不同碳酸钙掺量压实黄土的力学性能试验研究

边瑞，刘海松*，王海曼，黄绵松，刘魁

(1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054；2.宁夏首创海绵城市建设发展有限公司，固原 756000；3.信息产业部电子综合勘察研究院，西安 710054)

黄土广泛分布在中国西北、黄河中游的陕西、山西等地区[1]。近年来，中国为促进西部经济的发展，加大了西部地区交通基础设施建设的力度，大量的公路、铁路等建设在黄土路基之上。由于黄土在自重应力或者是上覆外加荷载的作用下，遇水增湿后会产生湿陷，并且天然黄土的强度很难满足工程需要，因此在湿陷性黄土地区路基沉陷、路面变形开裂、路基边坡失稳等灾害频繁发生[2]。湿陷性黄土是一种具有危害性的不良路基填料，换填黄土会大大增加施工量和工程成本，因此研究人员一直致力于黄土的改良，通过向黄土中掺杂水泥、石灰、粉煤灰等传统无机材料来改善其工程性质，使之变成强度和变形均可靠的路基填料[3-5]。

葛菲等[6]研究发现，水泥和硅微粉两种材料共同改良黄土的效果较掺加单一材料更为显著。杜丹[7]根据固结试验结果得出黄土中加入石灰可以显著改善压缩性，较好地减小路基沉降。殷鹤等[8]研究表明，经外电场处理后的石灰和硫酸钠混合改性材料，可以消除黄土湿陷性，有效控制工后不均匀沉降。白汉营等[9]认为纳米石墨粉改变红黏土的孔隙结构和颗粒胶结来改良其力学性质。唐皓等[10]研究表明，棕榈纤维加筋土的抗剪强度明显增大。近年来，中国提出深化改革开放、加快生产方式转型升级、促进可持续发展，大力倡导绿色环保的新型生产理念，通过添加水泥、石灰、粉煤灰、矿渣等方法会造成环境污染，违背新时代新型生产方式。因此，需要寻找一种廉价环保的地基处理材料，使之能广泛应用于黄土路基中。石灰岩广泛分布于黄土地区，富含大量的碳酸钙，石灰岩经粉碎后即可得到碳酸钙粉末，不需要高温煅烧，大大减少二氧化碳的排放，可以有效保护生态环境，并且制作工艺简单、成本低，积极响应了国家新型生产理念。

目前已有学者通过向黄土中掺入碳酸钙粉末进行室内试验来探究改良后土体力学性能的变化。Chen等[11]研究了碳酸钙改良红黏土，发现随着碳酸钙掺量的增加，红黏土的黏聚力下降，内摩擦角先减小后增大。徐龙飞等[12]对不同碳酸钙含量的黄土试样进行常规三轴试验,研究了碳酸钙含量变化对黄土强度特性的影响，认为碳酸钙含量与黄土抗剪强度指标值的大小呈正相关关系。郭玉文等[13]通过团粒分析方法研究碳酸钙与黄土中团粒的形成有直接关系，碳酸钙是黄土中团粒的主要胶结物。卢雪清[14]研究发现，碳酸钙与黄土强度呈正相关，碳酸钙含量越大，黄土抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角越大。王绪民等[15]研究表明，盐酸溶液浸泡黄土后，土体力学特性的变化规律，发现黄土中的碳酸钙胶结物对黄土力学性状的影响很大。高明明等[16]通过室内直剪试验发现钙质结核含量对黄土的强度、变形等特性的影响很大。李艳霞[17]分析认为碳酸钙的含量及其赋存状态对黄土的剪切变形及强度有很大的影响，碳酸钙含量减少，试样的强度下降。还有研究人员对黄土中碳酸钙的分布形式也进行了详细研究[18-20]。

尽管前人已经探讨过碳酸钙含量变化对黄土力学性能的影响方面，但是未考虑基于压实度的改变，掺入不同含量的碳酸钙对黄土抗剪强度和湿陷性的综合影响。为此，通过不同压实度下不同碳酸钙掺量的黄土剪切试验和湿陷性试验，以期揭示碳酸钙在黄土力学中的作用机理，评估碳酸钙作为一种新型黄土地基改良材料的可行性，可为黄土地区工程建设“绿色环保”的新时代新型生产方式提供一定的理论支持。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验选用延安市洛川国家地质公园黄土塬顶2～3 m深度范围内的马兰黄土，具有代表性及可对比性。通过重型击实试验确定的0、5%、10%、20%和25%碳酸钙掺入量黄土的最大干密度分别为1.70、1.67、1.63、1.61、1.59 g/cm3，最优含水率分别为18.8%、20.6%、22.7%、23.9%和24.5%；黄土采用液塑限联合测定仪测定的塑限为18.1%，液限为27.5%。试验土样的粒径累积曲线如图1所示。试验选用天津市北辰方正试剂厂生产的白色结晶性碳酸钙粉末，表1为碳酸钙的基本性质，纯度大于99.0%，溶于酸，不溶于水。

图1 颗粒分布曲线

表1 碳酸钙的基本性质

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

考虑到黄土中含有一定量的碳酸钙，因此在进行试样制备之前采用酸处理法[21]先消除黄土中原有碳酸钙的影响。具体处理时参考文献[14]，用80%的冰乙酸配置pH=4.0的乙酸溶液浸泡黄土，然后用纯水淋滤酸处理后的黄土试样中乙酸溶液，完全烘干后按0、5%、10%、20%和25%的质量比将碳酸钙粉末掺入黄土中，充分搅拌均匀后再用小喷壶对混合样边喷纯水边搅拌，喷至最优含水率18.8%，将配好的土样放在保湿器中静置24 h以上，不同掺量碳酸钙和黄土拌和样根据实验计划分别制备成压实度为81%、87%和93%的压实试样。

1.2.2 直接剪切试验

直剪试验采用南京土壤仪器厂有限公司生产的ZJ型应变控制式四联直剪仪(图2)，试样的规格为Φ61.8 mm×20 mm，每一碳酸钙掺量和压实度下制备8个试样，共120个试样，分为两组进行剪切试验，取平均值以消除偶然误差。若两组试验结果相差超过5%则增加一组试验，直至连续两次试验结果误差在5%以内。剪切速率为0.8 mm/min，分别在100、200、300、400 kPa压力下进行。

图2 直接剪切试验试样与仪器

1.2.3 湿陷试验

采用南京土壤仪器厂有限公司生产的三联WG型单杆高压固结仪(图3)，进行碳酸钙改良黄土试样的双线法湿陷性试验，碳酸钙和黄土掺合试样的规格为Φ61.8 mm×20 mm，每一碳酸钙掺量和压实度下制备4个试样，共60个试样，分为两组进行湿陷性平行试验，试验结果的准确性控制方法具体参照直剪试验，湿陷加压等级分为9级，分别为12.5、25、50、100、200、300、400、600、800 kPa。在施加第一级垂直压力后每隔一小时测定一次试样的变形读数，直到试样变形趋于稳定后，再施加下一级垂直压力，试样湿陷稳定标准为连续两个小时的变形不大于1 mm。

图3 湿陷性试验试样与仪器

2 直接剪切试验

2.1 碳酸钙含量对改良黄土剪切强度的影响

取中间压实度87%，不同碳酸钙掺量改良黄土的试验数据绘制剪应力-剪切位移关系曲线(图4)。容易得知，当碳酸钙掺量超过10%后，剪应力出现明显的峰值，达峰值后土样被剪坏而导致剪应力降低，剪应力-剪切位移曲线呈应变软化型，但是残余强度较高；当碳酸钙掺量小于10%时，剪应力随剪切位移先线性增大后缓慢增长并趋于稳定，呈应变硬化型；压实度为81%、93%时的应力-应变曲线变化规律与压实度为87%时一致。表明不论上覆荷载大小，对改良黄土剪切强度的提升主要由碳酸钙的掺入量决定，掺入量越大改良黄土的剪应力越高，也就是说掺入碳酸钙可以显著增大黄土的峰值剪应力，提高土体的剪切强度，同时也使得黄土试样的脆性增大。

图4 剪应力-剪切位移关系曲线

2.2 压实度对不同碳酸钙含量改良黄土抗剪强度的影响

分别绘制不同压实度、不同碳酸钙掺量下改良黄土的抗剪强度-垂直压力关系曲线(图5)。不难发现，在相同压实度时，各级上覆荷载下改良黄土的抗剪强度均随着碳酸钙含量的增加而增大，碳酸钙掺量为25%时最大，但25%碳酸钙掺量时抗剪强度增长幅度较小；在相同碳酸钙掺量下，改良黄土的抗剪强度随压实度的增大而增大，93%压实度时抗剪强度最大。分析发现，相同压实度时，垂直压力越大，碳酸钙掺量对改良黄土抗剪强度的增强效应越明显。以压实度为87%试样为例，200 kPa垂直压力作用下，含25%碳酸钙试样的抗剪强度为118.8 kPa，较0、5%、10%和20%含量碳酸钙试样的抗剪强度67.6 kPa、76.5 kPa、90.7 kPa和113.5 kPa分别提高了75.7%、55.3%、31.0%和4.7%；在300 kPa垂直压力作用下，含25%碳酸钙含量试样的抗剪强度为147.3 kPa，较0、5%、10%和20%碳酸钙含量试样的抗剪强度89.6、98.8、114.4、141.5 kPa，分别提高了64.4%、49.1%、28.8%和4.1%。压实度为81%、93%与87%时的增强效应一致。

图5 抗剪强度-垂直压力曲线

2.3 碳酸钙含量对不同压实度改良黄土抗剪强度指标的影响

由2.1节和2.2节的分析已经明确，掺入碳酸钙改良黄土可以有效增大其抗剪强度，而且掺入量是最为决定性的因素，为了探讨碳酸钙掺入量提高黄土的抗剪强度的机理，又绘制了不同压实度、不同碳酸钙掺入量黄土的内摩擦角和黏聚力变化曲线(图6)。

图6 改良黄土黏聚力和内摩擦角随碳酸钙掺量的变化

分析图6发现，内摩擦角与碳酸钙的掺量呈正相关，81%、87%和93%压实度下内摩擦角随碳酸钙掺量的增加而不断增大。表明当改良黄土被压实到一定程度后，掺入碳酸钙可以有效增加黄土颗粒之间的摩擦；20%碳酸钙掺量、93%压实度下，改良黄土的黏聚力和内摩擦角均达到最大值，与不含碳酸钙的压实黄土相比，增大了近1倍。

分析认为，这种现象可以从掺入碳酸钙后改变土颗粒的排布方面进行解释：0碳酸钙掺量试样在外力作用下土颗粒容易发生滑移和旋转运动[图7(a)、图7(b)]，当向黄土中掺入碳酸钙后，土颗粒和碳酸钙颗粒咬合互锁，颗粒表面接触更为紧密，剪切运动需要克服颗粒间的嵌锁阻力，土颗粒在更大的法向作用力下发生破碎[图7(c)]；当碳酸钙掺量逐渐增加时，一方面颗粒咬合作用不断增大，土体变为密实结构，试样的脆性增大，试验抗剪强度指标值黏聚力也越大；另一方面，压实度增大也使得试样颗粒间的接触更为紧密、间距逐渐减小，同时使得试样在剪切过程中克服颗粒间的摩擦力做功增大，试样的抗剪强度指标内摩擦角也增大。

N为垂直压力，kPa；S为剪应力，kPa；F、Fr分别为垂直压力和剪应力的合力

3 湿陷试验

将3种压实度、不同碳酸钙掺入量的改良黄土湿陷系数与不同上覆荷载的数据整理，绘制了不同压实度时垂直压力与改良黄土的湿陷系数关系曲线(图8)，得出如下结论。

(1)低压实度81%时，随着垂直压力的增大改良黄土的湿陷系数会出现峰值，而且峰值均大于0.015，其对应的垂直压力大小与碳酸钙的掺入量正相关；但是碳酸钙的掺入会消除黄土的湿陷性，即使小掺入量(5%)改良黄土的湿陷系数也小于0.015；而且因碳酸钙的含量增加，试样的湿陷曲线整体右移，反映出碳酸钙掺入量的加大可以使得改良黄土的湿陷起始压力增大。

(2)中等压实度87%时，碳酸钙掺入量小于5%的改良黄土湿陷系数仍会随着垂直压力的增大出现峰值，其对应的垂直压力比压实度81%的同碳酸钙掺入量改良黄土的要大；碳酸钙掺入量大于10%后，基本不再出现湿陷系数峰值。

(3)高压实度93%时，各碳酸钙掺入量的改良黄土湿陷性基本全部消除，不再出现峰值。也就是说，掺入碳酸钙对黄土进行改良可以不同程度的消除黄土湿陷性，掺入量越大越利于消除湿陷性，但是湿陷性的消除程度与改良黄土的压实程度正相关，压实度越大越利于消除湿陷性，当碳酸钙掺入20%以上、压实度大于93%后，即使达到 800 kPa的上覆荷载黄土的湿陷系数远远小于0.015。

改良黄土压实度相同时，纺锤形的碳酸钙颗粒比黄土颗粒大，当碳酸钙掺入黄土中时，碳酸钙颗粒嵌入黄土颗粒中，破坏了黄土颗粒的原始结构，导致黄土颗粒的排列十分松散，分布不规则，结构不密实，孔隙之间多互相连通，孔隙空间大，颗粒间接触的主要方式为点接触，面接触较少[图9(a)、图9(b)]，从而导致最大湿陷系数随着碳酸钙含量的增加而增加；当碳酸钙含量增加到10%以上时，黄土颗粒填充于碳酸钙颗粒形成的孔隙中，碳酸钙充当主要骨架[图9(c)、图9(d)]，当垂直压力作用在试样时由碳酸钙骨架来承担，并且由于碳酸钙是一种难溶物质，常温下在水中不会大规模的溶解，较黄土颗粒原本的骨架结构强度增大，在相同工况下可承担更大的外力而不发生湿陷变形，这是掺入碳酸钙可以消除黄土湿陷性的内在机理。

图9 黄土颗粒与碳酸钙颗粒填充示意图

当然，相同碳酸钙掺入量改良黄土，因压实度的不同，黄土颗粒及碳酸钙颗粒的排列会有所不同。小压实度情况下，改良黄土粒间的接触方式仍与重塑黄土的相似，在遇水及荷载，点接触的颗粒相对位置改变而产生湿陷变形；而大压实度情况下，改良黄土粒间的接触以面接触为主，而且因大的压实作用使得粒间孔隙更小，遇水及荷载，颗粒间的位移及孔隙压缩空间都很有限，因而湿陷变形也非常小。这正是在大压实度93%时，各碳酸钙掺入量的改良黄土湿陷性基本全部消除的内在机理。

4 结论

通过直接剪切和湿陷性试验，研究了不同压实度下碳酸钙掺量变化对洛川黄土的抗剪强度和湿陷性的影响，得出以下主要结论。

(1)改良黄土试样的脆性随碳酸钙掺量增加而增大，当碳酸钙含量较低时，试样剪应力-剪切位移曲线为应变硬化型，碳酸钙掺量达到20%时，曲线为应变软化型。

(2)相同压实度时，掺入碳酸钙改良黄土的抗剪强度随着碳酸钙含量的增加而增大，碳酸钙掺量为25%时最大，但较20%增长幅度较小；当碳酸钙掺量相同时，压实度越高，改良黄土的抗剪强度越大，93%压实度时抗剪强度最大。

(3)掺入碳酸钙对黄土进行改良可以不同程度的消除黄土湿陷性，掺入量越大越利于消除湿陷性；但是湿陷性的消除程度与改良黄土的压实程度正相关，压实度越大越利于消除湿陷性，当碳酸钙掺入20%、压实度大于93%后，即使达到800 kPa的上覆荷载黄土的湿陷系数远远小于0.015，综合考虑实际工程应用中基于强度和成本等要求，建议使用碳酸钙改良黄土时的掺量为20%、工程压实度为93%。

(4)掺入碳酸钙结合不同压实度改良黄土，可以提高其抗剪强度也可以有效消除黄土的湿陷性，能作为一种有效的黄土改良材料。