改良碳酸盐渍土路基填料的力学性质

周纯秀，崔洪海，张中丽，迟公乐，陈 爽

(1.大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116026；2.辽宁省近海桥隧工程重点实验室(大连海事大学)，辽宁 大连 116026；3.吉林省交通规划设计院，长春 130021)

盐渍土指的是盐土和碱土的统称。公路工程中将地表以下1 m深度范围内的土层，当其易溶盐的平均含量大于0.3%，具有溶陷、盐胀等特性时，判定为盐渍土[1]。近年来，由于气候、水文、地质、地貌和认为活动等因素影响，使得吉林省西部地区盐渍土的分布不断扩大，大大制约着工程基础设施的建设。由于该地区盐渍土阴离子以HCO3-占主导地位，阳离子以Na+为主，即易溶盐中主要为碳酸氢钠，从而使得该地区公路发生盐胀、溶蚀、路面翻浆、边坡流失和腐蚀等现象。因此，采用合理的碳酸盐渍土改良措施尤为重要。

针对于碳酸盐渍土主要集中在盐渍土的影响因素及基本性质的研究，文献[8]认为土壤含盐量随深度增加呈现先增加后减小的趋势，土体膨胀量和抗剪强度都与碳酸盐渍土的含盐量有密切关系；文献[9]通过对碳酸盐渍土物理力学性质和含盐特征进行试验研究，发现碳酸盐渍土在潮湿时的亲水性、塑性、膨胀性、压缩性都很大，稳定性差。而对于碳酸盐渍土工程性质的改良还存在很大的研究空间，有部分学者采用石灰改良剂来改善碳酸盐渍土的工程特性，其中文献[10-14]认为石灰改良剂可以有效提高盐渍土的抗剪强度和抗压强度，水稳定性增强，在冻融循环的条件下也能达到改善盐渍土工程性质的效果。本着工业废弃物合理利用的原则，对于吉林省西部地区不同土层的碳酸盐渍土，本文进行了不同配比的石灰、石灰和粉煤灰联合改良碳酸盐渍土的物理、强度试验，探讨了石灰、石灰和粉煤灰改良碳酸盐渍土的合理配比，研究了不同土层碳酸盐渍土改良后的物理、力学性能，从而为类似碳酸盐渍土用于公路路基填料提供技术参考。

1 试验材料性质及试验方案设计

1.1 试验土样性质

试验用土取自吉林省西部地区，为更好地进行不同土层土样的研究，在取土过程中采用分层取土的方式，对K59+920路段的不同土层进行了一定的试验研究。但由于土样未能及时封存，使得试验中的土样均为重塑土。盐渍土的基本性质见表1。结合土的颗粒成分分类，该碳酸盐渍土主要为粉质黏土，含盐量(质量分数)大于0.3%，其中粉粒含量越多毛细作用越强，土体的冻胀性也越强，从而不利于道路工程的应用。

表1 盐渍土的基本性质

1.2 改良材料的基本性质

改良材料选取石灰和粉煤灰两种无机材料。石灰是普遍的筑路材料，选自常见的生石灰，主要化学组成为氧化钙，接触到水时产生水解作用，形成的水解产物为氢氧化钙，同时放出较多的热。试验所用粉煤灰的主要化学成分有SiO2、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3，其各化学成分含量分别在1.30%～65.80%、1.40%～16.80%、1.20%～3.70%、1.60%～6.20%、1.50%～40.10%之间，烧失量在1.60%～30.00%之间。

1.3 试验方案及样品制备

采用石灰、石灰+粉煤灰(简称二灰)两种方案固化盐渍土，因此在0～30 cm、30～80 cm、80～140 cm 3个土层中，单掺加石灰改良剂时，石灰掺量分别设为5%、9%、13%、17%；双掺加石灰+粉煤灰(简称二灰)改良剂时，根据JTJ034—2000《公路路面基层施工技术规范》，采用石灰与粉煤灰复合改良粉土类土质时石灰与粉煤灰的掺合比确定为1∶2，二灰掺量分别设为3%、8%、13%、18%，本文采用了高掺量的同时改良剂采用外掺的形式进行添加，以研究碳酸盐渍土在石灰和二灰掺量高的情况下物理力学性能变化情况，并得到石灰和二灰的最佳掺量值。通过界限含水率试验得到碳酸盐渍土改良后的液塑限指标，在此基础上制备击实试验所需的试样，在得到改良后的击实试验指标后，为研究改良后碳酸盐渍土的强度变化，按照混合料的最优含水率和最大干密度制样。

试样制备以二灰土为例先称量600 g盐渍土、一定比例石灰、粉煤灰和水，先将石灰与粉煤灰放入拌合盆内顺时针搅拌2 min使其均均分布。随后加入盐渍土中顺时针拌合3 min使盐渍土与石灰粉煤灰拌合均匀，最后将称量好的蒸馏水加入混合料中顺时针拌合5 min直到拌合盆底不在有干土粒为止，拌和均匀后放置密封袋内静置24 h，第2天再进行试样的制备。此方法可以使试件中的水分均匀分布并充分与固化材料接触反应。液塑限试验中制备含水率不同的3个试样，每个试样的含水率要分别控制在液限、略大于塑限和二者的中间状态，圆锥仪采用的质量为100 g。击实试验中采用干土法制备含水率不同的5个试样，根据路基工程要求选择重型击实试验方法。三轴试验中试件为圆柱体，直径为39.1 mm，高为80 mm，按照压实度在96%以上进行制样，试样用密封薄膜包裹在标准条件下进行养护，利用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切试验仪分别测定7 d和28 d龄期各组试样的抗剪强度指标。

2 改良盐渍土的工程特性分析

2.1 界限含水率指标变化

土的界限含水率是土体颗粒特性的宏观表现，土体颗粒的界限含水率受粒度成分、矿物成分等因素影响。因此可通过研究不同改良剂掺量下界限含水率的变化规律，以便于更深入地了解改良土的改良机制。通过实验发现掺入石灰和二灰后，土的塑性指标变化明显，不同土层盐渍土改良后的界限含水率变化见表2和表3。

表2 石灰改良土的界限含水率指标变化

表3 二灰改良土的界限含水率指标变化

两种改良土的界限含水率相较素土有一定的变化，可以看出：1)石灰改良土和二灰改良土中，液限在第二、第三土层波动幅度不大，在第一土层中液限下降幅度较大；2)整体看来，塑限随着石灰和二灰掺入比的增大而升高，塑性指数则随着石灰和二灰掺入比的增加逐渐降低，二者呈现相反的趋势。

研究表明，不同土层下改良盐渍土的界限含水率变化不同，是由于吉林省西部地区在不同季节、不同深度土层盐分含量不同，钠离子含量、土分散性及黏粒含量不同[15]，使得改良盐渍土的界限含水率在不同土层有所差别，由于第一土层含盐量和黏粒含量较高，导致石灰与二灰改良土的土体颗粒表面亲水基活性下降。随着改良剂掺量的增加，由于改良剂与土体颗粒发生化学反应导致土粒比表面积减小，但土体此时毛细现象仍然比较明显，加之土体与改良剂发生化学反应增强了毛细水弯液面力和土粒表面张力，在其作用下使得土体凝聚，从而表现出一种潜在的塑性特征[16]。

2.2 改良盐渍土击实特性分析

明确改良盐渍土的击实特性，为公路路基施工提供合理的技术指标，也更好地为抗剪强度试验提供准确的试验标准数据，结合界限含水率试验得到的界限含水率指标对K59+920路段的不同土层和不同配比情况下的改良盐渍土开展重型击实试验，试验结果如图1所示。

通过分析图1改良土最优含水率和最大干密度的变化趋势可知：1)随着石灰掺量的增加，盐渍土样变得不容易被击实，最大干密度呈现明显的下降趋势，达到最大干密度的含水量则逐渐增大。研究[16]表明，相较于土颗粒，石灰颗粒对水分子具有更强的吸附作用，盐渍土掺加石灰改良剂后，一部分自由水转变为结合水，为提高石灰改良土的可压实性，此时需要大量的自由水起到润滑的作用，因此石灰掺加量增大使得最优含水率增大；石灰掺入盐渍土中，土颗粒凝聚为团粒结构，石灰改良土团粒结构的可压实性变差，最大干密度随着石灰掺加量的增大会减小。2)随着石灰+粉煤灰掺加量的不断增大，盐渍土的最大干密度逐渐减小，击实后改良盐渍土的最优含水率明显增大。通过分析二灰改良土的击实变化趋势可知，一方面石灰、粉煤灰颗粒对水分子具有明显的吸附作用，另一方面石灰和粉煤灰发生化学反应时需要充足的水分，从而使其最优含水率增大。由于石灰+粉煤灰掺加量的提高，在石灰水化反应生成的碱性环境中，粉煤灰受碱性激发其活性明显增强，生成大量的胶凝性产物，使得土体结构发生明显变化，二灰改良土的可压实性降低，最大干密度随着石灰+粉煤灰掺量的增加不断减小。

(a) 石灰土最佳含水率

(c)二灰最佳含水率

(b) 石灰土最大干密度

(d)二灰最大干密度

3 改良盐渍土的强度特征

3.1 改良盐渍土不同围压下的应力-应变关系

在上述试验的基础上，选取盐渍土含量较高的0～30 cm土层，养护龄期为28 d，具有代表性的石灰掺量为5%和二灰掺量为13%的改良土应力-应变曲线，如图2所示。分析图2可知，图2(a)原样土为显著的塑性破坏，呈应变硬化型。图2(b)、2(c)中改良土的破坏形式随着掺加剂的加入由塑性破坏向脆性破坏转化，应力-应变形式为应变软化型[17]。对于应变软化型土，围压越小，峰值越小且越明显，由于在围压较低时土样的侧向压力较小，当土样破坏后在继续增加的轴向压力下会产生侧向膨胀。

石灰改良土和二灰改良土的极限强度如图3所示，对于改良剂掺量的增加，改良土的极限强度也出现不同的变化，并不是掺量越高极限强度越高，路基填土中应选取最合适的改良剂掺量。图3(b)中二灰改良土相较于石灰改良土极限强度较高一些，说明二灰改良土中石灰对粉煤灰的活性激发更显著，石灰和粉煤灰与盐渍土生成的固化胶结物大大增加，形成的交织骨架更明显，其对土颗粒产生的空间约束力越强，改良效果越明显。

(a) 原样土

(b) 5%石灰改良土

(c) 13%二灰改良土

不同围压下各掺量改良土的极限强度变化如图3所示。由图3可知，随着围压的增大，图2(a)原样土的极限强度逐渐增加，但增长速度远小于图2(b)、2(c)改良土的增长速度，此时极限强度需要在更大的轴向变形下达到最大值。图2(a)原样土的偏应力均在0～5%的轴向应变下迅速增长，这一阶段本文称压密阶段，而后缓慢增长。图2(b)、2(c)的改良土偏应力均在0～3%的轴向应变下迅速增长，而后缓慢增长。相比于原样土，掺加改良剂后土样的压密阶段缩短，使得土样达到强度极限时产生的应变减小，盐渍土的结构性变强，抗变形性能增强[18]。

(b) 二灰改良土

3.2 改良盐渍土的抗剪强度指标分析

改良后盐渍土的内摩擦角和黏聚力随着掺量增加的变化如图4所示，图中也表示出随着龄期增长，内摩擦角和黏聚力的变化。分析抗剪指标的变化趋势可知：1)石灰改良土中，随着掺灰量的增加内摩擦角先增大后减小，峰值点位于石灰掺量为5%时，而石灰掺量过高时又有所上升，但远小于5%石灰掺量；2)二灰改良土中，随着掺灰量的增加，内摩擦角逐渐增大，但掺灰量过高时，增长速率变得缓慢；3)随着龄期的增长，石灰改良土的内摩擦角有所下降，但二灰改良土的内摩擦角随着龄期的增长而增长。

(a) 石灰改良土

(b) 二灰改良土

分析图5改良土的黏聚力变化趋势可知：1)石灰改良土中，随着掺灰量的增加黏聚力先增大后减小，峰值点位于石灰掺量为5%时，而石灰掺量过高时又有所上升，但远小于5%石灰掺量时；2)二灰改良土中，随着掺灰量的增加，黏聚力先增大后减小，0～30 cm土层黏聚力峰值点位于二灰掺量为13%时，30～80 cm和80～140 cm土层黏聚力峰值点在二灰掺量为8%时，不同土层的含盐量不同，针对不同土层的土，需要采用合理的二灰掺量进行路基填筑；3)随着龄期的增长，石灰改良土和二灰改良土的黏聚力都呈现增大的现象，且二者黏聚力的提升相差不大。

(a) 石灰改良土

(b) 二灰改良土

究其原因，文献[13]认为石灰的掺入使得产生一定的胶体包裹土颗粒，从而形成更大粒径的团粒，土颗粒之间的粗糙程度加大，内摩擦角逐渐增大。石灰掺量为17%时，内摩擦角虽略有上升，但相较于5%石灰掺量仍有减小，这是因为多余的石灰颗粒会填充在土颗粒间的空隙里，从而减小摩擦，使得内摩擦角减小。黏聚力也因为石灰仅填充在土颗粒中无法起到改良的作用，使得其呈下降趋势。随着龄期的增长，前期改良土中离子交换作用完成后，后期的硬化作用和碳化作用比较缓慢，加之土体中的易溶盐溶解在水中，使得土中颗粒物减少，土颗粒表面摩擦力减小，内摩擦角也随之变小。但由于胶体的生成使得土颗粒更加牢固地连结在一起，使得黏聚力增加，抗剪强度提高。文献[19]研究表明二灰改良土中，随着龄期的增长，碱性环境中粉煤灰玻璃体与可溶性溶液发生硅酸化反应，称为硅酸盐和硅酸盐晶体，这些结晶体形成了二灰改良盐渍土中的网状骨架结构，土体结构紧密，其摩擦角越大，二灰改良土随龄期的增加结晶凝胶体逐渐脱水而形成固体板结，黏聚力增加从而提高了改良土的强度。

4 改良盐渍土的压缩特性

分析图6改良盐渍土的压缩系数的变化趋势可知：1)石灰改良土和二灰改良土均由中压缩性土转为低压缩性土，即土的压缩性降低，压缩效果得到了很好的改善；2)石灰掺量在5%时，压缩系数最低，二灰改良土由于不同土层含盐量的不同，使得0～30 cm土层中掺量为13%时，30～80 cm与80～140 cm土层中掺量为8%时压缩系数最低；3)改良剂一定的情况下，随着养护龄期的增加，改良盐渍土的压缩系数大大减小。

(a)石灰改良土

(b) 二灰改良土

由于改良剂与土颗粒之间发生一系列的反应[20]，生成的胶结物包裹着土颗粒，使得颗粒之间聚拢、镶嵌幅度增大，造成大孔隙逐渐被分裂，形成数量较多的小孔隙，排列更加紧密，土体也变得更加密实，从而使得土体压缩性降低。但改良剂掺量过高时，改良土的变形量会有所增加，因为当改良剂含量过多时，石灰、石灰+粉煤灰不会参与反应，反而自身产生结晶体，由于这些结晶体的孔隙较大，所以使得改良土极易产生压缩变形，故在实际使用过程中应采用合理的改良剂掺量；在改良剂一定的情况下，随着养护龄期的增加，改良盐渍土的变形量大大减小。随着龄期增加，改良剂与土颗粒中的物质反应逐渐充分，生成的胶结物逐渐由凝胶状态转向晶体状态，使得改良土体内部的孔隙减小，压缩量降低，石灰+粉煤灰改良后土体的压缩性能达到石灰改良土的良好压缩性能，说明粉煤灰的掺入对改良盐渍土的压缩性起到了一定的作用。

5 结 论

1)改良后的碳酸盐渍土界限含水率指标符合路基设计规范的要求，其最优含水率逐渐增大且变化明显，石灰土最优含水率最大增幅为24.01%，二灰土最优含水率增幅为20.81%，最大干密度变化逐渐减小，石灰土最大干密度下降了13.40%，二灰土最大干密度下降了7.22%。改良碳酸盐渍土由塑性破坏转向脆性破坏，伴随着围压增大，其极限破坏强度不断增大，相较于原土，石灰土极限强度增幅7倍而二灰土极限强度增幅7.6倍。说明在实际施工过程中不能盲目地增大改良剂掺量，合理的改良剂掺量使得改良盐渍土的结构性变强，抗变形性能增强，极限强度达到最大，工程使用效果明显提高。

2)在使用石灰改良土时，任意土层均在石灰掺量5%时，抗剪强度、黏聚力得到大幅提升，因此单掺石灰时最优掺量为5%。使用二灰土时二灰掺量在第一土层为13%，在第二、第三土层为8%时，改良土的抗剪强度较原样土有很大提升，随着龄期的增长，抗剪强度也不断提高，说明石灰和二灰作为改良剂能很好地改善盐渍土的强度。二灰改良土与石灰改良土抗剪强度相差较小，合理运用粉煤灰改良盐渍土，在工程中可以起到经济环保的作用。二灰改良土在不同土层所需剂量也不同，说明不同土层含盐量对改良剂的掺量有一定影响，在路基填筑时需要合理使用。

3)改良碳酸盐渍土随着养护龄期的增加压缩性降低，石灰土最大下降82.6%，二灰土最大下降66.1%，当使用最优掺量时改良土均为低压缩性土。合理的改良剂掺量使得改良土压缩性达到最优，有利于减小由于土体压缩变形引起的路基沉降。

4)石灰改良土与二灰改良土的强度形成机理具有相同之处，主要依靠改良后土颗粒团聚形成大团粒起到骨架作用和石灰粉煤灰产生胶凝性水化产物起到填充作用。其中粉煤灰含有充足的活性物质即SiO2与Al2O3，在石灰碱激发作用下生成大量的水化硅酸钙与水化铝酸钙，从而具有较高的强度与稳定性。与石灰土相比，二灰土的强度形成更多依赖于火山灰反应。粉煤灰表面能很低，难溶于水导致二灰土的强度在前期不高，但随着养护龄期的增加二灰土强度的增幅不断增大。