偏高嶺土-石灰改良路基膨脹土拉壓強度特性研究

陳崢昊，楚延天

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，商丘 476000）

1 前言

膨脹土屬于一種黏性土，它具有黏性土的所有特征，其中最明顯的特征是遇水后土體會迅速膨脹，使得土體的承載力變得極低，但是遇到高溫干燥的天氣，則土體中的水分會逐漸流失，導(dǎo)致土體干裂失穩(wěn)。如果將這種土應(yīng)用于公路路基、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，將給國家和人民帶來生命和財產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失[1-2]。

針對膨脹土的防治問題，目前使用最多的手段是在膨脹土中摻入一些固化劑，如石灰、水泥、粉煤灰等，通過與水結(jié)合發(fā)生水化反應(yīng)對膨脹土體進行加固，提升土體承載力。但是這些固化劑的使用具有兩方面的弊端，一方面，發(fā)生水化反應(yīng)的過程中產(chǎn)生的化合物對環(huán)境造成的污染；另一方面，這些材料其本身成本和運輸成本比較高。因此,國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注環(huán)境友好型、節(jié)約成本的新型土壤改良劑[3-4]。偏高嶺土與石灰配合使用可以作為土體固化劑，偏高嶺土中含有大量的SiO2和Al2O3，其本身沒有活性，但是遇到消化后的石灰將會激發(fā)自身活性，這種反應(yīng)又稱為堿激發(fā)，激發(fā)活性后的偏高嶺土可作為膨脹土的改良劑[5-6]。

雖然石灰改良膨脹土的效果很好，即抑制了膨脹土的脹縮性，又提高了其力學(xué)特性，但是許多學(xué)者忽略了大量的使用石灰對環(huán)境污染的影響。隨著人們的環(huán)保意識日益增強，“綠色建設(shè)”的理念已經(jīng)深入人心，因此本文將利用偏高嶺土來代替石灰的用量，用無側(cè)限抗壓試驗和劈裂試驗來探究石灰激發(fā)偏高嶺土作為改良劑對改變膨脹土力學(xué)特性的影響，為實際路基施工提供可靠的依據(jù)。

2 試驗材料與試樣制備

2.1 試驗材料

試驗用土是南陽市內(nèi)鄉(xiāng)縣某國道公路旁的膨脹土,測得其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 膨脹土的基本物性

2.2 試樣制備及擊實試驗

在制備試樣之前要進行擊實試驗，其目的是得到每個摻量試樣的最優(yōu)含水率和最大干密度。制樣前先計算出每個試樣所需的質(zhì)量，其質(zhì)量要嚴(yán)格參照擊實試驗所得到擊實曲線而定，如圖1 所示。試樣的制樣過程：將碾碎后的膨脹土過0.5 mm 的篩，然后按照擊實試驗的試驗結(jié)果，摻入相應(yīng)摻量的石灰和偏高嶺土，并加入一定量的蒸餾水與膨脹土充分混合后裝入保鮮袋中靜置12 h，將靜置好的土量取質(zhì)量后倒入制樣模具中，分三次進行壓實，得到50 mm×50 mm 的試樣。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個摻量的試驗需要進行6 次平行實驗，結(jié)果取其平均值。制備好試樣之后，將試樣放入調(diào)整好的恒溫恒濕箱中進行養(yǎng)護，達到所需的齡期后方可進行試驗。

圖1 偏高嶺土-石灰改良膨脹土的擊實曲線

3 試驗方法與試驗結(jié)果

3.1 試驗方法

無側(cè)限抗壓強度試驗是利用承載比試驗儀對已經(jīng)養(yǎng)護好的試樣施加軸向應(yīng)力，以設(shè)置好的速率逐漸加壓，直至試樣破壞，在試驗的過程中需要時刻觀察儀表并記錄數(shù)據(jù)。依照擊實試驗的結(jié)果，本試驗選取石灰（L）的摻量為固定值6%。具體的試驗方案如表2 所示。

表2 試驗方案

劈裂試驗的實驗方法與無側(cè)限抗壓強度試驗的方法相似，區(qū)別在于劈裂試驗對試樣施加的是橫向線性荷載，以觀察試樣的抗拉強度的變化趨勢及破壞情況，通過該實驗?zāi)軌蛴行У姆从彻袒笤嚇拥目估瓘姸?，劈裂試驗與無側(cè)限抗壓試驗的試驗方案相同。

本文試驗依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)對養(yǎng)護到期的試樣先進行強度試驗。儀器采用了CBR-1 型承載比試驗儀。

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

通過對記錄的試驗數(shù)據(jù)進行處理，得出了三個不同齡期下試樣抗壓強度的變化規(guī)律，可以用應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示，如圖2 所示。

圖2 L-MK 改良膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖2 反映了養(yǎng)護齡期為7d、28d 試樣應(yīng)力-應(yīng)變的變化曲線，試樣的抗壓強度會隨著MK 摻量的增多而增大，隨著試樣養(yǎng)護齡期的增加，相同摻量的試樣其抗壓強度也會隨著齡期的增長而增大，養(yǎng)護齡期28d 且MK摻量為12%時抗壓強度最大。試樣破壞時，其抗壓強度會迅速下降，一般隨著應(yīng)力的增加，試樣會發(fā)生塑性變形或者脆性破壞，抗壓強度越大的試樣越容易發(fā)生脆性破壞。

由圖2(a)可知，摻入6%L＋3%MK 試樣的峰值無側(cè)限抗壓強度為1.127 MPa?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)細則》中指出，一級公路路基的最低強度標(biāo)準(zhǔn)需要≥1.1 MPa，3%MK 的摻量已經(jīng)滿足要求，因此，L-MK 作為改良劑固化膨脹土，其達到的抗壓強度完全適用于各級公路路基的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 改良膨脹土的彈性模量-MK 含量關(guān)系曲線

對于無側(cè)限抗壓強度試驗來說，僅僅通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析是遠遠不夠的。為了進一步探究試樣的抗壓強度的變化情況和材料的利用率情況，本文引入了一種新的分析方法—彈性模量-MK 摻量變化曲線。此分析方法需要參考圖4 分別計算出每個摻量應(yīng)力-應(yīng)變曲線中直線段的斜率，然后通過線性擬合的方式得出彈性模量-MK 摻量變化曲線，如圖3 所示。

圖3 改良膨脹土的彈性模量-MK 含量關(guān)系曲線

圖4 改良膨脹土劈裂試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

通過觀察線性擬合曲線可知，土體的彈性模量隨著MK 摻量的增多而增大。圖3(a)是養(yǎng)護齡期7d 的擬合曲線，曲線沒有明顯的變化，接近于線性增長；圖3(b)是養(yǎng)護齡期28d 的擬合曲線，當(dāng)MK 摻量由0%增加到3%時，線段斜率大，說明此時抗壓效果提升明顯；隨著MK摻量的繼續(xù)增加，彈性模量增長趨勢逐漸變緩，說明了雖然MK 摻量增加了，彈性模量也隨之增長，但是材料利用率方面明顯降低。出于經(jīng)濟性方面的考慮，MK 摻量為6%時材料利用率最好，試樣的抗壓性能良好。

3.2.3 劈裂試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系規(guī)律

由于劈裂試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線與無側(cè)限抗壓強度試驗應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的發(fā)展規(guī)律類似，并且劈裂試驗的持續(xù)時間短，試樣的抗拉強度遠低于抗壓強度，所以這里只選取養(yǎng)護齡期為28 天的試樣進行分析，如圖4 所示。

由圖可知，試樣的抗拉強度會隨著MK 摻量的增加而增大，當(dāng)MK 的摻量為12%時，其抗拉強度達到最大0.45 MPa。從抗拉曲線的發(fā)展規(guī)律可以看出，隨著應(yīng)力的增加，其試樣的抗拉強度也在逐步增大，增大至峰值之后，抗壓強度迅速減小，此時試樣發(fā)生了脆性破壞。也就是說，與無側(cè)限抗壓強度試驗相比，試樣沒有塑性變形的過程，且改良后的土體的抗拉強度遠小于同等條件下試樣的抗壓強度。

4 結(jié)論

本文通過對偏高嶺土-石灰改良膨脹土進行無側(cè)限抗壓強度試驗和劈裂試驗，探討并分析了石灰堿激發(fā)偏高嶺土作為改良劑對膨脹土的力學(xué)特性的影響，得到以下結(jié)論：

（1）通過無側(cè)限抗壓強度試驗研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)養(yǎng)護齡期28d 且摻入6%L+12%MK 改良劑時，試樣的無側(cè)限抗壓強度最大，摻入6%L+3%MK 改良劑的試樣的無側(cè)限抗壓強度為1.127 MPa，已經(jīng)滿足了一級公路路基的最低標(biāo)準(zhǔn)≥1.1 MPa；土的彈性模量也會隨著MK 的摻入而增大，但是當(dāng)MK 的摻量由6%增加至12%時彈性模量增長速率顯著下降。

（2）通過劈裂強度試驗研究發(fā)現(xiàn)：抗拉強度的發(fā)展規(guī)律與無側(cè)限抗壓強度規(guī)律相似，均隨著MK 摻量的增加而增大，且當(dāng)養(yǎng)護齡期為28d，MK 摻量為12%時，試樣的抗拉強度達到最大的0.45 MPa，但相同條件下試樣的抗拉強度要遠小于其抗壓強度。

（3）從材料的利用率來說，通過彈性模量-MK 摻量的擬合曲線可知，MK 摻量由0%增加到3%時，彈性模量增長明顯，但是MK 的摻量由6%增至12%時，其彈性模量增長率趨于平緩，此時的材料的利用率明顯降低。通過無側(cè)限抗壓試驗和劈裂試驗進行分析得出最佳的材料利用率為6%L+6%MK 的改良劑摻量。