石灰改良膨胀土压缩特性及力学特性研究

2023-01-11龚锦林柳厚祥王真

交通科学与工程 2022年4期

龚锦林，柳厚祥，王真

（1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南长沙 410000；2.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114）

膨胀土广泛分布于中国南方地区，因其黏土矿物含量高、干缩湿涨性大［1-2］，在降雨及蒸发作用下极易导致路堤发生开裂、垮塌等灾害，影响道路安全运营，危及这些地区人们的生命财产安全［3-5］。

为减少膨胀土不良特性对道路路堤的影响，在工程中常采用化学改良的方法对其进行改性，以达到高速公路运营要求［6-7］。SECO等人［8］利用粉煤灰对膨胀土进行改良，发现其可有效提高膨胀土力学强度。DU等人［9］利用水泥改性膨胀土，研究了水泥改良膨胀土的微观机理，建立了水泥改良膨胀土的不同层间阳离子与表面电荷的分子模型。张明敏［10］研究了不同干湿循环次数对改良膨胀土无侧限抗压强度、黏聚力及内摩擦角等的影响。孙健峰等人［11］探讨了最佳石灰掺量、最佳掺水量和聚苯乙烯泡沫颗粒（expanded polystyrene，简称为EPS）掺量对复合改良土膨胀性的影响规律。王东星等人［12］通过无侧限抗压强度、动回弹模量、核磁共振及扫描电镜等试验，分析了在干湿-冻融循环作用下，水泥改性膨胀土的强度特性与微观结构随初始含水率、水泥掺量、干湿循环和冻融循环次数的变化规律。符策岭等人［13］通过石灰改良膨胀土在不同石灰掺量和养护龄期下的膨胀率、击实、直剪及干湿循环试验，获得了其力学性能和水稳定性等物理性能指标的变化规律。高晓波等人［14］研究了石灰掺量、压实系数及养护龄期对改良土无侧限抗压强度的影响，并通过灰色关联度分析法探讨了改良土无侧限抗压强度的主要影响因素。这些研究成果主要集中在由粉煤灰、石灰和水泥等材料改良过的膨胀土的强度、变形、压缩、路基的压实和承载力等方面［15-18］，但对石灰改良膨胀土水稳定性的研究较少，也未建立改良剂掺量与改良膨胀土力学特性之间的函数模型。因此，作者拟通过对不同石灰掺量和养护时间的石灰改良膨胀土进行压缩试验、无侧限抗压试验及直剪试验，研究改良膨胀土的压缩性能、无侧限抗压强度及抗剪强度参数的变化规律，建立石灰掺量与改良膨胀土的压缩性能、无侧限抗压强度及抗剪强度参数之间的函数关系，为石灰改良膨胀土工程应用提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验所用膨胀土均取自广西百色市郊区，颜色为棕黄色，裂隙发育。烘干取回的膨胀土，碾碎，过2 mm筛。依据《公路土工试验规程》（JTG343—2020）对其进行筛分试验，测量膨胀土试样的主要物理指标结果见表1。由表1可知，该膨胀土属于弱膨胀土。本试验所用石灰为成都隆峰建材有限公司生产的优质石灰，其主要含73.4%的CaO、8.5%的MgO及少量SiO2，烧失量为25.1%。

表1 膨胀土的基本特性Table 1 Basic properties of expansive soil

1.2 试验方法

分别将0、2%、4%、6%、8%的石灰与膨胀土混合后，将其配置成含水率为18.3%的改良膨胀土，密封养护24 h后，采用静压法制备Φ61.8 mm×20 mm的环刀试样及Φ50 mm×100 mm圆柱形试样，试样干密度为1.69 g/cm3。将制备好的石灰改良膨胀土试样置于湿度为95%±3%，温度为20±1℃的室内分别养护1、3、7、14和28 d后，再进行压缩试验、无侧限抗压强度试验及直剪试验，测量改良膨胀土在不同养护时间的压缩系数、无侧限抗压强度和抗剪强度参数，具体试验方案见表2。其中，压缩试验利用GJZ单杠杆式三联中压固结仪进行，试验过程中竖向荷载分别按照25、50、100、200、400和800 kPa的进行递增加载，每级加载时间为24 h。

表2 试验方案Table 2 Test scheme

2 试验结果与分析

2.1 改良膨胀土压缩特性

石灰改良膨胀土压缩系数随石灰掺量的变化曲线如图1所示。从图1可以看出，在同一养护时间内，随着石灰掺量的增加，石灰改良膨胀土的压缩系数显著减小，最终趋于稳定。以养护时间1 d为例，未添加石灰时，膨胀土的压缩系数为0.25 MPa。当石灰掺量为2%时，其压缩系数为0.18 MPa，减小幅度为28%。当石灰掺量超过6%时，其压缩系数减小趋势变得平缓，这是因为石灰掺量的增加导致改良膨胀土的微观孔隙减小，使改良改良膨胀土难以压缩，造成其压缩系数减小。随着养护时间的持续增长，改良膨胀土的石灰发生絮凝反应，进一步缩小其内部微观孔隙，导致其压缩系数迅速减小。当石灰掺量为2%，改良膨胀土的养护时间分别为1、3、7、14和28 d时，石灰改良膨胀土的压缩系数分别为0.18、0.16、0.14、0.12和0.11 MPa。当石灰掺量为6%，改良膨胀土的养护时间分别为1、3、7、14和28 d时，压缩系数分别为0.12、0.1、0.07、0.06和0.05 MPa。这表明：随着养护龄期的增加，改良膨胀土压缩系数迅速减小，最后趋于稳定。这主要原因是养护初期石灰与水反应迅速生成絮凝产物，填充孔隙，从而导致其压缩系数迅速减小，后期石灰反应完全，絮凝产物生成量减小［15］，改良膨胀土后期压缩系数趋于稳定。

图1 压缩系数指数模型拟合曲线Fig.1 Fitting curve of exponential model of compressioncoefficient

从图1还可以看出，不同石灰掺量对石灰改良膨胀土压缩系数的变化规律符合指数函数，其表达式为：

式中：α为改良膨胀土压缩系数，MPa；x为石灰掺量，%；A、B、C均为拟合参数。不同养护时间可得到5种不同的拟合结果。

①当养护时间为1 d时，拟合表达式为：

②养护为3 d时，拟合表达式为：

③养护时间为7 d时，拟合表达式为：

④养护时间为14 d时，拟合表达式为：

⑤养护时间为28 d时，拟合表达式为：

式中：R2为均方误差。

2.2 改良膨胀土无侧限抗压强度

改良膨胀土无侧限抗压强度与石灰掺量的关系如图2所示。从图2可以看出，当养护时间一定时，随着石灰掺量的增加，改良膨胀土的无侧限抗压强度呈先快速增长后趋于稳定趋势，其增长幅度随石灰掺量的增加而逐渐减小。以养护时间为1 d的改良膨胀土为例，未掺入石灰时膨胀土的无侧限抗压强度为227.8 kPa，当石灰掺量为2%时，无侧限抗压强度为539.7 kPa。增长幅度达136.9%。当石灰掺量分别为4%、6%和8%时，无侧限抗压强度分别为746.6、924.4和1 059.2 kPa，增幅分别为227.7%、305.8%和365.0%。当石灰掺量一定时，在养护初期的改良膨胀土的无侧限抗压强度急剧增长，随着养护时间的延长，强度增长趋缓。当石灰掺量为4%时，改良膨胀土在养护时间分别为1、3、7、14和28 d时，无侧限抗压强度分别为746.6、857.2、968.5、1 027.6和1 075.2 kPa。将改良膨胀土的无侧限抗压强度和石灰掺量进行拟合，两者之间符合指数函数，其表达式为：

图2 改良膨胀土无侧限抗压强度随石灰掺量变化规律Fig.2 Variation of unconfined compressive strength of modified expansive soil with the amount of lime admixture

式中：F为改良膨胀土无侧限抗压强度，MPa；x为石灰掺量，%；A、B、C均为拟合系数。

在5种不同养护龄期下，可得到5种不同的拟合函数。

1）当养护时间为1 d时，拟合表达式为：

2）当养护时间为3 d时，拟合表达式：

3）当养护时间为7 d时，拟合表达式为：

4）当养护时间为14 d时，拟合表达式为：

5）当养护时间为28 d时，拟合表达式为：

式中：R2为均方误差。

从式（8）～（12）可知，随着养护时间的持续增长，拟合系数A、B均随之先减小后增大，而系数C随养护时间的增长一直减小。

2.3 改良膨胀土抗剪强度

改良膨胀土的抗剪强度参数随石灰掺量的变化规律，如图3所示。从图3（a）可以看出，在不同养护期内，改良膨胀土黏聚力c均随着石灰掺量的增长而快速增长。养护时间为1 d时，未掺入石灰的膨胀土的黏聚力仅为27.8 kPa，石灰掺量分别为2%、4%、6%和8%的石灰改良膨胀土，其黏聚力分别为39.7、46.6、54.4和59.2 kPa，增幅分别为42.8%、67.6%、95.7%和112.9%。这主要原因是养护时间为1 d时，石灰絮凝程度较小，主要起填充孔隙及增强颗粒间黏聚的作用。当养护时间延长后，石灰絮凝产物逐渐增多，改良膨胀土的黏聚力快速增长，而随着养护时间的持续，石灰逐渐完全絮凝，导致产生的絮凝产物含量不再增加，从而使其黏聚力增长幅度逐渐减小。从图3（b）还可以看出，随着石灰含量的增长，其内摩擦角开始快速增长，后趋于稳定，这主要是由于掺入石灰后，石灰细度较小，黏聚力较大且逐渐与水发生反应，从而使膨胀土颗粒发生聚集，形成大颗粒，增加了颗粒间滚动的难度，从而使其内摩擦角增大。随着石灰掺量持续增长，其内部絮凝程度逐渐变缓，从而导致其内摩擦角增长速率变缓，与文献［14，16］结论一致。