不同改良剂改良粉土的试验研究

杨再福，马文宁

(1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 215000；2.泰州市城市基础设施建设发展有限公司，江苏 泰州 225000)

不同改良剂改良粉土的试验研究

杨再福1，马文宁2

(1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 215000；2.泰州市城市基础设施建设发展有限公司，江苏 泰州 225000)

结合泰州市东风路南段快速路改造工程，对泰州地区粉土进行室内改良试验，研究石灰-水泥和石灰-水玻璃作为改良剂对该地区粉土的改良效果。研究发现：石灰-水泥改良土最大干密度略高于素土的最大干密度，最优含水率与素土基本相同，改良土的无侧限抗压强度随着压实度增大而增加，随着龄期的增长改良土的强度明显提高；石灰-水玻璃改良土的最大干密度和最优含水率随着改良剂掺量的变化基本不变，最大干密度小于素土的最大干密度，改良土的强度随着压实度的提高而增大，但增加幅度不明显，石灰-水玻璃改良土中石灰、水玻璃组分掺量对改良土强度影响很大。

石灰； 水玻璃； 水泥； 无侧限抗压强度； 粉土； 改良试验

粉土既不同于粘土，又有别于砂土，具有独特的工程性质。粉土保水性差，直接填筑，很难达到规范要求压实度。当其含水率变化时，由于孔隙中含水率变化导致“假粘聚力”发生变化，从而导致粉土的强度发生较大变化。含水率较高时粉土的强度较低，通常不能满足最小强度要求，因此需要通过物理或者化学的方法进行加固。

在以往研究及工程实例中，化学加固方法主要采用石灰、水泥、二灰等作为改良剂对粉土进行改良。国内外相关学者专家对此进行了研究并取得了一定的成果[1-4]。但是，虽然石灰改良土对减小路基工后沉降效果显著，可是石灰稳定初期土的塑性降低，而且石灰粉土强度对冻融循环敏感且经过冻融强度降低；水泥改良土干缩、温缩系数大，容易产生裂缝；采用二灰稳定的粉土在实际工程中则存在早强低、水稳性差等问题。而且，采用水泥、石灰、二灰进行化学改良，施工时不可避免产生扬尘污染环境。采用石灰+水玻璃改良粉土可以很好地提高粉土强度，减少石灰掺量，降低对环境的污染，水泥+石灰改良土能一定程度上克服单独作为改良剂改良粉土的缺陷。因此，本文通过室内试验采用石灰-水泥、石灰-水玻璃对粉土改良效果进行对比研究。

1 工程概况

本研究依托泰州市东风路南段(永定路—宁通高速)快速路改造工程，该工程起于泰州市永定路北侧，向南延伸穿过宁通高速，止于徐庄村。拟建道路等级属城市快速路，路宽为70.00 m左右。

泰州市位于砂质粉土分布广泛的长江三角洲平原区。研究发现，粉土是具有特殊工程性质的土，粘聚力差，易于松散，压实较困难；水稳定性差，当含水率大于最优含水率时路基强度随含水量增加而降低；结构性差，在振动荷载作用下，易产生液化现象。因此，沿线土质不能当作路基填料在工程中直接应用，需要进行固化处理，以保证路基施工质量。

工程中广泛采用的改良方法主要有物理改良和化学改良，其中采用稳定剂进行粉土改良加固方面，主要采用一种或几种无机结合料，如水泥、石灰、粉煤灰等进行粉土的加固，并取得了很好的改良效果[5-8]。由于颗粒组成、矿物成分不同，不同改良剂对不同地区粉土改良效果有明显差异。因此，有必要通过相关试验对该地区粉土进行改良试验研究，具体分析不同改良剂改良效果以及其适应性，同时分析不同改良剂不同组分掺量与压实度对改良土强度的影响，得到改良这种粉土的最佳方案，对于泰州地区乃至全国粉土路基工程的设计和施工提供相应的参考依据。

2 试验方案及方法

2.1 试验方案设计

本试验用土取自泰州市东风路南段沿线低液限粉土，通过采用不同改良剂(石灰-水泥，石灰-水玻璃)、不同掺量(3%石灰+3%水泥、3%石灰+5%水泥、5%石灰+3%水泥；1%石灰+3%水玻璃、3%石灰+1%水玻璃、3%石灰+3%水玻璃)改良土的重型击实试验，确定最大干密度和最优含水率，研究分析不同改良土的压实特性。然后分别围绕不同的压实度(93%、94%、96%)、不同龄期(14、28、60 d)对改良填料以路基填料的无侧限抗压强度作为填筑质量的控制指标影响规律进行研究，并加以分析对比，对于该地区路基工程的设计和施工提供相应参考依据。

2.2 试验材料

(1)石灰：采用二级灰；

(2)水泥：采用海螺牌复合硅酸盐水泥PC32.5；

(3)水玻璃：采用模数为2.6～2.9的钠水玻璃，浓度为39%。

2.3 试验方法

(1)本试验用土取该地区快速路改造工程沿线粉土，分别采用不同改良剂、不同掺量进行研究；

(2)通过重型击实试验得到素土及不同改良土的最大干密度和最优含水率，分别在最优含水率和不同的压实度(93%、94%、96%)条件下对各改良土按《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)采用静压法制备试样，分别养护14、28、60 d后进行无侧限抗压强度试验；

(3)分析每种改良剂的改良效果，对比不同改良剂的改良效果以及不同因素对强度的影响规律。

2.4 试验仪器及试验过程

(1)重型击实试验：重型击实仪采用电动击实仪，锤质量为4.5 kg，落高45.7 cm；击实桶内径10 cm，桶高12.7 cm，体积997 cm3。试验方法按《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)进行；

(2)无侧限抗压强度试验：试样采用标准养护法养护到相应龄期后，浸水一昼夜，在万能试验机上进行无侧限抗压强度试验。

3 试验结果

对所取素土进行了液塑限、比重、颗粒分析以及击实试验，其试验结果见表1。从颗粒分析结果以及结合液塑限情况依据规范《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)可知该土属于低液限粉土。粉粒(0.002～0.075 mm)含量占总量的89.3%左右，粘粒很少，从性质上更多显示出粉土的性质：颗粒较为均匀，级配差，难于压实同时粉粒毛细作用强烈，水稳定性差。

表1 土样基本物理性质指标

注：上述土的分类命名依据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)

3.1 改良土的击实效果

石灰-水泥改良土和石灰-水玻璃改良土的击实曲线分别如图1、图2所示。

图1 石灰-水泥改良土击实曲线 图2 石灰-水玻璃改良土击实曲线

分析图1可以发现，对于石灰-水泥改良土而言，石灰掺量不变情况下，最大干密度随水泥掺量的增加而增大；水泥掺量不变的情况下，改良土的最大干密度随石灰掺量的增加也呈上升趋势。改良土的最大干密度大于素土最大干密度，但最优含水率(包含了水泥、石灰等掺料重量的整体含水率)与素土最优含水率基本相等，在15.0%左右。从4条曲线可以看出，改良剂掺量越大最大干密度越大，且改良土的击实曲线形状与素土击实曲线形状基本一致。

从图2可知，改良土击实曲线整体向素土击实曲线右下角方向迁移，即改良土的最大干密度呈减小趋势，最优含水率较素土变大。同时，石灰-水玻璃改良土的最大干密度和最优含水率随着改良剂掺量的变化基本不变。究其原因，是由于水玻璃溶液中的硅酸根离子与石灰中的钙离子产生剧烈的化学反应，把周围土颗粒牢牢地粘结在一起生成坚硬的固体。由于反应剧烈，反应时间较短，这就导致了该种改良土的最大干密度随改良剂掺量的变化基本不变。

3.2 无侧限抗压强度试验结果与分析

3.2.1 石灰-水泥改良土无侧限抗压强度与压实度的关系

不同掺量石灰-水泥改良剂改良土在不同压实度(93%、94%、96%)条件下分别养护14、28、60 d进行无侧限抗压强度试验，相关试验结果见图3。

图3 石灰-水泥改良土无侧限抗压强度随压实度的变化曲线

分析图3可以发现，石灰-水泥改良土的无侧限抗压强度随着压实度的增加而增大，当水泥、石灰掺量都是3%时，增大压实度改良土的无侧限抗压强度增加最明显。同时可以发现，水泥掺量不变时，改良土强度随石灰掺量增加而增大；石灰掺量不变时，改良土强度随水泥掺量增加而增大(水泥掺量在0～5%范围)。这是因为石灰、水泥与土中矿物成分以及空气发生较复杂的化学反应生成坚硬固体胶结物使改良土的强度增加，随着掺量的增加这种反应越明显，改良土的强度也就越大。比较图3(a)—(c)可以看出，改良土的无侧限抗压强度随着龄期的增长而变大。

3.2.2 石灰-水玻璃改良土无侧限抗压强度与压实度的关系

不同掺量石灰-水玻璃改良剂改良土在不同压实度(93%、94%、96%)条件下分别养护14、28、60 d进行无侧限抗压强度试验，相关试验结果见图4。

图4 石灰-水玻璃改良土无侧限抗压强度随压实度的变化曲线

分析图4可知，石灰-水玻璃改良土的无侧限抗压强度随着压实度的提高明显增大。石灰掺量不变时，改良土强度随水玻璃掺量的增加而增大，且随着养护龄期的增加强度增加越明显。水玻璃含量不变时，14 d龄期时改良土强度随着石灰含量的增加而减小，当养护龄期增长到28 d后，改良土的强度随着石灰掺量的增加而增大(石灰掺量在1%～3%范围)。究其原因，是因为石灰、水玻璃不仅能与土中矿物成分和空气发生发杂化学反应，而且两种改良剂本身还能发生剧烈的化学反应，生成的固体物质将周围土颗粒粘结在一起形成坚硬的块状物质，使改良土的强度快速增大。龄期较短时，强度的提高主要靠石灰与水玻璃之间的化学反应，龄期较长时剩余石灰发挥了较大的作用，因此出现这样的规律。

3.2.3 水泥、水玻璃对石灰改良土强度的影响

石灰掺量为3%时，掺入相同掺量(0，3%)水泥、水玻璃养护28 d后无侧限抗压强度变化曲线如图5所示。

通过分析图5我们可以发现，石灰掺量不变的情况下，掺入相同剂量水泥或水玻璃都能显著提高改良土的强度，而且加入水泥后强度提高更加明显。比较3条曲线可知，改良土的强度随压实度的增大均有所提高，石灰-水泥改良土的无侧限抗压强度受压实度影响更加明显。

图5 石灰掺量为3%时掺入不同组分改良剂的强度随压实度的变化曲线

4 结 论

(1)石灰-水泥改良土最大干密度略高于素土最大干密度，最优含水率与素土基本相同。石灰-水玻璃改良土的最大干密度和最优含水率随着改良剂掺量的变化基本不变，最大干密度小于素土最大干密度。

(2)石灰-水泥改良土无侧限抗压强度随着压实度增大而增加，随着龄期的增长改良土强度明显提高。对于石灰-水玻璃改良土而言，改良土的强度随着压实度的提高而增大，但增加幅度不明显，石灰、水玻璃组分掺量对改良土强度影响很大。

(3)石灰掺量不变的情况下，掺入相同剂量水泥或水玻璃都能显著提高改良土的强度，而且加入水泥后强度提高更加明显。

[1] 夏琼，杨有海，耿煊.粉煤灰与石灰、水泥改良黄土填料的试验研究[J].兰州交通大学学报，2008，27(3)：40-43.

[2] 彭丽云，李涛，刘建坤.非饱和击实粉土强度特性的试验研究[J].北京工业大学学报，2014，40(6)：872-877.

[3] 孙丽杰.高等级公路高含水量低液限粉土路基施工[J].铁道标准设计，2000，20(6)：100-101.

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[5] 曹云，徐奋强.水泥土无侧限抗压强度室内试验研究与分析[J].岩土工程界，2009，12(9)：76-79.

[6] 陈燕，魏宏超，徐鹏.高速铁路粉土路基改良试验研究[J].安全与环境工程，2011，18(3)：127-128.

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[8] 姚占勇，刘树堂，商庆森.生石灰粉稳定黄河冲(淤)积粉土的可行性探讨[J].山东工业大学学报，1999，29(l)：77-80.

[责任编辑：谢 平]

Experimental study on the improvement of silty soil with different modifiers

YANG Zai-fu1，MA Wen-ning2

(1.Jiangsu Transportation Research Institute of Limited by Share Ltd，Nanjing 215000，China；2.The Development of Limited Company of Taizhou City Infrastructure Construction，Taizhou 225000，China)

The improving laboratory tests of silt in Taizhou area were carried out,according to Taizhou Dongfeng Road south expressway reconstruction project for the research of the effects of lime-cement and lime-water glass as modifiers on silt in this area. The research found that the maximum dry density of lime-cement soil is slightly higher than the maximum density of the plain soil,while the optimum water content is basically the same as the plain soil. The unconfined compressive strength of improved soil increased with the increase of compaction degree,and with the increase of soil age the strength significantly improved; the maximum dry density and optimum water content of lime-water glass modified soil unchanged with the change of modified dosage,and the maximum dry density is less than that of plain soil,the strength of modified soil increases with the increase of the degree of compaction,but the increase is not obvious,the content of lime and water glass component in lime-water glass improved soil has great influence on the strength of the modified soil.

lime； water glass； cement； unconfined compressive strength； silty soil； improved test

2096-3998(2017)03-0053-05

2016-12-06

2017-02-17

泰州市科技支撑计划(社会发展)项目

杨再福(1982—)，男，四川省攀枝花市人，苏交科集团股份有限公司工程师，主要研究方向为道路工程。

TU441

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