不同改良劑對(duì)不同含砂率粉土改良性質(zhì)研究

王小偉，趙 巖

不同改良劑對(duì)不同含砂率粉土改良性質(zhì)研究

王小偉1，趙 巖2

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710061）

通過(guò)人工室內(nèi)配制不同含砂率（10%、20%、40%）粉土，對(duì)其進(jìn)行改良試驗(yàn)，研究在不同改良劑（石灰+水玻璃、石灰+粉煤灰）、不同配比作用下3種含砂率粉土的改良效果，研究結(jié)果表明：隨著含砂率的增加，無(wú)論是素土還是改良土，其最大干密度均增大；對(duì)于石灰+水玻璃改良土，其最大干密度較素土有明顯的降低，而石灰+粉煤灰改良土與之相反；石灰+水玻璃改良土最優(yōu)含水率與素土略有差別，而石灰+粉煤灰改良土與素土最優(yōu)含水率基本一致；在同一含砂率下，對(duì)于不同配比的石灰+水玻璃改良土，其最大壓實(shí)度和最優(yōu)含水率并未發(fā)生較大變化，10%石灰+20%粉煤灰的壓實(shí)度高于其他配比情況；在恒定壓實(shí)度（95%）下，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于素土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，改良劑對(duì)粉土起到一定的“維穩(wěn)”效果，改良劑摻量才是決定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

粉土；含砂率；石灰；水玻璃；粉煤灰；改良；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

粉土的性質(zhì)介于粉質(zhì)粘土和粉砂之間，具有液化性、流變性、觸變性和水穩(wěn)定性差等特點(diǎn)[1]。近十幾年來(lái)，在粉土改良方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展不同層次的研究：商慶森等[2]分析了石灰、水泥和石灰穩(wěn)定粉土強(qiáng)度低、抗凍性能差的原因；張西海等[3]從工程試驗(yàn)的角度對(duì)水泥改良粉土和水泥粉煤灰改良粉土后的物理力學(xué)性能進(jìn)行了比較，從而為粉土改良后作為路基填料提出最佳摻量配比參考值；關(guān)文學(xué)等[4]通過(guò)二灰穩(wěn)定粉砂土的大量試驗(yàn)分析，闡述了影響二灰土強(qiáng)度的主要因素，解決了粉砂土成型差、強(qiáng)度低的問(wèn)題；姚占勇等[5]研究了黃河沖（淤）積粉質(zhì)二灰土的壓實(shí)特性，并分析了壓實(shí)度和壓實(shí)含水量對(duì)二灰土強(qiáng)度特性的影響以及影響壓實(shí)的關(guān)鍵因素及其影響規(guī)律。以往試驗(yàn)均表明石灰、粉煤灰對(duì)粉土具有一定的改良作用，然而，對(duì)于不同的顆粒組成、礦物成分，應(yīng)用不同改良劑，粉土改良效果也 不盡一致。因此，有必要對(duì)不同顆粒組成的粉土進(jìn)行不同改良劑下的相關(guān)研究，從而為粉土改良工程的設(shè)計(jì)和施工提供有力考據(jù)。

1 研究方案及方法

1.1 研究方案設(shè)計(jì)

本研究采用人工配制不同含砂率（10%、20%、40%）的某工程粉土，通過(guò)采用不同改良劑：石灰+水玻璃、石灰+粉煤灰，不同配比：2%石灰+2%水玻璃、2%石灰+4%水玻璃、4%石灰+2%水玻璃、10%石灰+10%粉煤灰、10%石灰+20%粉煤灰、20%石灰+10%粉煤灰，改良土的重型擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度和最優(yōu)含水率，研究分析不同含砂率改良土的壓實(shí)特性。然后以恒定壓實(shí)度（95%）、相同齡期（28 d）對(duì)改良粉土以路基填料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為填筑質(zhì)量的控制指標(biāo)影響規(guī)律進(jìn)行研究，并加以對(duì)比分析，得出相關(guān)結(jié)論。

1.2 試驗(yàn)材料

表1 粉煤灰物理化學(xué)成分Tab.1 Physical and chemical composition of fl y ash

（1）砂：試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂；

（2）石灰：二級(jí)灰，熟石灰；

（3）水玻璃：模數(shù)為2.5～2.7的鈉水玻璃，濃度為40%；

（4）粉煤灰：采用沾化電廠粉煤灰，具體物理化學(xué)成分如表1。

1.3 試驗(yàn)方案

（1）本試驗(yàn)所用土均為某工程粉土，采用不同含砂率進(jìn)行人工配制，繼而采用不同配比改良劑進(jìn)行研究分析。

（2）通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到素土及不同改良土（具體組合見(jiàn)表2）的最大干密度和最優(yōu)含水率，分別在最優(yōu)含水率和恒定壓實(shí)度（95%）條件下對(duì)各改良土按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40－2007）采用靜壓法制備試樣，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)組合Tab.2 Test combination

（3）對(duì)比分析不同改良劑對(duì)不同含砂率粉土的改良效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)對(duì)所取素土進(jìn)行了液塑限、比重、顆粒分析以及擊實(shí)試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從顆粒分析結(jié)果，以及結(jié)合液塑限情況依 據(jù)規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40－2007）可知，該土屬于低液限粉土。通過(guò)對(duì)素土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到素土在95%壓實(shí)度下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為59.4 kPa。

表3 素土物理性質(zhì)Tab.3 physical properties of soil

圖1 石灰+水玻璃改良土擊實(shí)曲線Fig.1 Compaction curve of lime and sodium silicate improved soil

圖2 石灰+粉煤灰改良土壓實(shí)曲線Fig.2 Compaction curve of lime and fly ash improved soil

圖3 石灰+水玻璃改良土擊實(shí)曲線Fig.3 Compaction curve of lime and sodium silicate improved soil

2.1 改良土的擊實(shí)效果

含砂率為10%的改良粉土擊實(shí)曲線如圖1、圖2，含砂率為20%的改良粉土擊實(shí)曲線如圖3、圖4，含砂率為30%的改良粉土擊實(shí)曲線如圖5、圖6。

圖4 石灰+粉煤灰改良土擊實(shí)曲線Fig.4 Compaction curve of lime and fly ash improved soil

圖5 石灰+水玻璃改良土擊實(shí)曲線Fig.5 Compaction curve of lime and sodium silicate improved soil

圖6 石灰+粉煤灰改良土擊實(shí)曲線Fig.6 Compaction curve of lime and fly ash improved soil

對(duì)比圖1、圖3、圖5可發(fā)現(xiàn)：隨著含砂率的增加，無(wú)論是素土還是改良土，其最大干密度均呈增大趨勢(shì)，這是由于隨著含砂率的增加，粉土的顆粒級(jí)配發(fā)生改變，細(xì)顆粒融入較粗砂粒形成的孔隙中，壓實(shí)度增加；素土最優(yōu)含水率保持在15%左右，而改良土最優(yōu)含水率保持在17%左右；改良土的最大干密度較素土有明顯的降低；在同一含砂率下，對(duì)于不同配比的石灰+水玻璃改良土，其最大壓實(shí)度和最優(yōu)含水率并未發(fā)生較大變化，這是由于水玻璃溶液中的硅酸根離子（SiO32-）與石灰中的鈣離子（Ca2+）產(chǎn)生如下化學(xué)反應(yīng)：SiO32-+Ca2+→CaSiO3↓。

生成的CaSiO3把周圍土顆粒牢固地粘結(jié)在一起生成堅(jiān)硬的固體。由于反應(yīng)較為劇烈，反應(yīng)時(shí)間短暫，這就導(dǎo)致了此改良土的最大干密度并未隨改良劑配比的變化發(fā)生較大變化。

對(duì)比圖2、圖4、圖6可發(fā)現(xiàn)：隨著含砂率的提高，素土、改良土的最大干密度均有不同程度提高，且最優(yōu)含水率基本保持不變，維持在16%左右；在同一含砂率下，改良土的最大干密度明顯高于素土，說(shuō)明改良土的壓實(shí)效果優(yōu)于素土；二灰中比較關(guān)鍵的是粉煤灰的含量，粉煤灰的顆粒級(jí)配和顆粒結(jié)構(gòu)影響二灰土壓實(shí)過(guò)程中的嵌擠、排列和填充作用[5]，因此，在同一含砂率下，10%石灰+20%粉煤灰的壓實(shí)度高于其他配比情況。

2.2 不同含砂率粉土及改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

在恒定壓實(shí)度（95%）下對(duì)素土及石灰+水玻璃、石灰+粉煤灰改良土養(yǎng)護(hù)28 d，分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7。

從圖7（a）可以看出：改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于素土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，由于石灰、水玻璃本身及其與粉土中礦物成分發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成塊狀聚集物，凝聚周圍土顆粒成為堅(jiān)固的塊體，進(jìn)而使得改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于素土；素土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含砂率的增加呈現(xiàn)急劇下滑的趨勢(shì)，而經(jīng)過(guò)改良后的粉土則不會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象，相反，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含砂率的增加下降較為緩慢，說(shuō)明改良劑對(duì)粉土起到一定的“維穩(wěn)”效果；對(duì)改良土而言，在石灰摻量一定（2%）的情況下，提高水玻璃的摻量可以大大提高無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，同樣地，保持水玻璃產(chǎn)量不變（2%），增加石灰的摻量，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也有明天的提高；而對(duì)于不同配比的改良劑（石灰：水玻璃=1：2或2：1）改良后的粉土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差不大，可見(jiàn)改良劑摻量才是決定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

圖7 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含砂率變化曲線Fig.7 Curves of unconfined compressive strength with sand content

從圖7（b）可以看出：石灰+粉煤灰改良土具有與石灰+水玻璃改良土類似的性質(zhì)；二灰含量的增加，提高了灰土中生成的水硬性膠凝物質(zhì)，進(jìn)而提高了改良土的強(qiáng)度；不同的是，二灰配比不同，強(qiáng)度有所不同，20%石灰+10%粉煤灰的改良土的強(qiáng)度高于10%石灰+20%粉煤灰的改良土強(qiáng)度，即二灰比1：N（石灰：粉煤灰=1：N），N值越小，強(qiáng)度越高，這與商慶森等人[6]得出的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

1）隨著含砂率的增加，無(wú)論是素土還是改良土，其最大干密度均增大。

2）對(duì)于石灰+水玻璃改良土，其最大干密度較素土有明顯的降低，而石灰+粉煤灰改良土與之卻相反。

3）石灰+水玻璃改良土最優(yōu)含水率與素土略有差別，而石灰+粉煤灰改良土與素土最優(yōu)含水率基本一致。

4）在同一含砂率下，對(duì)于不同配比的石灰+水玻璃改良土，其最大壓實(shí)度和最優(yōu)含水率并未發(fā)生較大變化，10%石灰+20%粉煤灰的壓實(shí)度高于其他配比情況。

5）在恒定壓實(shí)度（95%）下，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于素土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，改良劑對(duì)粉土起到一定的“維穩(wěn)”效果，改良劑摻量才是決定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

[1]彭月英.基于現(xiàn)行規(guī)范的粉土定名分析與探討[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2006(4)：92-94.

[2]商慶森.石灰穩(wěn)定黃河沖積粉土的研究[J].華東公路，1996(1)：25-27.

[3]張西海.水泥及水泥粉煤灰改良粉土填料性能試驗(yàn)研究[J].路基工程，2007(2)：75-76.

[4]關(guān)文學(xué)，高新學(xué).二灰穩(wěn)定黃河粉砂土的強(qiáng)度影響因素[J].山東交通科技，2008(1)：35-38.

[5]姚占勇.黃河沖（淤）積粉質(zhì)二灰土的壓實(shí)特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007(5)：664-670.

[6]商慶森，劉樹(shù)堂.影響石灰與二灰穩(wěn)定細(xì)粒土強(qiáng)度因素的分析[J].公路交通科技，2000(6)：26-29.

（責(zé)任編輯 王利君）

Study on improving properties of different modifiers on silt with different sand content

WANG Xiaowei1，ZHAO Yan2
(1.Hohai University, Key Laboratory for Geotechnical Engineering of Ministry of Water Resourse Nanjing, Jiangsu, China,210098;2.Chang’an University,School of Materials Science and Engineering,Xi’an,Shannxi,China, 710061)

A series of artificial silt with different sand ratios (10% ,20%, 40%) is prepared, with the improvement tests, the improvement effect of different modifiers(lime and sodium silicate, lime and fly ash) with different proportion on silt has been investigated. the results show that with the increase of sand rate, either soil or modified soil, the maximum dry density increases; contrary to the lime and fly ash modified soil, the maximum dry density of lime and sodium silicate modified soil is significantly reduced; the optimum moisture content of lime and sodium silicate modified soil and soil is slightly different, however, for lime, fly ash modified soil and soil, the optimum moisture content is basically the same; with the same sand ratio, the maximum degree of compaction and the optimum moisture content of the lime and sodium silicate modified soil with different ratios have not changed greatly, the compaction ratio of 10% lime and 20% fly ash is higher than the others; at a constant degree (95%) of compaction, the unconfined compressive strength of modified soil is significantly higher than silt, and plays a “stable”effect, the modified additive quantity is the key factor of the unconfined compressive strength. Key words:Silt; Sand Ratio; Lime; Sodium Silicate; Fly Ash; Improve;Unconfined Compressive Strength

TU44

A

1673-9469（2017）02-0007-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.002

2017-03-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51379065）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41272329）

王小偉（1990-），男，山東濰坊人，博士，主要從事巖土工程研究。