電石灰改良高液限黏土強(qiáng)度特性研究

李 柱，王 宏

(1.中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

高液限黏土顆粒細(xì)小，黏粒摻量高，不易壓實(shí)，承載力小，透水性差，且承受干濕、凍融循環(huán)作用后強(qiáng)度衰減快，水穩(wěn)定性差。工程實(shí)踐表明，如果高液限黏土不加改良直接用于路基填筑，將誘發(fā)諸多路基病害，如路基不均勻沉降、沉陷、縱橫向開裂甚至坍塌。路床填料應(yīng)均勻，填料最小承載比CBR應(yīng)符合JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.2.2的要求。由于高液限黏土分布具有一定區(qū)域性，如果作為棄方處理，不僅需遠(yuǎn)距離借調(diào)土方，且取土、棄方開挖與堆放占用大量土地資源，造成土地資源浪費(fèi)、施工成本高、環(huán)境污染等問題，不符合路基工程設(shè)計(jì)秉承的“綠色、環(huán)保、因地制宜、就地取材、與環(huán)境景觀相協(xié)調(diào)”原則。

為使高液限黏土滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求，同時(shí)確保改良高液限黏土填筑路基具有足夠強(qiáng)度、穩(wěn)定性與耐久性，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作，如程濤等研究了摻砂量、水泥摻量對干濕循環(huán)作用下高液限黏土和高液限灰土力學(xué)特性的影響，并推薦了最佳摻砂比和水泥摻量；周雄等研究了干濕循環(huán)作用下高液限黏土抗剪強(qiáng)度衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后，高液限黏土抗剪強(qiáng)度衰減50%以上；段凱研究了高液限黏土物理力學(xué)特性及路基填筑技術(shù)，對比分析了高液限黏土水泥、石灰及砂礫對改良效果的影響；楊俊等研究了天然砂礫改良紅黏土CBR、抗剪強(qiáng)度、抗壓回彈模量及數(shù)學(xué)預(yù)估模型；莫百金等和劉夢秋研究了水泥、石灰改良紅黏土回彈模量預(yù)估模型及干縮特性；崔金平進(jìn)行了強(qiáng)風(fēng)化千糜巖粉土改良CBR試驗(yàn)研究。上述研究成果探討了高液限黏土物理力學(xué)性能，并針對不同性質(zhì)的高液限黏土提出了摻加砂、水泥、石灰、煤矸石、土壤固化劑及包芯法、夾層法直接填筑等工程改良措施，為高液限黏土路基填筑技術(shù)的應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

電石灰是石灰石生產(chǎn)乙炔氣體時(shí)排放的工業(yè)廢料，排放及存儲電石灰常占用大量耕地，長期存放電石灰的土地會嚴(yán)重鈣化，復(fù)耕困難。由于電石灰顆粒較細(xì)，且活性物質(zhì)主要為Ca (OH)2，可作為膠凝材料。目前，電石灰改良高液限黏土的相關(guān)研究較少，依托311省道工程，對電石灰改良高液限黏土CBR、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、動態(tài)回彈模量等開展室內(nèi)試驗(yàn)研究，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，對改良效果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而評價(jià)電石灰改良高液限黏土填筑路基路用性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

采用公路沿線取土場原狀土，取土深度2.0m，黏土液限51.1%，塑限26.7%，相對密度2.738，粒徑<0.075mm顆粒摻量57.5%，天然含水率7.8%，膨脹率<2%。選用電石灰作為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定劑，SiO2，CaO，MgO，Al2O3，F(xiàn)e2O3，SO3，R2O摻量分別為2.84%，86.7%，1.45%，4.34%，2.14%，0.32%，0.53%。采用P·O42.5硅酸鹽水泥，各項(xiàng)指標(biāo)需滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》相關(guān)要求。

1.2 試驗(yàn)方法

考慮工程經(jīng)濟(jì)性，設(shè)置電石灰摻量(電石灰質(zhì)量與干土質(zhì)量比)分別為6%，8%，10%，12%，并設(shè)置石灰摻量(石灰質(zhì)量與干土質(zhì)量比)為8%和水泥摻量(水泥質(zhì)量與干土質(zhì)量比)為4%的對照試驗(yàn)組。參照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》開展擊實(shí)試驗(yàn)，分3層擊實(shí)，每層擊98次，確定最大干密度與最佳含水率。在最佳含水率條件下均勻拌合電石灰改良高液限黏土，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)要求制備試件，并開展CBR試驗(yàn)。

將電石灰改良高液限黏土靜壓成直徑50mm、高120mm圓柱體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)放置3，7，14，28，90，120d，試驗(yàn)前放入水中浸泡1d，通過TSZ30-3.0型三軸儀測試試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加載速率為0.1mm/min，測試方法及步驟嚴(yán)格參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定。

利用四聯(lián)直剪儀開展直徑61.8mm、高20mm電石灰改良高液限黏土圓柱體試件等應(yīng)變直剪試驗(yàn)，試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d，加載速率為0.8mm/min，分4級施加垂直荷載，分別為100，200，300，400kPa。

在最佳含水率條件下將電石灰改良高液限黏土振動壓實(shí)成直徑150mm、高300mm圓柱體試件，采用動三軸儀測試動態(tài)回彈模量。篩除土樣中粒徑>26.5mm顆粒，測試方法參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A進(jìn)行。

在最佳含水率條件下控制試件壓實(shí)度為96%，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28d后開展干濕循環(huán)試驗(yàn)，將試件浸水，保持水面高出試件頂面2.5cm以上，浸水4d后在25℃鼓風(fēng)烘箱中放置4d烘干，浸水4d+烘干4d為1次干濕循環(huán)，干濕循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行CBR試驗(yàn)和動態(tài)回彈模量試驗(yàn)，共經(jīng)歷5次干濕循環(huán)。

在最佳含水率條件下控制試件壓實(shí)度為96%，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，將試件與試模在25℃水中浸泡24h，保持水面高出試件頂面2.5cm以上，在-18℃環(huán)境箱中凍結(jié)24h，浸水24h+凍結(jié)24h為1次凍融循環(huán)。凍融循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行CBR試驗(yàn)和動態(tài)回彈模量試驗(yàn)，共經(jīng)歷3次凍融循環(huán)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

開展重型擊實(shí)試驗(yàn)評價(jià)不同含水率電石灰改良高液限黏土壓實(shí)特性，試驗(yàn)得到電石灰摻量為0，6%，8%，10%，12%的黏土最大干密度分別為1.718，1.693，1.681，1.671，1.663g/cm3，最佳含水率分別為18.2%，18.9%，19.2%，19.9%，20.4%；石灰摻量為8%、水泥摻量為4%的對照組最大干密度分別為1.701，1.727g/cm3，最佳含水率分別為18.8%，18.5%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，電石灰改良高液限黏土最大干密度隨電石灰摻量的增加而減小，最佳含水率隨電石灰摻量的增加而增大，這是因?yàn)殡娛颐芏刃∮谕馏w，電石灰摻量越大，改良高液限黏土密度越小，且電石灰摻入土體后，其中游離的CaO，MgO，SO3等易溶物與土體成分發(fā)生反應(yīng)，電石灰摻量越大，穩(wěn)定土內(nèi)部物理化學(xué)反應(yīng)消耗的水越多。

2.2 CBR試驗(yàn)

CBR試驗(yàn)用于評價(jià)路基填料承載力，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，摻加電石灰前，高液限黏土在90%，94%，96%壓實(shí)度下的CBR僅為3.1%，4.7%，6.8%，不滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，需改良后才能用作路基填料；摻加電石灰后，提高了高液限黏土CBR，當(dāng)電石灰摻量達(dá)6%后，改良高液限黏土CBR滿足規(guī)范要求；當(dāng)電石灰摻量為6%～12%時(shí)，改良高液限黏土可作為高速公路上路床路基填料；相同壓實(shí)度下，隨著電石灰摻量的增加，改良高液限黏土CBR持續(xù)增大，膨脹量持續(xù)減小，電石灰摻量為6%～10%時(shí)的改良高液限黏土CBR增大趨勢明顯，電石灰摻量>10%后，改良高液限黏土CBR緩慢增大；當(dāng)電石灰摻量達(dá)12%時(shí)，不同壓實(shí)度下改良高液限黏土CBR基本與摻加8%石灰黏土相當(dāng)；摻加6%～12%電石灰改良高液限黏土CBR略小于摻加4%水泥黏土，但表現(xiàn)出良好的承載力?？紤]改良效果與工程經(jīng)濟(jì)性，推薦電石灰最優(yōu)摻量為8%～10%。

表1 CBR試驗(yàn)結(jié)果 %

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，不同類型黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增大，養(yǎng)護(hù)前期增幅較大，養(yǎng)護(hù)28d后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，當(dāng)電石灰摻量為6%～12%時(shí)，改良高液限黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著電石灰摻量的增加而增大，但增長率逐漸減小，電石灰摻量>10%后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；當(dāng)電石灰摻量為10%～12%時(shí)，改良高液限黏土終期(養(yǎng)護(hù)90d)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本與摻加8%石灰黏土相同，小于摻加4%水泥黏土。

表2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

2.4 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，不同豎向荷載作用下，不同類型黏土抗剪強(qiáng)度均隨著電石灰摻量的增加而增大；相同豎向荷載作用下，當(dāng)電石灰摻量為6%～10%時(shí)，改良高液限黏土抗剪強(qiáng)度提高幅度較大，電石灰摻量>10%后，抗剪強(qiáng)度提高幅度較??；相同豎向荷載作用下，當(dāng)電石灰摻量為10%～12%時(shí)，改良高液限黏土抗剪強(qiáng)度基本與摻加8%石灰黏土相當(dāng)，小于摻加4%水泥黏土，達(dá)到較理想的改良效果。摻加電石灰后，土體整體性提高，土顆粒周邊吸附力限制土體相對位移的能力提高，但土體骨架嵌擠結(jié)構(gòu)保持不變，黏聚力對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)更大，土體受剪破壞時(shí)多表現(xiàn)為粘結(jié)失效破壞。

表3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 kPa

2.5 動態(tài)回彈模量試驗(yàn)

動態(tài)回彈模量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，隨著壓實(shí)度和電石灰摻量的增大，不同類型改良高液限黏土動態(tài)回彈模量不斷增大；當(dāng)電石灰摻量為12%時(shí)，改良高液限黏土動態(tài)回彈模量基本與摻加8%石灰黏土相當(dāng)，但小于摻加4%水泥黏土；96%壓實(shí)度下高液限黏土動態(tài)回彈模量為37.3MPa，不滿足JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求，應(yīng)采取一定措施提高路基頂面回彈模量；摻加6%，8%，10%，12%電石灰后，96%壓實(shí)度下改良高液限黏土動態(tài)回彈模量分別提高至61.5，79.2，99.8，108.6MPa，基本滿足特重及以上交通等級道路要求。摻加電石灰對于高液限黏土廢方利用和減小取土運(yùn)距具有重要意義，改良高液限黏土動態(tài)回彈模量對電石灰水化膠凝材料粘結(jié)作用具有較強(qiáng)的依賴性，實(shí)際工程中可通過預(yù)估回彈模型換算不同電石灰摻量下改良高液限黏土動態(tài)回彈模量。

表4 動態(tài)回彈模量試驗(yàn)結(jié)果 MPa

2.6 干濕循環(huán)試驗(yàn)

干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同類型黏土CBR及動態(tài)回彈模量先顯著減小，經(jīng)歷4次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)過程中，土體在吸水、脫水產(chǎn)生的膨脹力與拉伸力作用下，膠凝材料粘結(jié)強(qiáng)度降低，使土體強(qiáng)度和體積發(fā)生不可逆變化，內(nèi)部裂縫隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸貫通，干濕循環(huán)4次前土體內(nèi)部裂縫發(fā)展較快，循環(huán)4次后土體內(nèi)部形成的破裂面為土體吸水膨脹與脫水收縮提供了空間，裂縫向更深層土體發(fā)展需更大的破壞力，使土體CBR與動態(tài)回彈模量趨于穩(wěn)定。綜上所述，可采用4次干濕循環(huán)試驗(yàn)評價(jià)電石灰改良高液限黏土干濕循環(huán)耐久性。

圖1 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

2.7 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同類型黏土CBR和動態(tài)回彈模量持續(xù)下降，凍融循環(huán)2次后趨于穩(wěn)定，凍融循環(huán)3次后土體結(jié)構(gòu)已接近破壞；凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，改良高液限黏土CBR和動態(tài)回彈模量均隨電石灰摻量的增加而增大，可見摻加電石灰可增加高液限黏土抗凍融穩(wěn)定性，有利于提高服役期路基抗凍融穩(wěn)定性。

表5 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

3 工程應(yīng)用

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過摻加8%，10%電石灰分別對實(shí)體工程上下路堤、路床高液限黏土進(jìn)行改良。實(shí)測結(jié)果表明，上路堤、路床無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均

值分別為0.68，0.77MPa，路床頂面動態(tài)回彈模量基本>80MPa，有利于減小路基頂面壓應(yīng)變，可提高路基穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

開展多項(xiàng)試驗(yàn)研究電石灰改良高液限黏土性能，摻加電石灰可提高高液限黏土CBR、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、動態(tài)回彈模量、干濕循環(huán)耐久性與抗凍融穩(wěn)定性。實(shí)際工程應(yīng)用表明，摻加8%，10%電石灰改良高液限黏土填筑路基力學(xué)性能與路用性能均滿足規(guī)范要求?？紤]改良效果與工程經(jīng)濟(jì)性，推薦電石灰最優(yōu)摻量為8%～10%。