浸水环境下石灰改良土无侧限抗压强度试验研究①

□□ 陈 赅,张天彪,赵旭东,杜世富

(1.中铁七局第三工程有限公司,陕西 西安710000;2.东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004)

引言

在公路施工过程中,遇到不良地质后,直接在这类土质上修筑路基难以满足施工要求,因而一般会进行相应处理。如高晓波等[1]对贵州膨润土、魏建国等[2]对河南含砂低液限黏土、杨再福等[3]对江苏粉土和肖庆一等[4]对云南红黏土采用生石灰进行改良研究。当前采用石灰和水泥等无机材料进行改良加固的施工工法已经得到较为广泛的应用,然而对无机材料用量、施工压实度及养护龄期因为土质不同存在较大的差异,因此,现以长春市至双阳区的一级公路项目沿线的粉质黏土为研究对象,通过室内试验研究石灰掺量、压实度、养护龄期、养护条件对改良土无侧限抗压强度的影响规律。

1 试验材料

1.1 土样参数

试验土样取自长双一级公路项目沿线,呈灰褐色-灰黑色,干燥时具有一定的强度,不易压实,遇水后极易分散。通过室内试验测得该地区土样的基本物理力学性质见表1。

表1 土样基本物理力学指标

该土样中含有少量砂粒,粉粒含量占比为51%,黏粒含量占比为47%,兼具粉土毛细管发达、水稳性差和黏土不易压实的不良工程特性,且塑性指数较低,在雨季极易变为流体状态,因而该类土质如未经处理直接用作路基土进行填筑,会存在较大安全隐患。

1.2 生石灰参数

试验用生石灰购自长春市双阳区双丰白灰有限责任公司,其中CaO和MgO有效成分为81%,为Ⅱ级钙质生石灰。

2 击实试验

2.1 试验方案

改良土压实参数作为后续压实试验的基础,需通过室内击实试验对改良土的最大干密度和最佳含水率进行测量。试验选取3%、5%、7%和9%等4种石灰掺量,每组石灰掺量设计5个不同的含水率,参考规范[5]选用甲种击实方法进行击实。

2.2 试验结果及分析

试验测得的击实试验结果见表2。由表2可知,随着生石灰掺量的增大,最佳含水率和最大干密度出现相反的趋势。其原因在于:其一与土颗粒相比,石灰颗粒对水分子具有更强的吸附性,向土中加入生石灰后,土中一部分水与石灰发生反应由自由水转变为结合水;其二是该过程为放热反应,造成了一部分水分的挥发,因而需要更多的自由水来发挥润滑作用使改良土达到密实,改良土最佳含水率变大;其三是改良土在拌和过程中聚集成团,出现砂化现象,土颗粒之间的间距变大,改良土最大干密度减小。

表2 生石灰改良低液限黏土击实试验结果

3 无侧限抗压强度试验

3.1 试验方案

为了研究石灰掺量、压实度、养护条件和养护龄期对改良土抗压强度的影响,试验选取3%、5%、7%和9%等4种石灰掺量,根据击实试验测得的最大干密度折算压实度为94%、96%和98%的改良土干密度,在最佳含水率下进行拌和,采用一次静压成型的方法在钢套筒中制作直径和高均为50 mm的圆柱体试件,使用电动脱模仪取出后包裹保鲜膜,并及时放入标准养护室养护,养护龄期分别为7 d、14 d和28 d,养护结束后,部分试件直接进行标准组无侧限抗压强度试验,部分试件进行浸水1 d处理后进行浸水组无侧限抗压强度试验,同时制作0掺量、96%压实度、养护龄期7 d的空白对照组,共计42组试验,每组3个试件。浸水处理中的试样如图1所示。

图1 浸水处理的改良土试样

试验采用HUMBOLDT HM-5030单轴抗压强度试验机如图2所示,试验加载速率为0.5 mm·min-1,每组取3个试件平均值作为试验结果。

3.2 试验结果及分析

两种养护条件下,96%压实度的改良土养护7 d后的无侧限抗压强度关系如图3所示。从图中可以看出,未掺加生石灰的原状土养护7 d后无侧限抗压强度可达1.18 MPa,但由于粉质黏土遇水稳定性极差,原状土试件在浸水1 d后完全丧失强度。石灰掺量从3%增长到9%,标准养护组和浸水组的改良土无侧限抗压强度分别增长了32%和56%,浸水1 d后,改良土强度衰减了28%～45%,石灰掺量为3%的试件衰减幅度最大,石灰掺量为7%～9%的试件强度略有减小。分析原因为:当改良土中石灰掺量较低时,少量的石灰与粉质黏土反应,使改良土具备了一定的水稳性;当改良土中石灰掺量过高时,未能充分反应的石灰产生的削弱作用大于其对土颗粒的联结作用,综合认为石灰掺量为7%时最佳。

图3 改良土石灰掺量与无侧限抗压强度关系

在两种养护条件下,94%、96%和98%压实度的改良土试件养护7 d后的无侧限抗压强度关系如图4所示。从图中可以看出,两种养护条件下,改良土无侧限抗压强度均随着压实度的增大而增大。相同石灰掺量的前提下,压实度从94%增长到98%,标准组和浸水组的改良土无侧限抗压强度最大增大了37%和49%,这是由于压实度的提高,减小了试件内部孔隙,使灰土产物与土颗粒联结更为紧密,有效阻碍了水分子的侵入。

图4 压实度与改良土无侧限抗压强度关系曲线

在两种养护条件下,96%压实度的改良土养护7 d、14 d和28 d后的无侧限抗压强度曲线如图5所示。从图中可以看出,两种养护条件下,改良土无侧限抗压强度均随着龄期的增大而增大。相同石灰掺量的前提下,龄期从7 d增长到28 d,标准组的改良土平均增长速率最大为0.10 MPa·d-1,浸水组的平均增长速率最大为0.09 MPa·d-1,且均集中在14 d之前。这说明向土中掺入生石灰后,生石灰与土颗粒产生反应主要集中在14 d之前;虽然随着龄期的延长,改良土强度也会有所增长,但增长幅度很小,这是因为掺入生石灰后,无机结合料与土迅速发生离子交换反应,土颗粒脱水并产生絮凝作用,这也是改良土形成早期强度的主要原因之一,而后进行的火山灰反应和碳酸化反应速度较慢,尤其碳酸化反应更是会持续数年,这也是改良土后期强度增长的主要原因。

图5 养护龄期与改良土无侧限抗压强度关系曲线

石灰掺量、养护龄期和压实度与改良土无侧限抗压强度的关系均为正相关,为了定量研究改良土无侧限抗压强度对三种因素的依赖程度,引入多元回归分析方法对标准组改良土无侧限抗压强度试验结果进行分析。标准组改良土的无侧限抗压强度试验结果见表3。

采用多元线性拟合的方法对试验结果进行回归计算,定义Q为石灰改良土无侧限抗压强度,单位为MPa,α为生石灰掺量,t为养护龄期,k为压实度,Q=0.109α+0.044t+0.130k-11.750,R2=0.85,试验值与公式的计算值拟合度较高。从公式中各因素前的系数可以看出,在标准养护条件下,改良土的无侧限抗压强度对压实度的依赖程度最大,其次是石灰掺量,对养护龄期的依赖程度最小。

4 结论

4.1 石灰掺量、养护龄期、压实度与改良土无侧限抗压强度均呈正相关,浸水1 d后改良土无侧限抗压强度削减24%～45%,最佳石灰掺量为7%。

4.2 运用多元线性拟合的方法回归出标准养护条件下石灰改良土的无侧限抗压强度公式为Q=0.109α+0.044t+0.130k-11.750,且拟合度较高。

4.3 在标准养护条件下,改良土无侧限抗压强度受压实度的影响最为显著,其次是石灰掺量,养护龄期的影响程度最小。