冻融循环作用下石灰改良粉砂土特性研究

伍剑锋

（ 中国水利水电第八工程局，湖南 长沙410000）

青海省位于我国青藏高原地区，该地区受季节性冻土影响较大，在冻融循环作用下，其土体内部结构及颗粒组成均会发生变化，进而使土体的力学性能迅速劣化，造成冻胀、融沉等现象，极大危害公路运营安全[1-4]。为解决上述由于冻融循环造成的危害，常常需要对该地区冻土进行处理。

土壤改良是最常见、最经济、效果较好的一种处治方法[5-6]。目前，对土体改良最常见的改性材料主要为水泥、石灰、粉煤灰、炉渣等[7-9]。张向东等[10]研究了煤渣改良土在冻融循环作用下的强度及屈服特性，详细分析了冻融循环次数对煤渣改良土强度特性及屈服面的影响。宋金华等[11]为研究冻融循环对石灰改良路基土的影响开展了动回弹模量实验,分析了冻融次数、含水率、石灰含量和压实度等因素对改良土路基动回弹模量的影响规律。吴燕开等[12]利用水泥、钢渣粉和NaOH 等材料改良了膨胀土，并研究了改良膨胀土的冻融特性。崔宏环等[13]开展冻融循环作用下不同养护期龄的水泥改良土的无侧限抗压强度试验，探究了养护期龄、冻融循环次数对水泥改良土的无侧限抗压强度、质量损失率以及变形模量的影响规律。现有研究表明，利用水泥、石灰、粉煤灰、炉渣等材料改良后的土体的冻融特性均有一定的提升[14-17]。但是这些研究多是针对改良土的宏观力学特性的研究，而对冻融循环作用下改良土的微观结构变化的研究尚不深入。因此，通过研究改良土在冻融循环作用下的微观结构变化解释其宏观力学特性具有重要意义。

本文通过开展不同石灰含量的石灰改良粉砂土在冻融循环作用下的无侧限抗压强度、三轴试验，分析了冻融循环次数、石灰含量对石灰改良粉砂土无侧限抗压强度、粘聚力和内摩擦角的影响规律。并通过电镜扫描(SEM)试验,揭示了石灰改良粉砂土的微观机制和冻融循环作用对改良改良粉砂土微观结构的影响。该研究可为石灰改良粉砂土在青海地区的应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本实验中所用的粉砂土均取自青海省兰州市某道路施工现场，其级配如图1 所示。采用X 射线衍射测试了该风积砂土所含矿物成分，发现该粉砂土中主要含有伊利石，高岭石，石英、云母等。依据JTG E40-2007《公路工程土工试验规程》得到该风积砂土的基本物理指标，相对密度1.98，液限30.2%，塑限23.2%。天然含水率为11.88%，压实干密度为1.74g/cm3，最大干密度为1.84g/cm3。熟石灰采用工程用料钙质熟石灰粉，选用的石灰的钙镁含量分别为CaO 含量为72.12%，MgO 含量为3.90%。

图1 粒径级配

1.2 击实试验

将从施工现场取回的土在实验室内风干、碾碎后过2mm筛，与含量(相较于干土质量)0、2%、4%、6%和8%的石灰搅拌均匀后，分别配置成5～6 个不同含水率(含水率在16%～26%之间)。含水率配置完成后将改良土至于密封袋中密封24h，以便土壤中水分分布均匀。依据JTG E40-2007《公路工程土工试验规程》采用重型击实的方法进行击实试验，得到不同石灰含量下改性粉砂土的最大干密度和最优含水率。

1.3 冻融循环试验

依据上述击实试验所得最大干密度及最优含水率制备不同石灰改良粉砂土试样，然后进行冻融循环试验，具体步骤如下：

(1)依据上述击实试验所得0、2%、4%、6%和8%石灰改良土的最大干密度及最优含水率，采用静力压实法分5 层制备大小为φ50mm×100mm 的圆柱形试样，试样完成后，将试样置于恒温恒湿箱中养护28d，然后取部分试样进行无侧限抗压强度试验，其余试样进行冻融循环试验。

(2)试样养护完成后，将试样置于真空饱和器中，饱和24h，此时试样为0 次冻融循环。

(3)将饱和试样置于温度为-20℃的冷冻箱中24h，冻结完成后，将试样置于水温为20℃的真空饱和器饱和24h 后取出试样，用滤纸吸干试样表面水分，此过程为1 次冻融循环。

(4)将试样按照步骤(3)进行0、2、4、6、8 次冻融循环后，对进行无侧限抗压强度试验。

2 试验结果

2.1 击实特性

图2 改良粉砂土的击实曲线

土体的击实曲线可反映土体的击实特性。本试验通过重型击实试验得到不同石灰含量的改良粉砂土的击实曲线，如图2所示。从图中可以看出，随着石灰含量的增加，改良粉砂土的击实曲线的陡峭程度越来越缓，这表明掺加石灰后，粉砂土的水敏性减小，受含水率的影响逐渐减小。此外，从图2 中还可以看出，随着石灰含量的增加，改良粉砂土的最大干密度由1.84g/cm-3逐渐减小至1.65g/cm-3，而最优含水率由18.3%逐渐增大至24.2%。究其原因主要是因为石灰的亲水性比粉砂土的亲水性强，因此导致其最优含水率随石灰含量的增加而增加；而石灰的干密度要小于粉砂土，从而导致改良后粉砂土的最大干密度逐渐减小。

2.2 石灰含量对改良粉砂土无侧限抗压强度的影响

图3 冻融作用下石灰改粉砂土无侧限抗压强度

图3 为不同石灰含量下改粉砂土无侧限抗压强度。从图中可以看出：

(1)未进行冻融循环处理时，未改性的粉砂土的无侧限抗压强度仅为0.6MPa。随着石灰含量从0 增加至8%，改良粉砂土的强度从0.63MPa 增加至1.33MPa。这主要是以为石灰在粉砂土内部形成了具有胶凝作用的Ca(OH)2和xCaO·SiO3，从而增加了粉砂土的粘聚力，进而影响石灰改良粉砂土的无侧限抗压强度。此外，从图中还可看出，随着石灰含量的逐渐增大，改良粉砂土无侧限抗压强度的增幅越来越小。这表明石灰对粉砂土强度的影响程度逐渐减弱。

(2)同一冻融循环次数下，石灰改良粉砂土的无侧限抗压强度随石灰含量的增加而逐渐增加。将同一冻融循环次数下不同石灰含量的改良粉砂土的无侧限抗压强度进行拟合，发现其曲线随着石灰含量的增加，后期增长速率越来越小，可以预测，随着石灰含量的逐渐增大，其强度的增量也会越来越小。

(3)同一石灰掺量下的改良粉砂土的无侧限抗压强度，随着冻融次数的增大其强度越来越小。从其拟合曲线的之间的间距可以发现，曲线间的间隔越来小，可以判断，随着冻融次数的逐渐增大，其强度的减小幅度也越来越小。

2.3 石灰改良粉砂土微观机制分析

石灰主要是通过离子交换、结晶、火山灰及碳化等作用改善土体的内部结构，进而影响其力学性质，其具体改良机制如下：

(1) 石灰水化产生的Ca2+置换出粉砂土颗粒表面的低价阳离子，使粉砂土颗粒表面的水膜厚度减小，由于范德华力的作用，导致颗粒间的间距逐渐减小，使改良后的粉砂土更加致密。

(2)石灰与粉砂土混合后，在土体内部产生Ca(OH)2，从而出现结晶现象，从而与土体中游离的水发生反应，形成具有微弱胶结作用的Ca(OH)2·nH2O，使粉砂土颗粒形成大的骨架。

(3)石灰形成的Ca(OH)2与土体内部的SiO2和Al2O3等发生火山灰反应，形成具有胶结作用的硅酸钙盐和铝酸钙盐，从而是粉砂土颗粒间形成大的团聚体。

(4)Ca (OH)2还可与空气和粉砂土孔隙中的CO2发生碳化反应，形成CaCO3晶体。

3 结论

本文通过冻融循环作用下的石灰改良粉砂土的无侧限抗压强度试验、三轴试验，探讨了冻融循环对石灰改良粉砂土的无侧限抗压强度的影响，并分析了石灰改良粉砂土的作用机理。得到如下结论：

(1)石灰含量影响着改良粉砂土的击实特性，随着石灰含量的增加，改良粉砂土的最大干密度逐渐减小，而最优含水率逐渐增大。

(2)随着石灰含量的增大，石灰改良粉砂土的无侧限抗压强度也随之增大，且增长幅度逐渐减小。无侧限抗压强度随着冻融次数的逐渐增大，但其强度的减小幅度越来越小。

(3)石灰主要是通过离子交换、结晶、火山灰及碳化等作用改善土体的内部结构，进而增强其力学性质。