消石灰、水泥改良粉土的强度及变形特性研究

宋博文 ，吕光东 ，朱文旺 ，张瑜

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.江苏省岩土工程技术工程研究中心，河海大学，江苏 南京 210098；3.西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏 林芝 860000）

0 引言

粉土是介于黏性土和砂土之间的一种土，具有松散、不稳定、塑性指数低、黏性小和土粒径集中等特点，不能直接用来填筑路基。由于社会发展、土地资源紧缺、经济现状和工期等原因，经常要用粉土来填筑路基。为了避免因使用粉土填筑材料而造成的工程危害，必须对粉土进行改良，使改良后的粉土能够满足路基填筑的设计要求。国内外学者对粉土的改良进行了大量的试验研究，取得了一些重要成果。张瑜等[1]用石灰和水泥改良泰州地区的粉土，发现水泥改良粉土的效果比水泥加石灰好，改良土的CBR值随着水泥掺合比的增加而增大。陈燕等[2]采用水泥改良粉土，并给出了水泥的最优掺合比。张西海等[3]依托陇海线郑州至徐州段铁路工程，利用石灰和粉煤灰改良粉土，得出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的结论。王海俊等[4]通过掺加石灰、水泥来改性粉土，得到较为经济的掺合比和加固机理。尚新鸿[5]采用砂砾改良粉土，效果较好。

粉土作为路基填料要经受反复的荷载作用，不仅要满足承载力要求，而且要能经受反复的荷载作用，故本文对石灰、水泥改良粉土的无侧限抗压强度和循环荷载作用下的变形特性进行了相关研究。

1 土样的基本物理性质

在泰州市东风路南段（永定路—宁通高速）采取的土样，土样的基本物理性质指标如表1。

表1 土样基本物理性质指标Table1 The basic physical propertiesof soil

按 JTG E40—2007《公路土工试验规程》[6]判定泰州市东风路南段的土样为低液限粉土，不能直接作为路基填筑材料。

2 试验方案

本文试验严格按照《公路土工试验规程》进行。采用水泥为普通硅酸盐水泥（P.O32.5），石灰为二级灰（CaO）。

1）击实试验：采用重型击实试验，试样的制备采用干法制备。

2）无侧限抗压强度试验：以重型击实试验测得的不同的掺加剂和掺合比改良粉土的最优含水率为基准，分别在试验室制配压实度为93%、94%、96%的无侧限抗压强度试验试样，试样分别在标准养护条件下养护14 d，28 d，58 d和90 d。在进行无侧限抗压强度试验之前将试样浸水饱和24 h。

3）循环荷载试验：试样的直径和高度均为50 mm，循环荷载下限利用公式其中K=0.477 5，假定轮载为集中荷载；P参照规范取100 kN；假定高等级道路面层厚度80 cm，即Z=0.8 m，代入公式得到下限荷载大小为74.6 kPa。循环荷载上限取为无侧限抗压强度的70%。

3 击实特性试验分析

在试验室进行不同的掺加剂和掺合比改良粉土重型击实试验，绘制干密度与含水率的关系曲线，最后得到不同的掺加剂和掺合比改良粉土的最优含水率和最大干密度，具体试验结果如表2所示。

表2 击实试验结果Table2 Compaction test results

分析表2中的数据可知，掺加不同的掺加剂和掺合比对粉土的最大干密度影响很小，但对粉土的最大干密度影响显著。消石灰改良法可以显著地提高改良粉土的最优含水率，但随着掺合比的增大改良粉土的最优含水率呈现逐渐减小的趋势。水泥改良法可以显著的提高改良粉土的最优含水率，但随掺合比的增大改良粉土的最优含水率呈现逐渐增大的趋势。消石灰和水泥联合改良法对粉土的最优含水率没有较大的影响。

4 强度特性分析

4.1 消石灰改良粉土的强度特性分析

4.1.1 无侧限抗压强度试验结果

消石灰改良粉土的无侧限抗压强度试验结果如图1和图2所示。

图1 消石灰改良粉土的养护龄期与无侧限抗压强度曲线Fig.1 Curve of maintenance ageof silt modified with slaked lime and unconfined compression strength

图2 消石灰改良粉土的掺合比与无侧限抗压强度曲线Fig.2 Curve of mixing ratio of silt modified with slaked lime and unconfined compression strength

4.1.2 强度特性分析

粉土在93%、94%和96%压实度下的无侧限抗压强度分别为57.6 kPa、59.1 kPa和68.3 kPa。由图1和图2分析可知，消石灰可以有效地提高粉土的无侧限抗压强度。原因是将消石灰均匀掺加到粉土中后，会发生离子交换作用、碳化作用、火山灰作用和结晶作用[7-8]。离子交换作用：Ca（OH）2水化生成的Ca2+与黏土矿物表面吸附的K+、Na+进行离子交换的团粒化作用（由于粉土中黏粒含量较少，因此该反应很弱）。碳化作用：Ca（OH）2与空气中的CO2发生反应生成难溶性的碳酸盐CaCO3。火山灰作用：Ca（OH）2与粉土中的SiO2和Al2O3发生了反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙（反应十分缓慢），这两种凝胶能够在水环境下以凝胶体出现，后期逐步转化为与土体胶结的纤维状晶体。结晶作用：消石灰在掺入粉土后，产生的Ca（OH）2除去以上几种作用之外，大部分以晶体形式析出，增加土体的强度。

由图2发现：消石灰改良粉土的无侧限抗压强度随着掺合比的增加而呈现逐渐增加的趋势，5%消石灰的改良效果较好；消石灰改良粉土的无侧限抗压强度随压实度的不断增加也在不断增加。

由图1，消石灰改良粉土的无侧限抗压强度随养护龄期的增长而逐渐增长，但14～28 d之间无侧限抗压强度增长速率较大，在28 d之后增长速率变小。这是因为在28 d之前，改良粉土的无侧限抗压强度主要是由离子交换作用、碳化作用、胶结作用和结晶作用共同作用产生的，故强度增长速率较大。在28 d之后，离子交换作用、碳化作用和结晶作用已基本完成（三者反应较快），只进行反应缓慢的胶结作用，故强度的增长速率较小。

4.2 水泥改良粉土的强度特性分析

4.2.1 无侧限抗压强度试验结果

水泥改良粉土的无侧限抗压强度试验结果如图3和图4所示。

图3 水泥改良粉土的养护龄期与无侧限抗压强度曲线Fig.3 Curve of maintenance age of silt modified with cement and unconfined compression strength

图4 水泥改良粉土的掺合比与无侧限抗压强度曲线Fig.4 Curve of mixing ratio of silt modified with cement and unconfined compression strength

4.2.2 强度特性分析

由图3和图4并对比图1和图2发现，水泥可以高效地提高粉土的无侧限抗压强度，且改良粉土的效果比消石灰好。将水泥均匀掺加到粉土中会发生复杂的化学反应，主要有水化作用和碳化作用[9-10]。水泥水化后产生不溶于水的水硬性胶结产物，近而增加粉土的强度。水泥在粉土中水化后产生的 Ca（OH）2和 Mg（OH）2与空气中的 CO2发生反应生成难溶性的碳酸盐，如CaCO3和MgCO3等。水泥改良粉土的效果比消石灰好，只因水泥产生的水化作用较消石灰产生的火山灰作用强，且反应速率快，增加粉土的强度较为显著。

由图4可知，水泥改良粉土的无侧限抗压强度随着掺合比的增加而呈线性增加。水泥改良粉土的无侧限抗压强度随着压实度的增加而增加。

图3分析可知，水泥改良粉土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增长逐渐增大，但随着养护龄期的增长，增加幅度逐渐减小。14～28 d之间无侧限抗压强度增加速率较大，28 d之后的增长速率变小。因为水泥的早期强度增长较快，随着龄期的增长强度增长越来越缓慢，即前期离子交换作用、硬凝作用和碳化作用等反应速率较快，到后期反应速率逐渐减小，导致强度增长比较缓慢。

4.3 消石灰和水泥联合改良粉土

消石灰和水泥联合改良粉土的无侧限抗压强度试验结果如图5和图6所示。

图5 养护龄期与无侧限抗压强度曲线Fig.5 Curve of maintenance age and unconfined compression strength

图6 掺合比与无侧限抗压强度曲线Fig.6 Curve of mixing ratio and unconfined compression strength

分析图5和图6发现，消石灰和水泥联合改良可以显著提高粉土的无侧限抗压强度。随着压实度的增加，消石灰和水泥联合改良粉土的无侧限抗压强度也在不断增加。图5中消石灰和水泥联合改良粉土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增长而逐渐增长，但无侧限抗压强度增长速率在14～28 d之间较大，28 d之后变小。

对比图6、图3发现，在90 d养护龄期以后，3%消石灰+5%水泥联合改良粉土与7%水泥改良粉土的无侧限抗压强度相差较小，但前者的改良成本相对较低。虽然3%的消石灰在前期改良效果一般，但在后期其改良效果显著提高。故在进行粉土改良时，可以采用3%消石灰和5%水泥联合改良粉土，从而达到经济高效的目的。

5 消石灰和水泥改良粉土的变形分析

由于消石灰和水泥联合改良粉土的效果较为经济高效，故对消石灰和水泥联合改良粉土进行了循环荷载作用下的变形试验，试验结果见图7。

图7 消石灰和水泥联合改良粉土的变形量Fig.7 Deformation of silt modified with slaked limeand cement

分析图7可知，93%、94%和96%压实度下的荷载变形重合在一条水平的直线上，表明消石灰和水泥联合改良粉土在初次达到下限荷载时产生的应变与压实度和掺合比无关。消石灰和水泥联合改良粉土的无侧限抗压强度均大于381 kPa，而下限荷载为74.6 kPa（强度较小），因此只会引起的微弱变形，故呈现出不同压实度下的荷载变形重合在一条水平直线上的现象。

93%、94%和96%压实度的上荷载变形曲线都呈抛物线型，这表明消石灰和水泥联合改良粉土在初次达到上限荷载时产生的应变随着压实度的增加而不断增加，消石灰和水泥联合改良粉土在初次达到上限荷载时产生的应变随着掺合比的增加而呈现先减小后增大的抛物线型。因随着掺合比的变化改良粉土的无侧限抗压强度呈现先增大后减小的规律，故抵抗变形的能力也呈现先增大后减小的规律，而上限荷载强度也呈现先增大后减小的规律，会不断产生先增大后减小的荷载变形，但此时抵抗变形能力大于产生荷载变形的能力，故呈现先减小后增大的抛物线型。

93%、94%和96%压实度的破坏时变形曲线都呈抛物线型，表明消石灰和水泥联合改良粉土在达到破坏时产生的应变随着压实度的增加而不断增加，消石灰和水泥联合改良粉土在达到破坏时产生的应变随着掺合比的增加而呈现先减小后增大的抛物线型。因为随着掺合比的变化改良粉土的无侧限抗压强度呈现先增大后减小的规律，故抵抗疲劳变形的能力也呈现先增大后减小的规律，而上限荷载强度也呈现先增大后减小的规律，会不断产生先增大后减小的荷载变形，但此时抵抗疲劳变形能力大于产生荷载变形的能力，故呈现先减小后增大的抛物线型。

6 结语

1）添加不同的掺加剂和掺合比对粉土的最大干密度影响很小，但对最优含水率的影响较大。消石灰改良法和水泥改良法都可以显著提高改良粉土的最优含水率。消石灰和水泥联合改良法对粉土的最优含水率影响较小。

2）消石灰、水泥、消石灰和水泥联合均可以有效地提高粉土的无侧限抗压强度，消石灰改良的效果相对另外两种差。3%消石灰和5%水泥联合改良粉土可以达到经济高效的效果。消石灰改良法、水泥改良法及消石灰和水泥联合改良法改良粉土的无侧限抗压强度均在14～28 d之间的增长速率较大，28 d之后的增长速率较小。

3）消石灰和水泥联合改良法均可以有效地提高粉土抵抗变形的能力。

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