石灰改良高液限土试验研究

吴英兰

(辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110006)

0 引言

高液限土作为一种液限高于50%的不良土[1],易发生工程地质灾害,并且这种危害会随着高温和降雨的循环作用反复出现[2]。又由于我国高液限土分布广泛,随意弃之,并不是最好的方法。因此,为保证能最大程度的利用高液限土,必须对高液限土进行改良。

目前,国内外学者常用化学方法对高液限土进行改良。杨元周等[3]将生石灰作为改良剂,研究发现生石灰对高液限土的CBR和回弹模量都有不同程度的提高,并且在加入生石灰后,干湿循环下高液限土的强度劣化也大大减小,生石灰最优掺量为3%。周源[4]以Na2SiO3溶液和硫酸铝作为改良剂,将二者进行复配,试验发现改良土的液限和塑性指数降低,在同等干湿次数下,改良土的抗剪强度以及黏聚力和内摩擦角均高于素土。郑德平[5]使用水泥和石灰作为改良剂,以掺量作为变量,研究发现改良后的高液限土击实曲线变得平缓,不会出现含水率稍微变化就出现干密度大幅降低的现象,并且两种改良材料均能改善高液限土的胀缩性和水稳性。

基于此,文章以沈阳某高速路段的高液限土作为研究对象,以石灰为改良剂,通过界限含水率试验、湿化崩解试验、无侧限抗压强度试验和扫描电镜试验,从宏观和微观两方面综合分析石灰对高液限土的改良效果,以期为实际工程提供参考。

1 试验简介

1.1 试验材料

试验高液限土取自沈阳某高速路段的右侧土坡上,取土深度约为2m,其基本物性特征如表1所示。试验结果显示该土液限>50%、塑性指数>26,属于典型的高液限土。

表1 高液限土物性指标

试验用改良剂生石灰呈粉末状,CaO含量>95%。

1.2 试验方法及方案

试验将生石灰的掺量作为唯一变量,其掺量选择为0、2%、4%、6%、8%,该掺量为石灰占干土质量。按照《土工试验方法标准》[1](GB/T 50123—2019)开展物理力学试验测试,其中液塑限试验用土选择过0.5mm筛的高液限土,无侧限抗压强度试验和湿化崩解试验选择过2mm筛的高液限土,含水率选择22%,压实度选择95%,无侧限抗压强度试验和湿化崩解试验试样尺寸均为3.91cm×8cm的圆柱样,养护时间选择28d。扫描电镜试验采用Flex1000进行改良高液限土土颗粒之间形貌、接触和孔隙等研究。具体试验方案如表2所示。

表2 试验方案

2 试验结果分析

2.1 石灰掺量对高液限土界限含水率的影响分析

界限含水率试验可以得到三个不同含水率下的锥入深度,将三个锥入深度及它们对应的含水率进行线性拟合,可以在拟合曲线上得到相应的液限、塑限,通过液限减去塑限可以得到塑性指数,故石灰改良高液限土的液塑限以及塑性指数变化如表3所示。

表3 石灰掺量对高液限土界限含水率试验的影响

由表3可知:(1)随着石灰掺量的增加,高液限土的塑限逐渐增加;(2)随着石灰掺量的增加,高液限土的液限逐渐降低;(3)由于液限逐渐降低,塑限逐渐升高,所以二者的差值也就是塑性指数逐渐减小。

为了更加直观地看出随着石灰掺量的增加液限和塑性指数的降幅以及塑限的增幅,以石灰掺量作为X轴,以液限、塑限和塑性指数作为Y轴,制作折线图,如图1所示。

图1 石灰改良高液限土液塑限变化图

由图1可知:

(1)当石灰掺量超过4%时,液限的降幅增大;当石灰掺量超过2%时,塑限的增幅变小,且后续掺量下的增幅都较为稳定;塑性指数在掺量为2%和4%降幅稍有降低,其余掺量下降幅都较大。

(2)当石灰掺量为6%,塑性指数16.58<26,高液限土的亲水性能已经大大减弱;当石灰掺量为8%,液限48.06%<50%,塑性指数12.19<26,此时该试验用土已经不属于高液限土的范畴。

分析以上试验结果,主要是由于石灰加入高液限土中会释放出大量的Ca2+,高价的钙离子会发生离子交换作用,将土颗粒之间低价的阳离子置换出来,高价的钙离子与土颗粒表面的负电荷相互吸引靠近,减小了土颗粒之间双电层厚度,也就是结合水膜厚度,故最终使得高液限土的亲水性大大降低。

2.2 石灰掺量对高液限土崩解量的影响分析

将3.91cm×8cm的圆柱样放入水中,记录不同时刻的剩余质量,可以得到该时刻的崩解量,由此可以作为不同掺量下石灰改良高液限土的评价指标,不同掺量下高液限土的崩解量如图2所示。

图2 石灰改良高液限土崩解量变化图

由图2可知:(1)没有加入石灰的素土崩解极快,几分钟内就完全崩解,水质呈浑浊的褐色;(2)当石灰掺量为2%时,高液限土的崩解依旧是100%,但是完全崩解的时间超过1h,说明低石灰掺量下,石灰依旧会对高液限土起到改良作用,但是由于掺量较小,石灰与土颗粒反应生成的胶凝产物不够多;(3)当石灰掺量≥4%开始,改良高液限土的崩解量在12h均达到100%,随着掺量的增加,最终崩解率依次为60.26%、30.56%和17.32%,说明随着石灰掺量的增加,石灰在土颗粒之间生成的胶凝产物越来越多,大大提高了高液限土的水稳定性;(4)无论素土还是石灰改良土其崩解曲线均经历先迅速增大,崩解斜率快速提高,然后斜率逐渐减小,最终崩解趋于稳定的走势。

2.3 石灰掺量对高液限土无侧限抗压强度的影响分析

无侧限抗压强度试验可以得到土样的抗压强度以及达到峰值抗压强度时的应变,故将石灰改良高液限土的峰值抗压强度即无侧限抗压强度和到达该强度时的应变进行汇总,如表4所示。

表4 石灰改良高液限土无侧限抗压强度试验数据汇总

由表4可知:(1)随着石灰掺量的增加,高液限土的无侧限抗压强度呈现持续递增的规律,而达到无侧限抗压强度时的应变则呈现出持续递减的规律;(2)在未加入石灰时,素高液限土表现出低强度、高应变特征,说明素土有较好的抗变形能力和较好的塑性。当石灰加入高液限土中后,高液限土呈现出高强度、低应变的特征,说明改良土抗变形能力降低,破坏偏向于脆性;(3)当石灰掺量为4%时,高液限土无侧限抗压强度的增幅最大,后续增幅开始慢慢降低,当掺量达到8%时,增幅仅有58kPa,主要原因是过多的石灰不参与胶凝物质的生成,并且会在土颗粒之间形成阻隔,从而影响土颗粒之间的胶结。

2.4 石灰掺量对高液限土微观结构的影响

由SEM试验得到的石灰改良高液限土微观结构如图3所示。

图3 石灰改良高液限土微观结构汇总

由图3可知:(1)素土和石灰掺量2%改良土微观结构均呈现蜂窝状,土颗粒之间能看到明显的大孔隙,整体性不好,但是相较于素土,石灰掺量2%的改良土孔隙较少;(2)当石灰掺量≥4%时,土颗粒之间的孔隙被大量胶凝产物填充,大孔隙大量减少,微小孔隙增多,土样表现出良好的完整性,并且土颗粒之间从点-点接触变成了面-面接触。

3 结论

通过对沈阳某高速路段的高液限土进行物理、力学和微观试验,研究了石灰对高液限土的改良效果,得到以下结论:

(1)石灰能够降低高液限土的液限以及显著降低塑性指数,对高液限土的亲水特性具有很强的削减作用。

(2)石灰会大幅提高高液限土的水稳定性,表现为崩解量大幅减少。

(3)石灰能够大幅提高高液限土的无侧限抗压强度,但是会增强高液限土的脆性,并且强度的增幅随着石灰掺量增加呈现出先增大后减小的规律。

(4)通过扫描电镜试验分析发现素土是由棱角明显的块状土颗粒组成的,整体性很差,经过石灰改良后的高液限土,土颗粒逐渐转化为胶体状,表现出很好的整体性。