高液限黏土改良方法试验研究

肖 斌，吴 斌，张进港

（1.山东高速轨道交通集团有限公司，山东 济南 250098；2.山东泰和公路工程有限公司，山东 淄博 256103；3.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南 250101）

引言

高液限黏土通常含有大量的蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土成分；土中黏粒和粉粒较多，集配分布不均，不易压实；毛细现象明显，吸水后能长时间保持水分，故吸水后承载力小、稳定性差；具有较大的可塑性、弱膨胀性和黏性。因此高液限黏土工程性质较差，不能直接用于路基填筑，必须进行技术改良。对不满足工程要求的土料进行土体改良，既可提高土体路用性能，又能解决路基填筑土料不足的问题，达到资源循环利用的目的。

传统的土体改良技术如加水泥、石灰等已经很成熟，寻找新物质对土体进行改良已成为新热点。木质素是植物界中储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，全球每年产量约5 000万吨，大部分未得到合理利用，资源浪费严重[1]。对此，国内外学者通过在土体中添加木质素来研究其对土体的物理力学性能的改善，成果颇丰。张涛等[2]发现低围压排水剪切条件下，木质素改良粉土体积应变存在先“剪缩”后“剪胀”的变化特征，高围压条件下则完全表现为“剪缩”。钟秀梅等[3]从微观角度揭示了两种制样法制备试样的本质差异，发现对于木质素改良土，泥浆搅拌法获得的试样中木质素与黄土颗粒形成了新的胶结物和团聚物；而加水湿拌法获得试样中，木质素在土颗粒中仅起到加筋作用，未出现新的胶结物。张健伟等[4]通过无侧限抗压强度试验和冻融循环试验，发现一定的冻融循环次数下木质素改良土的无侧限抗压强度随着掺量的增大先增加后降低，存在一个最优掺量。刘钊钊等[5]基于土-水特征曲线试验和湿化崩解试验，发现不同体积含水率条件下改良黄土的基质吸力均随木质素掺量的增加先增后减，改良黄土水稳性并非随掺量持续增加而单调增强，1%～2%掺量的改良黄土水稳性最佳。刘俐丹等[6]针对紫色土易引起水土流失的特点，进行木质素磺酸钙固化实验，发现固化土抗剪强度随着木钙掺入量的增加先增大后减小，木钙掺量为5.0%时，固化土抗剪强度达到峰值，凝聚力和内摩擦角分别提高62.73% 和11.84%。刘松玉等[7]的研究证明，木质素与粉土会发生水解反应、质子化反应和静电引力作用，最终形成致密稳定的土体结构，有效提高粉土的抗压强度和耐久性。

1 试样方案及材料

1.1 试验方案

对鲁山大道工程沿线分布的高液限黏土，分别采用石灰和两种木质素磺酸盐（木质素磺酸钙、木质素磺酸钠，以下分别简称木钙、木钠）作为固化剂对其改良，通过对比分析改良土的无侧限抗压强度和酸碱度指标，综合评价不同固化剂的改良效果。试验方案见表1。

表1 试验方案

1.2 试验材料

土样取自淄博市鲁山大道工程施工路段，基本物理性质见表2。 木钙呈棕褐色粉末状，pH值为5.4，呈弱酸性。木钠呈黄褐色粉末状，pH值为9.1，呈弱碱性。石灰呈白色粉末状，pH值为12.78，呈强碱性。酸碱度测定选用蒸馏水，其他试验取日常生活用水。

表2 土样主要物理性质指标

2 试验方法

2.1 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度是试样在无侧向压力情况下，抵抗轴向压力的极限强度，由无侧限压缩试验求得。试验采用应变控制式无侧限抗压强度试验仪。试件尺寸为直径39.1 mm，高80 mm的圆柱体，采用千斤顶静压一次成型法。

取过2 mm筛下试验用风干土与固化剂拌和均匀，用喷雾设备喷洒预计的加水量，拌和均匀后装入密闭容器中，闷料一夜备用。闷好的土料分三次倒入试模，每次振捣10～20次，静压1 min后脱模。将成型试件放入保鲜袋中，在标准养护箱中（养护温度20±3 ℃，相对湿度≥95%）密封养护。待试件到养护龄期后，进行无侧限抗压强度试验。

2.2 酸碱度试验

酸碱度试验是为了评价改良土对周围环境的影响，所用仪器型号为PHS-3C数显台式酸度计。试样取自无侧限抗压强度完成后的破碎土样，将土样碾碎过1 mm筛，取筛下土样10 g，量取100 mL蒸馏水与土样搅拌均匀，然后用酸度计测试pH值。

3 试验结果分析

3.1 改良土无侧限抗压强度

（1）图1（a）为木钙掺量与养护龄期对改良土抗压强度的影响曲线。可以看出，在各级养护龄期下，随着木钙掺量的增加，改良土强度呈现先增大后降低的趋势，木钙掺量为3%时改良土的抗压强度最大，而当掺量超过3%后强度呈现急速下降趋势。28 d龄期时，3%掺量时强度为2 887.5 kPa，为素土强度（1 698.9 kPa）的170%，可见3%掺量的木钙对高液限黏土改良效果显著，抗压强度能提高70%。（2）图1（b）为木钠掺量与养护龄期对改良土抗压强度的影响曲线。可以看出，在各级养护龄期下，随着木钠掺量的增加，改良土强度呈现先增大后降低的趋势，木钠掺量为6%时改良土的抗压强度最大，当掺量超过6%后强度呈现下降趋势。28 d龄期时，木钠掺量为6%时的抗压强度为2 530.7 kPa，为素土强度（1 698.9 kPa）的149%，可见6%掺量的木钠对高液限黏土改良效果最好，抗压强度能提高49%。（3）图1（c）为石灰掺量与养护龄期对改良土抗压强度的影响曲线。

图1 改良土无侧限抗压强度

可以看出，在各级养护龄期下，随着石灰掺量的增加，改良土强度呈现先增大后降低的趋势，石灰掺量为9%时改良土的抗压强度最大，当掺量超过9%后强度呈现急速下降趋势。28 d龄期时，石灰掺量为9%时的抗压强度为4 351.1 kPa，为素土强度（1 698.9 kPa）的256%，可见9%掺量的石灰对高液限黏土改良效果最好，抗压强度能提高156%。

3.2 改良土酸碱度

图2 为28 d龄期时各固化剂掺量对改良土pH值的影响。

图2 龄期28 d时改良土的pH值

可以看出，石灰改良土和木钠改良土pH值都随固化剂掺量的增加而增大，且都是在掺量为6%时达到最大值后趋于平稳，其中石灰改良土pH值增加较大，pH最大值为11.6，呈强碱性，木钠改良土pH值增加较小，pH最大值为9.3，呈弱碱性；木钙改良土pH值随固化剂掺量的增加而减小，在掺量为3%时达到最小值后趋于平稳，pH最小值为6.2，改良土接近中性。

3.3 改良效果对比

为了直观对比木钙、木钠与石灰对高液限黏土的改良效果，根据龄期28 d时改良土的抗压强度和pH值变化，考虑经济性，选取最少掺量为3%时的改良土与素土进行强度比较，见图3。

图3 三种固化剂改良效果对比

与素土相比，养护龄期7 d、14 d、28 d、60 d时，木钠改良土强度提高不明显，木钙改良土和石灰改良土强度提升明显。由此可知，3%掺量时，木钠对高液限黏土的改良效果不明显，但木钙和石灰对于高液限黏土的改良效果极佳。在经济性要求下，综合考虑三种固化剂对改良土无侧限抗压强度和pH值的影响，可知木钙在最优掺量3%时对高液限黏土的改良效果最佳。

4 结语

（1）各级养护龄期下，随着固化剂掺量的增加，三种改良土的抗压强度均呈现先增大后降低的趋势，木钙、木钠和石灰的最佳掺量分别为3%、6%和9%；养护龄期28 d时，与素土相比，3%木钙、6%木钠和9%石灰改良土的抗压强度分别提高了70%，49%和156%。（2）养护龄期28 d时，石灰改良土和木钠改良土的pH值都随固化剂掺量的增加而增大，二者均在6%掺量时达到最大值后趋于平稳，pH最大值分别为11.6和9.3；木钙改良土的pH值随固化剂掺量的增加而减小，3%木钙掺量时达到最小值后趋于平稳，最小值pH为6.2。（3）从经济性、改良土的抗压强度和酸碱度三方面综合比较，可知木质素磺酸钙对高液限黏土的改良效果最佳。