生石灰改性膨胀土最佳施工含水率

白银涌, 陈永青,陈宗辉, 孙政



生石灰改性膨胀土最佳施工含水率

白银涌, 陈永青,陈宗辉, 孙政

(中南林业科技大学土木工程与力学学院, 湖南长沙, 410018)

以益娄高速膨胀土路基改性处理为例, 基于生石灰与熟石灰改性膨胀土的室内试验, 进行试验结果的对比, 探讨了生、熟石灰改性膨胀土的击实试验和无侧限抗压强度试验确定最佳含水率的方法。研究表明: 对比生石灰和熟石灰在击实试验中对干密度的影响可知, 最佳含水率下生石灰改性膨胀土的干密度值较大; 当掺灰量相同时, 无侧限抗压强度随初试含水率的增加先增大后减小, 初始含水率大于最佳含水率3%时无侧限抗压强度值最大; 对比生石灰和熟石灰对膨胀土无侧限抗压强度的影响可知, 生石灰改性膨胀土无侧限抗压强度峰值较大。

生石灰改性膨胀土; 无侧限抗压强度; 最佳含水率; 击实试验

在膨胀土中掺加石灰是广泛采用的膨胀土改性的主要方式之一[1–3]。规范[4]也推荐采用石灰改良的方法。成功的案例有: 河南内乡至邓州高速公路、南水北调中线工程(河南段)、空军汉口新机场主跑道等。采用生石灰改性膨胀土包边法可迅速减少膨胀土的较高的含水量, 提高施工效率。在膨胀土中掺入一定量的石灰对膨胀土进行改性, 即“砂化”, 以此降低其塑性指数、含水量, 便于粉碎、压实, 同时降低膨胀土的膨胀量, 提高其强度和水稳定性。中、弱膨胀土改性后作为路堤填料在公路建设中普遍使用, 掺石灰是膨胀土改性处治的常用方法, 许多专家对此进行了广泛而深入的研究。程钰等[5]用消石灰作为外掺剂, 进行了2种不同的膨胀土的对比试验, 研究了不同灰剂量和龄期对膨胀土“团粒化”作用效果的影响。对于消石灰改性膨胀土而言, 不同性质膨胀土界限含水率的改性效果不尽相同。崔伟等[3]通过对济南、淄博地区膨胀土的室内物理力学性质和石灰改性膨胀土系列试验的深入分析, 确定了膨胀土的等级, 探究了改性后石灰土的胀缩性、强度与随石灰掺量的变化规律从而给出了最佳石灰掺量的参考值。孙志亮等[6]为探讨石灰改性膨胀土与红黏土的强度发展规律, 以生石灰与消石灰改性的南阳膨胀土与郴州红黏土为研究对象, 进行了无侧限抗压、固结快速直剪和固结压缩试验的对比, 发现生石灰改性效果比消石灰改性效果好。由于矿物成分不同, 石灰改性南阳膨胀土的效果比石灰改性郴州红黏土好。程钰等[7]在对石灰改性膨胀土的研究中还发现膨胀土掺石灰改性之后, 其粉粒组的含量显著增加。此外, 随着含水率的增加, 击实功会破坏土的结构, 土体重新压实, 击实曲线出现了另一个最大干密度的峰值。因此, 击实曲线表现出不稳定的双峰现象, 从而降低了击实曲线的实用性及可靠性, 而采用修正湿法得到的击实标准, 相对于湿法更合理。汪明武等[8]通过对膨胀土与石灰改性膨胀土胀缩性的云模型分析, 研究了改性后膨胀土的胀缩改善情况。除了理论研究, 还有边加敏等[9]、孙万虎[10]、胡明鉴等[11]对工程实践中石灰改性膨胀土路基的施工控制参数、施工工艺以及质量控制进行了深入的研究。唐红恩等[12]通过水泥土处理软土地基, 包括地基处理的设计和施工方法、处理效果检测和建筑物沉降观测结果。杨明亮[13]进行了石灰处治膨胀土路基长期性能影响因素试验, 进一步补充了石灰改性膨胀土的研究。

益阳—娄底高速公路从二标～五标、十二标～十三标段之间均断续分布有厚薄不等的, 具有弱、中等膨胀性的膨胀土, 且多为挖方, 总计约164.0万m3。其液限和自由膨胀率较高, 具有弱、中膨胀土的物理力学特征。基于上述研究, 本文以益娄高速公路膨胀土路基处理工程为例, 通过对生石灰与熟石灰改性膨胀土的击实特性以及无侧限抗压强度对比, 探讨了改性膨胀土的最佳施工含水率。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所用膨胀土土样取自益娄高速公路K32 + 660处, 取土深度为1.0 m左右。新鲜土样呈灰色、黄色、杂色, 并呈细小鳞片状, 有较粗的砂粒。根据《公路土工试验规程》[14]进行基本物理力学特性试验, 得到土样的基本物性指标见表1。根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)中膨胀土的判别标准, 结合表1的试验结果, 确定该土样为中膨胀土。

表1 膨胀土物性指标

生石灰中CaO含量为73%(), MgO含量为2.1%(), 为Ⅲ级钙质石灰。掺生石灰6%改良膨胀土的CBR和胀缩总率试验显示CBR为8.23%, 胀缩总率为0.66%。结果满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)和《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)的规定, 验证了生石灰掺量为6%的合理性。

1.2 生石灰与熟石灰改性膨胀土对比试验方案

试验地点: 益阳市灰山港镇益娄高速搅拌站实验室。

试验内容: 试验操作均按照规程[14]进行, 文中生石灰掺量是指生石灰与干土质量之比, 生、熟石灰掺量依次为0、3%、5%、7%、9%。按照规程要求, 进行不同生石灰掺量下膨胀土的击实试验指标与基本力学指标的试验, 验证生石灰改性膨胀土的方法对提高膨胀土力学指标的可行性。

试验材料: 试验所用膨胀土、生石灰、熟石灰与1.1中的相同。试件尺寸为直径4 cm, 高度10 cm。

试验方法: 分别以6%生、熟石灰改性膨胀土制作试件, 试验方法执行《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)的规定进行室内击实试验和无侧限抗压强度试验。

2 结果与分析

2.1 击实试验

根据《公路土工试验规程》[14]分别进行6%生石灰土样和6%熟石灰土样的击实试验。通过击实试验数据(表2)处理, 得到击实试验中干密度与含水率关系, 如图1和图2所示。击实试验结果表明: 6%生石灰改性膨胀土的最佳含水率为21%, 最大干密度为1.96 g·cm-3; 6%熟石灰改性膨胀土的最佳含水率为22%, 最大干密度为1.94 g·cm-3。对比生石灰和熟石灰改性膨胀土样在击实试验中对干密度的影响可知, 最佳含水率下生石灰改性膨胀土的干密度值较大。掺入生石灰的膨胀土遇水消解不完全会产生团粒, 使得填料的级配较好, 因此更为密实。

表2 6%生石灰和熟石灰改性膨胀土击实试验结果

图1 生石灰改性膨胀土击实曲线

图2 熟石灰改性膨胀土击实曲线

表3 生石灰和熟石灰改性膨胀土无侧限抗压强度

2.2 无侧限抗压强度试验

用6%生石灰和熟石灰分别改性膨胀土; 按90%的压实度即干密度为1.82 g·cm-3分别制作2组平行试件。将试件在标准养护条件下养护6 d, 浸泡1 d, 然后测定其无侧限抗压强度。

2组平行试件的无侧限抗压强度试验结果见表3, 无侧限抗压强度与初始含水率的关系见图3和图4。

图3 无侧限抗压强度与初始含水率的关系(掺生石灰)

图4 无侧限抗压强度与初始含水率的关系(掺熟石灰)

由图3和图4可知, 标准养护条件下, 生石灰改性膨胀土的无侧限抗压强度峰值点对应的含水率为24%, 比击实曲线所得到的最佳含水率(21%)大3%; 同样在标准养护条件下, 熟石灰改性膨胀土的无侧限抗压强度峰值点对应的含水率也近似为24%。此外, 对比生石灰和熟石灰对膨胀土无侧限抗压强度的影响可知, 生石灰改性膨胀土无侧限抗压强度峰值较大。

3 结语

本文以益娄高速膨胀土路基改性处理为例, 基于生石灰与熟石灰改性膨胀土的室内试验, 进行试验结果的对比, 得到如下结论: 击实试验中, 通过对比生石灰和熟石灰对膨胀土干密度的影响可知, 最佳含水率下生石灰改性膨胀土的干密度值较大, 未消解的生石灰的团粒作用使得膨胀土路基填料级配更好, 更为密实; 无侧限抗压强度试验中, 对比生石灰和熟石灰对膨胀土的影响可知, 生石灰改性膨胀土无侧限抗压强度峰值较大; 当掺灰量相同时, 无侧限抗压强度随初试含水率的增加先增大后减小。无侧限抗压强度值最大时, 其含水率比击实试验中最佳含水率大3%。生石灰处理膨胀土路基不仅具有较好的改良效果, 而且更为经济。

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[14] 中华人民共和国行业标准编写组. 公路土工试验规程(JTG E40-2007)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

(责任编校:刘刚毅)

Optimum moisture content of the expansive soil modified by quick lime

Bai Yinyong, Chen Yongqing, Chen Zonghui, Sun Zheng

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha410018, China)

Based on engineering background of expansive soil subgrade modification in YI-LOU High-Speed, the comparative analysis of test results is carried out based on the laboratory test of quicklime and hydrated lime-modified expansive soil. The compaction test and the unconfined compressive strength test of raw and expansive lime-modified expansive soil are studied deeply to determine the optimum moisture content. The results are listed as follows: (1) Comparing the effect of quick lime and hydrated lime on dry density in compaction test, it can be seen that the dry density value of quicklime modified expansive soil under optimum water content is larger; (2) When the ash content is the same, the unconfined compressive strength increases first and then decreases with the increase of initial moisture content. When the initial moisture content is more than 3%, the unconfined compressive strength is the higher; (3) compared with the effect of quicklime and hydrated lime on the unconfined compressive strength of expansive soil, it means that the unconfined compressive strength peak value of quicklime modified expansive soil is larger.

lime modified expansive soil; unconfined compressive strength; optimum moisture content; compaction test

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.016

U 416.1

A

1672–6146(2017)01–0070–04

白银涌, byy351x@163.com。

2016–12–01

湖南省重点学科建设项目(2013ZDXK006)。