水泥石灰改良氯盐渍土强度特性试验研究

2011-07-05于新，孙强

华东交通大学学报 2011年5期

于新，孙强

（河海大学土木与交通学院江苏南京210098）

根据中央决定，江苏省沿海开发已经列入国家战略，便利的交通条件是沿海开发成功的重要条件。在此背景下江苏省决定建设临海高等级公路，规划里程贯穿连云港、盐城、南通三市，全长近500 km。临海高等级公路由于临海而建，将不可避免地面临盐渍土地基及路基处理的问题。滨海地区盐渍土具有盐胀性、溶陷性、腐蚀性、翻浆、吸湿软化、次生盐渍化等问题，若不采取处治措施将影响道路的正常使用[1]。

我国对盐渍土路基的研究主要针对西北内陆[2-5]和环渤海湾地区[6-8]盐渍土进行，而针对江苏滨海地区盐渍土的研究尚缺乏。课题研究以临海高等级公路如东段为依托开展，临海高等级公路如东段全长62 km，为双向四车道一级公路。

1 试验方案

课题研究采用如东滨海地区氯盐渍土为试验用土，采用水泥石灰复合改良方案。试验中共选择了11组不同的改良剂剂量，试验方案见表1。

课题研究把无侧限饱水抗压强度作为评价改良盐渍土强度特性的指标。试验采用标准条件下养生7天、28天和90天的试件。

表1 盐渍土改良方案Tab.1 Improving program of saline soil

2 试验结果与分析

无侧限饱水抗压强度是指试件达到养生龄期后，饱水一天，在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限强度。它是路基填料力学性能的重要指标之一，反应了材料在外力作用下抵抗破坏的能力，能快速准确地反映试件的强度特性。

2.1 改良盐渍土强度发展特性

改良盐渍土不同龄期无侧限饱水抗压强度随水泥石灰剂量变化的试验结果如图1～3所示。

图1 水泥+石灰8%总剂量改良盐渍土强度状况Fig.1 Strength condition of improved saline soil in 8%dose of cement and lime

图2 水泥+石灰10%总剂量改良盐渍土强度状况Fig.2 Strength condition of improved saline soil in 10%dose of cement and lime

由图1～3中的数据，可得出如下结论:

1）各种改良方案的强度随龄期的增加而增大，且前期增长较快，后期增长缓慢，原因是无机结合料与水的反应是一个较长的过程，随着时间的推移反应越来越充分；

2）某一特定龄期下，对于改良剂总量一定的改良盐渍土，随石灰剂量减少、水泥剂量增加，改良盐渍土强度有所增加。因为水泥的增加，增加了水化产物的生成，而水泥在强度的形成过程中又起主导作用，故总体强度增加；

3）随着总剂量的增加，改良盐渍土强度增加不明显，且8%总剂量的强度已满足强度要求，从经济性方面考虑，宜采用8%的总剂量。

图3 水泥+石灰12%总剂量改良盐渍土强度状况Fig.3 Strength condition of improved saline soil in 12%dose of cement and lime

2.2 水泥剂量不变条件下石灰对改良盐渍土强度发展特性影响

水泥剂量不变的条件下石灰剂量变化对改良盐渍土强度影响情况如表2所示。

由表2中的数据，可得出如下结论:

1）对于养护龄期7天和28天的试件，在水泥剂量一定的情况下，随着石灰剂量的增加，试件强度增加不明显有的甚至减小。因为石灰强度形成比较缓慢，早期强度中水泥起主要作用，而石灰又吸收土壤中的水分阻碍了水泥水化反应的进行；

2）对于养护龄期90天的试件，在水泥剂量一定的情况下，随着石灰剂量的增加，试件强度成增大趋势。因为90天养生龄期后石灰强度已经基本形成，故石灰剂量的增加对后期强度有明显影响；

3）对于水泥石灰改良盐渍土而言，早期强度中水泥起主导作用，而石灰的添加则有助于提高后期强度。

表2 特定水泥剂量下改良盐渍土强度随石灰剂量变化情况Tab.2 Intensity change with lime dose of improved saline soil in special cement dose

3 改良盐渍土微观特性研究

通过对改良盐渍土无侧限饱水抗压强度试验结果的分析可知，水泥石灰改良方案既有利于早期强度的提高，也有利于后期强度的发展。课题研究采用扫描电镜（SEM）对改良盐渍土的微观结构进行分析，从而可以从微观层面了解改良盐渍土的物理性质和力学性能的形成和发展，选择以9%石灰+3%水泥和6%石灰+6%水泥两个改良方案为例进行分析说明。

3.1 不同改良剂用量下改良盐渍土的微观特性分析

两种不同改良剂用量下改良盐渍土28天龄期标准养护后的500倍及4 000倍电镜照片如图4所示。

图4 水泥+石灰改良土不同倍率的SEM图Fig.4 SEM of lime and cement modified soil at different magnification

通过对比以上照片可以发现:

在500倍率微观照片下，6%石灰+6%水泥比9%石灰+3%水泥的整体性更好；在4 000倍率微观照片里，6%石灰+6%水泥呈现出密实的网状结构，并且颗粒间有大量的纤维状和柱状晶体连结，形成一个三维网状结构，而9%石灰+3%水泥只是呈现出较为密实的网状结构，在颗粒间只有很少量的纤维状和柱状晶体连结颗粒。

随水泥剂量的增加和石灰剂量的减少，改良盐渍土的凝胶物质、纤维状及柱状晶体生成物均明显增加，使改良盐渍土形成网状结构，具有更好的整体性，从而使强度增加，这与之前的试验结论是一致的。

3.2 不同龄期改良盐渍土的微观特性分析

改良盐渍土7天、28天及90天龄期标准养护后的4 000倍电镜照片如图5所示。

图5 6%水泥+6%石灰改良土7，28，90 d龄期SEM图Fig.5 SEM of 6%cement and 6%lime modified soil at 7，28，90 d of age

通过对比以上照片可以发现:

随着龄期的增加，结构内部生成许多棒状和纤维状结晶体，这些矿物遍布于土粒之间，将土粒连接成整体，形成凝胶及纤维晶体结构。这些物质相互交织，形成空间网状结构，从而提高了材料的强度和稳定性。

养护龄期的增加，主要是使得水泥的水化反应及石灰的火山灰反应、离子交换作用、氢氧化钙的碳酸化反应和结晶反应更加充分，从而使得土颗粒的团聚化、结晶化、网状化更明显，从而提高了改良盐渍土的强度。

4 利用效益－费用比法进行改良方案比选

为论证工程的经济合理性和财务可行性，需要进行工程经济评价，就是一般所说的效益－费用分析，其中包括效益－费用比法、内部回收率法及净现值法等。所谓的效益－费用比是指工程效益B与工程费用C的比值，用此值来评价工程的合理可行性，是目前国际上广泛采用的方法[6]。

4.1 效益计算

无侧限抗压强度是路基填料力学性能的重要指标之一，反应了材料在外力作用下抵抗破坏的能力，能快速准确地反映试件的强度特性，所以选择无侧限抗压强度作为效益比较合适。但由于水泥石灰强度形成需要一定的时间，所以不宜采用初期强度，此次选用28天无侧限抗压强度作为效益。水泥石灰改良盐渍土不同改良方案下的28天无侧限浸水抗压强度试验结果如表3所示。

表3 方案的效益Tab.3 Benefit of the program

4.2 费用计算

因为定额中的工、机这两部分不能明确确定，所以为了简化计算，只考虑料这部分。现计算每10 000 t土方量所需的费用，由调查可知，江苏省地区石灰的价格为300元·t-1左右，水泥的价格为500元·t-1左右。以石灰10%+水泥2%为例，每10 000 t土方量所需的石灰量为1 000 t，水泥量为200 t，费用为40万元。按照此方法计算其他改良方案的费用，结果如表4所示。