动静荷载作用下改良膨胀土力学特性研究

周大卫，周盛全，张勇飞，王玮健

动静荷载作用下改良膨胀土力学特性研究

周大卫，周盛全，张勇飞，王玮健

（安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

为了探究粉煤灰和石灰对江淮波状平原地区膨胀土的改良效果和改良机理，采用了无侧限抗压试验和分离式霍普金森压杆试验(SHPB)对改良膨胀土的动静态力学特性进行对比研究，并通过扫描电镜(SEM)分析了改良前后土样的微观形貌。试验结果表明：在粉煤灰改良剂的基础上加入5%的石灰后，改良土的动静态力学强度均有明显提升。28 d养护期龄下，改良土的静态抗压强度和动态抗压强度分别在10% F+5% L(10%粉煤灰和5%石灰)和20% F+5% L(20%粉煤灰和5%石灰)掺量下达到峰值(936.80 kPa,1 668.75 kPa)。纯粉煤灰和粉煤灰-石灰共同改良条件下，改良膨胀土的动态强度增长系数随着配合比的变化均呈现先上升后下降趋势。扫描电镜(SEM)试验结果显示改良后的膨胀土由不规则的片状堆叠结构变为块状的整体结构，土样的密实性和完整性得到提高。试验结果证明石灰和粉煤灰共同改良膨胀土具有良好的效果，可以为该地区工程设计和施工提供依据。

膨胀土；无侧限抗压强度；SHPB；动态强度增长系数；SEM

膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩并且具有往复胀缩变形特性的黏性土，主要的矿物成分为蒙脱石和伊利石[1-2]。1938年，美国开垦局在俄勒冈州的1例基础工程中首次发现膨胀土问题。自此，工程人员才逐渐意识到膨胀土的危害。

近年来，许多学者探究了不同种改良膨胀土的方法，他们的研究成果表明，粉煤灰和石灰等都是减小膨胀土膨胀性的有效材料。查甫生等[3]研究表明，膨胀土中加入石灰和粉煤灰可以有效降低膨胀土的塑性指数、膨胀量、自由膨胀率、线缩率等膨胀性指标，同时改良土的强度随着石灰掺量的增加而明显增加。在探究粉煤灰、石灰等材料降低膨胀土膨胀潜势的同时，改良土的静态物理力学性质也得到了全面的研究。庄心善等[4]研究表明，改良膨胀土的无侧限抗压强度和抗剪强度随着粉煤灰掺量的增加先增加后降低，粉煤灰掺量15%时，改良土的强度达到峰值。傅乃强等[5]探究了不同种类碱激发剂对纤维粉煤灰改良土的无侧限抗压强度影响规律，得出了5% Na2SiO3激发后改良土的强度最高。为了探究二灰法改良膨胀土的基本原理，Mutaz等[6]利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等试验手段，分析了改良膨胀土的微观形貌和矿物成分。查甫生等[7]通过电阻率测试，总结了平均结构因子和各向异性系数等电阻率结构性参数的变化规律，进而定量地分析了二灰改良膨胀土的微结构变化情况，从微观结构上解释了改良膨胀土的机理。

由于试验条件等因素的限制，关于改良土力学特性的研究，目前多以抗压和抗剪为代表的静态力学特性为主，对于改良土的动力学特性缺乏详细的研究。在岩土工程领域，改良膨胀土常常作为地基持力层和路基填料，在承受上部结构静荷载作用的同时，往往还受到地震、机械开挖和车辆行驶振动等动荷载作用。岩土类材料的应变率效应使得材料的动静态力学特性差异较大。因此，研究改良土在冲击荷载作用下的动态力学特性具有重要意义[8]。霍普金森压杆试验(SHPB)通过控制冲击气压调节子弹的初速度，从而在入射杆中产生不同长度和幅值的脉冲，进而对试件实施脉冲加载[9]。SHPB作为一种标准试验技术，被广泛用于高应变率范围内岩石[10]、混凝土[11]等材料的动态力学性能测试。基于此，本文以粉煤灰和石灰为改良剂，借助无侧限压缩和SHPB试验，探究二灰改良膨胀土的动静态力学特性。

1 试验过程

1.1 试验材料

试验所用土体取自淮南市山南新区某工地，对土样的物理参数进行测定，相关参数如表1所示，根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112—2013)，可以得出该土样属于弱膨胀土。

表1 膨胀土的物理性质指标

所用粉煤灰(Fly Ash,文中以F来代替粉煤灰)来自安徽淮南某火电厂，粉煤灰的化学成分结果如表2所示，其中，CaO的含量较低，仅为3.87%，属于低钙粉煤灰。

表2 粉煤灰化学成分 %

所用石灰(Lime,文中以L来指代石灰)来自德兴市明缘化工材料公司，对石灰进行XRD测试，分析得其主要成分为氢氧化钙(Ca(OH)2)。

图1 试验原材料图

1.2 试样制备

分别取素土(Plain soil)，10%粉煤灰(10%F)，20%粉煤灰(20%F)，30%粉煤灰(30%F)，10%粉煤灰+5%石灰(10%F+5%L)，20%粉煤灰+5%石灰(20%F+5%L)，30%粉煤灰+5%石灰(30%F+5%L)改良土共7组不同配合比的试样进行试验。将土样过0.5 mm筛，无侧限抗压强度试验采用的是直径50 mm，高度100 mm的圆柱形试样，动态冲击试验采用的是直径50 mm、高度25 mm的圆柱形试样。将制备好的试样用保鲜膜包裹，确保所有的试样均保持含水率为25%，将试样放入养护箱内养护，如图2所示。

无侧限抗压强度采用UTM4204万能试验机，加载速率为2 mm/min。动态力学试验采用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)，考虑到土样强度较低，试验采用0.2 MPa的冲击气压，上述试验每组做5个平行试样。试验示意图如图3、图4所示。

图2 试样制备及养护图

图3 无侧限抗压强度示意图

图4 SHPB冲击试验示意图

2 试验结果分析

2.1 静态力学分析

图5给出了素土和不同粉煤灰、石灰配合比的改良土的应力应变关系曲线。可以看出，素土和纯粉煤灰改良土的应力应变曲线明显分为3个阶段，即弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段。特别是塑性阶段，应变从4%~10%这一过程，应力几乎保持不变，出现明显的屈服平台。加入石灰之后，改良土的应力应变变化规律明显不同，只有2个阶段，弹性阶段和破坏阶段，试样强度达到峰值之后立刻降低，呈现明显的脆性破坏。

图5 不同配合比改良土的典型应力应变曲线(7 d)

图6、图7分别给出了7 d和28 d养护期龄下不同配合比改良土的无侧限抗压强度的变化关系。可以看出，不同期龄下改良土的抗压强度规律呈现较好的一致性。单独加入粉煤灰时，改良土的强度随着粉煤灰含量的增加先上升后降低，10% F掺量时，改良土的强度达到峰值，分别为176.96 kPa(7 d)和588.00 kPa(28 d)。20% F和30% F掺量下改良土的强度(135.56、137.73kPa，7 d；396.75、360.20kPa，28 d)相比于素土(168.83 kPa，7 d；473.25kPa，28 d)分别有所降低。这是由于粉煤灰本身的内摩擦角和黏聚力很低，工程性质类似于粉土，掺量过高时，多余未水化反应的粉煤灰会降低体系的强度。结合数据可以得出粉煤灰掺量在10%左右存在一个最优值。

在粉煤灰改良剂的基础上加入石灰后，改良土的抗压强度有了显著的提高。试验数据显示，10% F+5% L条件下，改良土的强度最大，分别为581.46 kPa(7 d)和936.80 kPa(28 d)。这是由于加入石灰后体系中产生较多的Ca2+，促进了体系的离子交换和火山灰反应，产生了更多胶结物质，从而提高了改良土的强度。

图6 不同配合比改良土无侧限抗压强度(7 d)

图7 不同配合比改良土无侧限抗压强度(28 d)

分析养护期龄对无侧限抗压强度的影响，图8给出了7 d和28 d养护期龄下改良土无侧限抗压强度的变化对比图。可以看出仅加入粉煤灰后，试样28 d的强度增加明显，分别增加了232.28%、192.68%、161.53%，说明粉煤灰中的火山灰反应需要一个较长的时间；加入石灰之后，试样强度依次增加了61.11%、95.55%、116.66%，相对来说强度提高较慢。说明加入石灰后，改良土的早期强度已经达到一个较高值，石灰对改良土早期强度有显著的提高作用。

图8 不同养护期龄试样无侧限抗压强度对比图

2.2 动态力学分析

利用二波法可以计算SHPB试验中试样的应变和应力，相关公式如下所示[12]：

式中：为压杆材料的弹性模量；为压杆纵波波速；为压杆横截面面积；0和0分别为试样的长度和横截面积；ε()和ε()分别为采集的反射和透射脉冲应变。

不同配合比下改良膨胀土的动态应力应变曲线如图9所示。可以看出，粉煤灰和石灰联合改良膨胀土的强度明显高于纯粉煤灰改良土。素土和纯粉煤灰改良土的强度达到峰值后缓慢降低，出现明显的屈服平台，呈现明显的塑性破坏特性；掺入石灰后，改良土的强度达到峰值后迅速降低，属于典型的脆性破坏。相应的动态抗压强度如图10所示。纯粉煤灰掺量下，改良土的强度随着粉煤灰掺量的增加先上升后降低，改良土的强度在20% F掺量时达到峰值713.58 kPa，相比于素土480.02 kPa增长了47.9%。这是由于粉煤灰发生的火山灰反应产生了一定的水化产物，从而提高了改良土体系的强度，导致一定范围内（0~20% F）改良土强度随着粉煤灰掺量的增加有所上升；然而粉煤灰作为一种细小的球状颗粒物质，本身强度较小，过多的含量势必导致搅拌不匀，在土体内部结团，形成粉煤灰颗粒之间直接接触的薄弱面。当受到外部荷载作用时，薄弱面首先发生破坏，进而降低试样强度。加入石灰后，改良土的强度变化出现相同的规律，在20% F+5% F掺量下达到峰值强度1 668.75 kPa，相比于素土提高了247.9%，表明石灰能显著促进改良土体系的水化反应，从而使土体的强度显著提高。

图9 不同配合比改良土动态应力应变曲线

图10 不同配合比改良土动态抗压强度曲线

为了表示冲击作用下抗压强度增长情况，定义动态抗压强度与静态抗压强度的比值为动态强度增长系数(dynamic increase factor)[13]：

式中：是动态抗压强度；是静态抗压强度。

由上式计算得到的随改良剂配合比增加的变化规律如图11所示。素土和纯粉煤灰改良土的呈现波动增长的趋势，在20% F掺量下达到最大，约为1.8。粉煤灰和石灰联合改良土的在20% F+5% L掺量下达到峰值，约为2.1。除10% F掺量的改良土，其余配比的土样动态抗压强度均比静态抗压强度有了明显的增长。

图11 不同配合比改良膨胀土的动态强度增长系数变化规律

2.3 动静荷载下试样破碎形态分析

不同配合比试样无侧限抗压试验的破坏规律基本一致。随着荷载的逐渐加大，试样在顶部或者底部开始出现裂纹。试验过程中，裂纹逐渐扩展并往中部发展，素土和纯粉煤灰改良土破坏时完整性相对较好。加入石灰后，土样塑性明显降低，破坏时试样边缘会出现少许剥落，如图12(a)所示。SHPB试验后，不同配合比试样的破碎形态明显不同。冲击过后，素土试样由于塑性强，仅出现几条细微裂缝，完整性较好。加入粉煤灰后，土样塑性一定程度上降低，冲击过后，边缘出现明显裂缝和小块的剥落。加入石灰之后，试样则呈现粉碎状破坏。可以看出，石灰虽然能显著增强改良土的强度，但石灰改良土的脆性特性明显，破坏时试样完整性显著降低。

图12 动静荷载下试样破碎形态图

2.4 微观结构分析

为了对比改良前后土体的微观形貌，图13给出了素土的扫描电镜图像。改良前膨胀土表面颗粒较为松散，有明显的孔隙结构(Pores and Cracks)，从而形成过水通道。将SEM图片放大到50μm级别，可以看到黏土颗粒呈现明显的薄片状(Flaky Grain)或者絮状(Flocculent Structure)，排列方式具有不定向性。这种堆叠的薄片状结构，使得土颗粒的比表面积较大，与水相互作用的能力较强，土体遇水时吸水量较大，出现显著的膨胀特性。

图13 素膨胀土微观结构

图14给出了添加10%粉煤灰改良后的膨胀土微观形貌。可以看出改良后土体与素土相比，整体上结构更为紧密，膨胀土体的细小缝隙一定程度上被粉煤灰颗粒充填。但由于水化产物较少，粉煤灰与土颗粒间的胶结程度较低，存在一定的孔隙。

图14 10% F改良膨胀土微观结构

从图15可以看出，10% F+5% L改良土体的结构更加密实。SEM图片上已经看不到薄片状的土颗粒结构，反应后的土颗粒呈团状或者块状结构，此时的土体已经不再具有膨胀性。这是因为石灰与水反应生成大量的Ca2+,相对高价的Ca2+通过离子交换置换了黏土颗粒中的K+和Na+,从而降低土体的膨胀潜势；加入石灰后形成的碱性环境使得土体的pH上升，从而进一步促进了离子交换反应；与此同时，石灰与孔隙中的水发生反应，降低土颗粒的水膜层厚度。石灰与粉煤灰的水化产物与黏土矿物发生化学作用，生成水化硅酸钙和铝酸钙，使得土颗粒的黏结更为紧密，从而提高土体的强度。

图15 10% F+5% L改良膨胀土微观图

3 结论

通过对粉煤灰和石灰改良弱膨胀土力学特性和微观结构的分析，可以得到以下结论。

(1)改良膨胀土动静态抗压强度的变化规律具有一致性。在纯粉煤灰作用下，土样的动静态抗压强度均随着粉煤灰掺量的增加先增加后降低。静态抗压强度和动态抗压强度分别在10% F和20% F掺量下达到最大值。

(2)在粉煤灰基础上加入5%石灰后，改良土的动静态抗压强度均有明显提高。试验数据显示，静态抗压强度在10% F+5% L掺量下达到峰值强度936.80 kPa，动态抗压强度在20% F+5% L掺量下达到峰值强度1 668.75 kPa。改良膨胀土的动态强度增长系数随着配合比的变化呈现波动上升趋势。

(3)素膨胀土和改良土的微观结构分析表明，素土主要以片状或者絮状结构为主，具有明显的孔隙和孔隙。加入粉煤灰后土样的孔隙和裂隙一定程度上被粉煤灰颗粒和一些水化产物充填。石灰能明显促进水化反应，进一步提高土样的密实度和完整性，从而提高其强度。

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Research on the Mechanical Properties of Stabilized Expansive Soil under Dynamic and Static Loads

ZHOU Da-wei, ZHOU Sheng-quan, ZHANG Yong-fei, WANG Wei-jian

（School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China）

In this study, the unconfined compressive strength and Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) tests were adopted to research the mechanical properties of fly ash and lime stabilized expansive soil in Jianghuai undulating plain area. The microstructures of soil samples before and after stabilization were analyzed by scanning electron microscope (SEM). The experimental results show that the dynamic and static mechanical strength of the stabilized soil are obviously improved after adding 5% lime on the basis of fly ash modifier. Under the curing age of 28 days, the static and dynamic compressive strength of the stabilized soil reach the peak value (936.80kPa, 1668.75kPa) after adding 10%F+5%L and 20%F+5%L, respectively. Under the condition of pure fly ash and fly ash-lime combined stabilization, the dynamic increase factor of the stabilized soil showed a trend of first rising and then decreasing with the change of mixing proportion. The SEM images reveal that the microstructures of the stabilized expansive soil vary from an irregular flake-like and flocculent structures to blocky structures, and the compactness of soil sample is enhanced. The conclusions of this study can be referenced for the engineering design and construction of expansive soil in Jianghuai undulating plain areas.

expansive soil; unconfined compressive strength; SHPB; dynamic increase factor; SEM

TU443

A

1674-3261(2020)02-0108-06

10.15916/j.issn1674-3261.2020.02.010

2019-09-27

安徽省高校自然科学重大项目(KJ2016SD19)

周大卫(1993-)，男，安徽合肥人，硕士。

责任编校：孙 林