉強度的發展規律與無側限抗壓強度規律相似，均隨著MK 摻量的增加而增大，且當養護齡期為28d，MK 摻量為12%時，試樣的抗拉強度達到最大的0.45 MPa，但相同條件下試樣的抗拉強度要遠小于其抗壓強度。

（3）從材料的利用率來說，通過彈性模量-MK 摻量的擬合曲線可知，MK 摻量由0%增加到3%時，彈性模量增長明顯，但是MK 的摻量由6%增至12%時，其彈性模量增長率趨于平緩，此時的材料的利用率明顯降低。通過無側限抗壓試驗和劈裂試驗進行分析得出最佳的材料利用率為6%L+6%MK 的改良劑摻量。