石灰和水玻璃共同改良粉土试验研究

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(河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室； b.江苏省岩土工程技术工程研究中心，南京 210098)

石灰和水玻璃共同改良粉土试验研究

朱文旺a,b，张文慧a,b，姜冲a,b,张瑜a,b,吴兵a,b

(河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室； b.江苏省岩土工程技术工程研究中心，南京 210098)

对泰州地区粉土用石灰和水玻璃进行室内改良试验，研究了不同掺量石灰+水玻璃(1%石灰+3%水玻璃、3%石灰+1%水玻璃、3%石灰+3%水玻璃)改良粉土的改良效果，得出以下结论：石灰+水玻璃对粉土有良好的改良效果，改良土的CBR值较素土有很大的提高；改良土的CBR值与无侧限抗压强度均随着养护时间和压实度的增加明显提高；粉土中掺入3%石灰+3%水玻璃后改良效果最佳，掺入1%石灰+3%水玻璃后能快速提高粉土的早期强度。试验成果可以指导实际工程依据强度要求确定不同的石灰+水玻璃掺量。

粉土改良试验；石灰；水玻璃；CBR值；无侧限抗压强度；养护时间；压实度

1 研究背景

粉土属于第四系全新统地层(Q4)，冲洪积而成，多呈棕黄色，散粒结构，属于细粒土，粉粒含量高，黏粒含量少，塑性指数低，具有松散、黏聚力差、易液化等特点，是一种工程性质很差的路基填筑材料，应用之前必须进行改良处理[1-2]。

目前国内学者在利用石灰、水泥以及粉煤灰作为改良剂改良粉土的整体性及物理力学性能方面已经有了一些重要的理论成果。王海俊等[1]对石灰、水泥类改良土的CBR指标与龄期和配合比的规律进行了研究，提出了经济合理的配比方案，并阐述了改良粉土的CBR试验方法和加固机理；张西海等[2]结合实际工程，对路基填料粉土用石灰及石灰粉煤灰改良粉土的效果进行了试验研究，得出了石灰在早期能较好地改良粉土的水稳定性，石灰粉煤灰改良粉土的无侧限抗压强度随着粉煤灰掺合比的增加而提高；陈燕等[3]分析了不同改良剂的优缺点，并选用水泥进行改良粉土试验，最终确定了水泥的最佳掺入比;王海俊等[4]从试验的角度对不同的掺灰剂(水泥、石灰)及不同配合比改良后粉土的性质进行分析，并研究了改良后粉土CBR值、无侧限抗压强度与龄期及配合比的关系;武庆祥等[5]利用水泥、石灰对京台高速公路北京段路基粉土进行改良，研究改良土的强度、压缩性和渗透性，同时比较了2种改良剂的改良效果，并对不同类型粉土土样应使用何种改良剂提出了合理的建议;白祖国[6]利用石灰、水泥对粉土进行改良，并进行效果评价分析，提出了适合于工地使用的最佳掺配比，同时通过改变试验条件，得出了浸泡时间对改善土的CBR值的影响规律。

近些年，水玻璃作为改良剂改良土的物理力学性质逐渐进入学者的研究范围。虞跃等[7-9]对水玻璃改良昔格达土物理力学性质进行了试验研究，同时分析了水玻璃改良昔格达土的机理，并通过改良土对于稳定边坡的作用及改良土模拟边坡冲刷试验，探讨了水玻璃改良土在工程中的应用前景。

加州承载比(California Bearing Ratio，CBR)是用于评定路基和路面材料的强度指标，表征了材料抵抗局部荷载压入变形的能力。

本文选用石灰和水玻璃作为掺加剂对泰州某地区粉土进行了改良，并通过室内击实试验、CBR试验和无侧限抗压强度试验对改良效果进行了研究。

2 试验土样基本物理性质

本试验原状土样取自泰州市东风路南段(永定路—宁通高速)快速路改造工程，需要将沿线粉土加以改良后作为填料填筑路基。通过对土样进行颗粒分析，以及比重、液塑限和击实试验，得到该粉土的基本物理性质，如表1所示。

表1 土样基本物理性质指标Table 1 Physical properties of soil

该土样中粒径在0.002～0.075 mm之间的粉粒和砂粒含量占90.7%，液限为28.5%，依据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ 024—85)[10]判断该土属于低液限粉土。

3 试验方法

以下所有试验及制样过程均按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[11]进行。

(1) 试验采用石灰与水玻璃作为改良剂共同掺入粉土土样，水玻璃浓度为40%，模数为2.6～2.9，拟定以下3种掺量：1%石灰和3%水玻璃、3%石灰和1%水玻璃、3%石灰和3%水玻璃(百分数为掺加剂与干土的质量比)。

(2) 采用重型击实试验，测得以上3种掺量改良土样的最大干密度和最优含水率，以此最优含水率为准，对每种掺合比土样制备3种不同压实度(93%，94%，96%)的CBR试验以及无侧限抗压强度试验试样。CBR试验试样分别养护0,28 d，试验前需将试样浸水4个昼夜；无侧限抗压强度试验试样分别养护14,28,58,90 d,试验前将试样饱和24 h。

图1 石灰+水玻璃改良土击实曲线Fig.1 Compaction curves of soil improved by lime and sodium silicate

4 试验结果分析

4.1 击实试验

石灰+水玻璃改良土的击实试验结果如图1、表2所示。由图1和表2可以看出：改良土的最优含水率比素土大，最大干密度比素土小；3种不同掺合剂的改良土的最大干密度大致相同；当石灰掺合比相同时，改良土的最优含水率随着水玻璃的掺合比增加而增大，当水玻璃掺合比相同时，改良土的最优含水率随着石灰的掺合比增加而增大。

表2 石灰+水玻璃改良土击实试验结果Table 2 Compaction test results of soil improved by lime and sodium silicate

4.2 CBR试验

石灰+水玻璃改良土在不养护和养护28 d条件下CBR值与压实度的关系如图2所示。表3为不同掺量、不同压实度的改良土在养护28 d后的CBR值与不养护的CBR值的比。

图2 石灰+水玻璃改良土未养护和养护28 d条件下CBR与压实度关系曲线Fig.2 Relationship between CBR and compaction degree of soil improved by lime and sodium silicate under the condition of curing periods of 0 d and 28 d

表3 养护28 d与不养护改良土CBR值之比Table 3 Ratio of CBR value of improved soil with 28 days of curing to that with no curing

根据图2可知:不同掺量改良土的CBR值随着压实度的增大而提高;改良土在养护28 d后，土样的CBR值均有一定程度的提高;在不养护和养护28 d条件下，石灰+水玻璃改良土的CBR值均远大于素土的CBR值；1%石灰+3%水玻璃掺量和3%石灰+3%水玻璃掺量改良土的CBR值均比3%石灰+1%水玻璃掺量改良土的CBR值高。在93%和94%压实度条件下，未养护时，1%石灰+3%水玻璃掺量改良土CBR值高于3%石灰+3%水玻璃掺量改良土的CBR值;养护28 d后，1%石灰+3%水玻璃掺量改良土CBR值低于3%石灰+3%水玻璃掺量改良土的CBR值。因此，在养护28 d条件下，粉土中加入3%石灰+3%水玻璃后改良效果最佳。

根据表3可以看出，3%石灰+1%水玻璃掺量的改良土在养护28 d后CBR值增加幅度最大，而其余2种掺量改良土的增加幅度则相对较小。再根据上述对图2的分析可以推断，粉土中加入合适比例的石灰和水玻璃后，能够在改良前期就能快速有效地发挥出改良剂的改良效果，提高粉土的早期强度。实际工程中可以根据对粉土各时期的强度要求来选取合适的石灰和水玻璃的比例和掺量。

4.3 无侧限抗压强度试验

素土与改良土的无侧限抗压强度如表4、表5所示。可以发现，素土中加入3种不同掺合比的石灰和水玻璃后，其无侧限抗压强度有很明显的提升。

表4 不同压实度下素土的无侧限抗压强度Table 4 Unconfined compressive strength of plain soil with different compaction degrees

图3 不同掺量改良土无侧限抗压强度与龄期的关系曲线Fig.3 Relationship between unconfined compressive strength and curing age of improved soil with different admixture proportions

表5 96%压实度改良土的无侧限抗压强度Table 5 Unconfined compressive strength of improved soil with compaction degree of 96%

图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为1%石灰+3%水玻璃、3%石灰+1%水玻璃、3%石灰+3%水玻璃改良土的无侧限抗压强度与养护龄期的关系。

由图3可以看出，改良土的无侧限抗压强度随着养护时间的增长而提高，随着压实度的增大而提高。

对比表5中的数据可以得知:养护时间超过28 d 后,3%石灰+3%水玻璃掺量的改良土的无侧限抗压强度值为3种掺量改良土中最高； 1%石灰+3%水玻璃掺量的改良土在养护14 d时的无侧限抗压强度为3种掺量改良土中最高，且其随着养护时间的增长而增加的幅度较小。根据以上分析也可得出：3%石灰+3%水玻璃掺量对粉土有最佳改良效果；1%石灰+3%水玻璃掺量改良粉土时在前期就能快速地发挥出改良剂的改良效果，提高粉土的早期强度。

使用石灰单独改良粉土时，由于粉土中黏粒含量很少，其阳离子交换能力和火山灰作用很弱，土颗粒与石灰很难较快地产生硅酸盐、铝酸盐呈胶结作用，形成的晶体及晶体相互结合的程度较差，强度的形成主要依赖Ca(OH)2的碳酸化和自行结晶作用[1]，该过程较为缓慢，改良土的强度会随着龄期的增长缓慢增加。当在粉土中同时加入石灰和水玻璃时，水玻璃中的硅酸根离子会与石灰中的钙离子发生剧烈反应生成硅酸钙胶体，这些胶结物有效地提高了粉粒之间的联结力，对粉土前期强度的提高起到了很大的作用；随着龄期的增长，胶结物逐渐转化为晶体状态，粉土强度进一步提高。

5 结 论

通过对泰州地区粉土进行石灰+水玻璃室内改良试验，可知石灰+水玻璃对粉土有良好的改良效果。试验结果可以总结为：

(1) 石灰+水玻璃改良土的最优含水率比素土大，最大干密度比素土小；不同掺合比的改良土的最大干密度大致相同；当石灰掺合比相同时，改良土的最优含水率随着水玻璃掺合比的增加而增大，当水玻璃掺合比相同时，改良土的最优含水率随着石灰掺合比的增加而增大。

(2) 石灰+水玻璃改良土的CBR值远大于素土CBR值，并随着压实度和养护龄期的增加而增大。

(3) 石灰+水玻璃改良土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增长而提高，随着压实度的增大而提高。

(4) 对于3种不同的改良剂(1%石灰+3%水玻璃，3%石灰+1%水玻璃，3%石灰+3%水玻璃)，加3%石灰+3%水玻璃能够最大地提高粉土的强度，改良效果最佳；加1%石灰+3%水玻璃在前期就能有效地发挥出改良剂的改良效果，迅速地提高粉土的早期强度。

(5) 在实际工程中,可以根据对粉土各时期的强度要求来选取合适的石灰和水玻璃的比例和掺量，既能保证改良土的后期强度，又能使其前期具有很高的强度。

[1] 王海俊,殷宗泽，余湘娟.粉土路堤填料的CBR试验研究[J].路基工程,2006,24(1):56-58.

[2] 张西海,夏 琼，杨有海.石灰及其与粉煤灰混合料改良粉土的试验研究[J].路基工程，2007,25(3):43-45.

[3] 陈 燕,魏宏超，徐 鹏.高速铁路粉土路基改良试验研究[J].安全与环境工程，2011,18(3):126-128.

[4] 王海俊,余湘娟，殷宗泽，等.粉土用作路堤填料的试验研究[J].防灾减灾工程学报，2006,26(4):468-472.

[5] 武庆祥,彭丽云，龙佩恒.石灰水泥对粉土的改良研究[J].公路，2015,60(9):14-19.

[6] 白祖国.低路堤填筑的粉土改良及毛细水作用下路堤稳定性研究[D].天津：天津大学，2009.

[7] 虞 跃,陈廷方,张 俊.水玻璃改良昔格达土物理力学性质的试验研究[J].路基工程,2010,28(2):84-85.

[8] 虞 跃,陈廷方.水玻璃改良昔格达土机理分析[J].路基工程,2011,29(6):12-14.

[9] 虞 跃,陈廷方.水玻璃改良昔格达土应用前景探讨[J].路基工程,2012,30(2):12-14.

[10] JTJ 024—85，公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社，1985.

[11] JTG E40—2007，公路土工试验规程[S].北京：人民交通出版社，2007.

(编辑：刘运飞)

Experimental Study on Silt Improved by Lime and Sodium Silicate

ZHU Wen-wang1,2,ZHANG Wen-hui1,2,JIANG Chong1,2,ZHANG Yu1,2,WU Bing1,2

(1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering under Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Engineering Research Center of Geotechnical Engineering Technologies of Jiangsu Province,Hohai University,Nanjing 210098,China)

An indoor test of improving silt in Taizhou by using lime and sodium silicate was carried out,and the improvement effects of different mix proportions of lime and sodium silicate were studied: 1% lime and 3% sodium silicate,3% lime and 1% sodium silicate,3% of lime and 3% sodium silicate,respectively.Results revealed that,1) lime and sodium silicate could effectively improve silt’s properties,with obvious increase of CBR value in comparison with plain soil; 2) the CBR value and unconfined compressive strength of improved soil obviously increased with the increase of curing age and compaction degree; 3) 1% lime and 3% sodium silicate could achieve the best improvement effect,while 1% lime and 3% sodium silicate could rapidly improve the early strength of soil.The test results can be taken as reference for determining the blending proportions of lime and sodium silicate according to needed strength.

improvement test of silt; lime; sodium silicate; CBR value; unconfined compressive strength; curing age; degree of compaction

TU441.2

A

1001-5485(2017)10-0091-04

2016-07-12 ；

2016-08-24

中央高校基本科研业务费项目(KYLX15-0469)

朱文旺(1993-)，男，安徽枞阳人，硕士研究生，主要研究方向为土的静动力学特性、特殊土处治技术，(电话)18251826839(电子信箱)1161382324@qq.com。

张文慧(1973-)，男，甘肃会宁人，副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为土的静动力学特性、特殊土处治技术等，(电话)13605184284(电子信箱)zhangwenhui@hhu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160708 2017,34(10):91-94