石灰掺量对分散性土工程性质的时效影响分析

田维恒, 王宁远, 杨海华, 何建新*

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院, 乌鲁木齐 830052; 2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室, 乌鲁木齐 830052;3.中国水电建设集团十五工程局有限公司, 西安 710016)

20世纪中叶,澳大利亚人发现了分散性土的存在,随着分散性土应用于水利工程中,并对水利枢纽造成破坏后,美国工程师便开始对其研究[1],而中国对分散性土的发现与研究则相对较晚[2]。分散性土分布范围广,在黑龙江、吉林、浙江、山东、江苏等省都有发现。分散性土是指土颗粒在水中悬浮絮凝,容易被雨水或渗流冲蚀带走的水敏性特殊土[3],其不良工程特性表现为抗冲蚀能力低、渗透稳定性差、易发生管涌、流土、冲沟等破坏,在水利工程中需要对分散性土进行改性,才能投入使用。石灰具有经济、易获取、施工方便、施工工艺较完善等优点,工程中多采用石灰作为改性剂,但石灰掺入土中会发生离子交换、结晶、碳酸化等一系列反应[4-5],改性土的物理及力学性能将发生改变,从而对改性土填筑心墙坝的防渗和变形产生影响。开展石灰改性分散性土后期力学性能变化规律研究对分散性土投入水利工程中使用具有重大意义。

目前,分散性土主要采用石灰[6-8]、粉煤灰[9]、纳米土[10]、木质素[11]等改性剂来抑制其分散性,效果俱佳。刘国梁[12]研究发现,对加入石灰复合改性剂的分散性土龄期超过7 d以上,改性效果更好,无侧限抗压强度随石灰掺量增加而增大。刘杰等[13]对分散性土用石灰改性,结果表明,掺量对分散性和抗剪强度影响较大。姬胜戈等[11]用木质素改善分散性土,得到随木质素和龄期增加改性效果越好,无侧限抗压强度越大。高梦娜等[14]研究表明,石灰提高了黄土无侧限抗压强度,石灰掺量越多强度越高,而龄期对强度的影响小。张豫川等[15]对黄土用石灰改善,结果表明,短期内石灰改性土的抗剪强度提升快,长龄期下改性土样的渗透系数变化幅度大(从10-6减小到10-7数量级)。葛菲等[16]通过直剪试验发现,养护龄期越长,改良黄土的抗剪强度越高,变形能力变弱,硅微粉掺量为10%,改良土强度明显增大。康靖宇等[17]利用水玻璃改善了膨胀土的胀缩性,并对龄期28 d不同水玻璃掺量的改性土进行直剪试验,试验结果表明加入水玻璃改良后膨胀土的强度明显提高,黏聚力随掺量增加呈线性增长。尚高鹏等[18]用纤维聚合物改良粉土易液化的性质,对不同纤维含量和不同龄期的改性土进行无侧限抗压强度试验,结果表明,纤维聚合物能提高粉土强度。李敏等[19]通过石灰复合改性剂对盐渍土进行改性,提高了盐渍土的强度,结合抗压和抗剪强度试验,得到石灰改性剂的最佳掺量。佟利辉等[20]对盐渍土加入石灰开展无侧限抗压强度试验,结果表明,石灰改善了盐渍土的强度和抗变形性能,随龄期增加盐渍土改善更好。陈学军等[21]研究发现,木质素可以提高红黏土的无侧限抗压强度,随木质素掺量和龄期增加改性红黏土的无侧限抗压强度增大。肖庆一等[22]对红黏土加入石灰改性,发现改性土的、压实特性和收缩性均得到改善,强度随龄期和掺量的增加而增大。

前人针对黄土、膨胀土、盐渍土等特殊土开展了改性后的力学性能研究,得到在不同改性剂掺量、龄期下的力学性能变化规律,确定了合理的改性剂掺量,为工程建设中使用黄土等特殊土提供了理论依据。当分散性土用于高坝心墙填筑时,其水敏性特点不利于大坝防渗,故需对分散性土改性,目前对分散性土的改性和分散机理研究较多,而对分散性土改性后的力学研究较少,部分学者仅在单一条件下研究了改性剂掺量对分散性土强度的影响[12-13],而改性土的变形、强度、压实性等性能还随龄期的增长而改变。鉴于此,对心墙分散性土填筑料加入石灰改性,通过室内试验,研究不同石灰掺量对分散性土击实性能的影响,并在不同龄期、不同石灰掺量条件下研究改性土的变形和强度的变化规律。研究成果可为实际工程中确定改善分散性土的合理石灰掺量和评价改性后心墙长期工作性能提供参考。

1 试验方案

1.1 试验土样

试验用土是新疆某工程大坝黏土心墙填筑料场4个钻孔下的混合土样,本次试验将未掺石灰的试验用土称为素土。对素土进行分散性判别试验,综合判定结果如表1所示,试验用土属分散性土。表2为分散性土的基本物理性质指标,为低液限粉土。通过室内击实试验,测得该土样的最优含水率为14.9%,最大干密度为1.78 g/cm3。

表1 分散性土的分散性综合判别Table 1 Comprehensive discrimination of dispersion soil

表2 分散性土的物理性质Table 2 Physical properties of dispersed soils

1.2 试验方案

1.2.1 改性试验

为得到石灰改性分散性土的最佳掺量,本试验对分散性土掺入1%、2%、3%、5%、10%的石灰进行针孔试验(试样尺寸直径为39.1 mm,高为50 mm)、碎块试验和双比重计试验,试验根据美国试验与材料协会的D4647-20、D4221-18、D6572-20标准进行判别,选出最佳改性掺量。

1.2.2 击实试验

本次击实试验选择7种石灰掺量(0.5%、1%、2%、3%、5%、7%、10%,即石灰质量与灰土总质量之比)。素土样用105 ℃的温度烘干,待土样冷却后与备好的石灰(比表面积越小越好)搅拌均匀,将石灰与土拌匀后再预加至需要含水拌匀装入密封袋静置24 h后采用轻型击实试验标准进行击实。

不同石灰掺量击实试验结果可为下一阶段试验提供数据基础和为大坝填筑提供质量控制指标。

1.2.3 压缩与直剪试验

根据改性土的击实试验结果,以最优含水率和最大干密度来制备不同石灰掺量(0、1%、2%、3%、5%、10%)的压缩与直剪试验土样,将成型的试样用保鲜膜包裹好放入密闭的容器里,再放入恒温箱中养护至需要的龄期(0、1、2、3、7、14、28 d),保证试样含水率变化不超过0.2%。试验方法按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行。

1.2.4 无侧限抗压强度试验

不同掺灰量(0、1%、2%、3%、5%和10%)的无侧限抗压强度试验土样制备同上,试样尺寸直径为39.1,高为80 mm,分6层击实成型。把击好成型的试样(每组3个)用保鲜膜包裹好放入密闭的容器里,再放入恒温箱中养护至需要的龄期(0、1、2、3、7、14、28 d。),养护温度(20±2) ℃。

2 试验结果与分析

2.1 掺量对土分散性的影响

由3种分散性判别试验结果可知,不同试验方法对改性土的结果鉴别存在差异,为保障工程长期安全运行,只要一种试验结果不符合标准则视为不合格。判别试验结果如表3所示,当石灰掺量为1%时,改性土针孔试验结果为过渡性土,碎块试验结果为分散性土,双比重计试验结果为过渡性土;石灰掺量为2%时,3种试验判别结果分别为非分散性土、过渡性土、过渡性土;当石灰掺量增加到3%后,3种分散性试验判别皆为非分散性土。由图1可知,1%掺量的石灰改性土其抗冲蚀能力明显比素土的抗冲蚀能力强;2%掺量的石灰改性土,针孔试验结果为非分散性土,从渗径破坏形状来看,2%掺量改性土的渗径形状与1%掺量改性土的渗径形状相比并未有较大的改变,但是两者水头高度不同,渗径大小却接近,显然2%掺量的改性土抗冲蚀效果要好很多,仍不满足工程安全需求;3%掺量的改性土,3种判别试验结果皆为非分散性土,渗流孔径几乎没有变化,说明3%的石灰掺量能完全抑制土的分散性,提高其抗冲蚀能力,满足工程要求,只考虑经济情况,3%的石灰掺量为最佳。

图1 针孔试验剖面图Fig.1 Profile of pinhole test

表3 分散性判别试验结果Table 3 Results of dispersion discrimination test

2.2 石灰掺量对击实性能影响

图2为不同石灰掺量改性土的击实曲线,图3为最优含水率和最大干密度与石灰掺量的关系曲线。从图2可以看出,不同石灰掺量改性土的击实曲线均呈现出干密度ρd随含水率ω的增加先增大后减小的趋势,在含水率一定时出现峰值;石灰掺量为0的素土最大干密度最大,最优含水率最小,随石灰掺量增加改性土的击实曲线整体逐渐向右下方移动,最大干密度减小,最优含水率增大。

图2 不同石灰掺量的击实曲线Fig.2 Compaction curves for different lime dosages compaction test results

图3 石灰掺量与击实试验结果关系Fig.3 Relationship between lime dosage and maximum dry density and lime content

从图3中可以看出,素土中加入0.5%的石灰后,其最大干密度骤然下降。改性土的最大干密度随石灰掺量增多而减小。掺灰量从0～0.5%这一段倾斜度最大,5%～10%该段次之,显然,石灰对土的击实性能影响较大,石灰掺量越多,最大干密度越小,减小的趋势更明显。最优含水率随石灰掺量增加而增大。石灰掺量从3%增加至5%时,含水率增加量最大;石灰掺量从1%增加到2%时,其最大干密度降低0.5%,最优含水率增加2.4%;当石灰掺量从3%增加到5%时,最大干密度降低0.6%,最优含水率增加8.6%。石灰与土发生胶凝反应,土中活性氧化物含有的硅离子和铝离子与钙离子生成含水的硅酸钙和铝酸钙两种胶凝物,随着石灰量增加,胶凝物越多[4-5],其与土颗粒间的胶结作用使改性土样的团粒结构发育很好,孔隙较大,因此最大干密度随石灰掺量增加而减小;土样掺入石灰可以降低其塑性,提高其最优含水率,而含水过多导致击实功不能全部作用于土颗粒上,一部分传递给土颗粒周围的水和被封闭的空气,土粒不能重新排列,故最大干密度降低。

2.3 石灰掺量和龄期对改性土压缩性能的影响

图4、图5分别描述了石灰掺量、龄期与压缩系数a1-2之间的关系。可以看出,加入1%的石灰后,改性土的压缩系数减小,随着石灰掺量增加改性土的压缩系数呈先减小后增大至平稳的趋势,5%掺量的改性土压缩系数取得极大值;素土的压缩系数几乎不受龄期影响,改性土的压缩系数随着龄期的增加逐渐减小,0～3 d这一阶段斜率较大,改性土的压缩系数减小的得明显,而后期变化较为平缓。掺入1%～2%的石灰时,养护3 d,改性土为低压缩性土;石灰掺量为3%时,改性土龄期超过7 d,其压缩系数小于0.1 MPa-1;当石灰掺量为5%时,养护龄期大于28 d,改性土为低压缩性土。分散性土中掺入石灰,石灰与水反应生成氢氧化钙和少许氢氧化镁,二者水解产生高价钙离子和镁离子,分散性土颗粒吸附的钾离子和钠离子与钙离子和镁离子产生离子交换,导致吸附水膜厚度比原来小,增强土粒之间的引力形成团聚结构,掺量越多,形成的团聚结构越多,改性土的孔隙增多[4-5,15],故压缩系数随石灰掺量增加先减小增大。利用石灰对分散性土的压缩性能改善时,当石灰掺量、龄期一定时,压缩系数几乎不变。

图4 a1-2与石灰掺量关系Fig.4 Relationship between a1-2 and lime content

图5 a1-2与龄期关系Fig.5 Relationship between a1-2 and age

2.4 石灰掺量和龄期对改性土抗剪强度的影响

抗剪强度是土的重要力学指标。图6、图7描述了抗剪强度参数黏聚力c、内摩擦角φ与石灰掺量和龄期之间的关系。可以看出:随着石灰掺量增加,改性土的黏聚力c先增大后减小,内摩擦角φ逐渐增大,黏聚力c在5%掺量下取得极大值,当石灰掺量超过5%后黏聚力c略有降低,内摩擦角φ在10%掺量下取得极大值;随龄期增加,改性土的黏聚力c和内摩擦角φ逐渐增大。在龄期为0、28 d时,石灰掺量为3%时,改性土的黏聚力c比素土的黏聚力c分别增加了87.08%、190.36%,掺量为5%的改性土,其黏聚力c比3%分别增加了10.36%、5.31%;3%掺量的改性土,在0 d的黏聚力c只有28 d黏聚力c的61.95%。龄期为小于3 d时,各掺量改性土的内摩擦角φ在28.2°～29.7°,当龄期在3 d及以上时,改性土的内摩擦角φ增幅较大,各石灰掺量改性土的内摩擦角φ在30.3°～38.7°。熟石灰与空气中、土体孔隙中的二氧化碳反应生成碳酸钙,且有胶结作用,剪切时改性土的 “咬合”作用增大,故黏聚力c增大。石灰掺量过多时,部分熟石灰不能与二氧化碳反应而自己形成结晶体,削弱了土粒之间的联结作用,并且结晶体的“咬合”作用弱,因此,石灰掺量过多时,黏聚力略微减小。随龄期增加,进入土体的二氧化碳含量变多,生成的碳酸钙数量增多,石灰改性土强度在后期越高[4-5,15]。

图6 黏聚力与石灰掺量关系Fig.6 Relationship between cohesion and lime content

图7 内摩擦角与石灰掺量关系Fig.7 Relationship between internal friction angle and lime content

2.5 石灰掺量和龄期对无侧限抗压强度的影响

从图8可以看出,3%的石灰掺量是改性土强度的临界点,当石灰掺量少于3%,石灰掺量越多,改性土的强度越大;石灰掺量超过3%后,强度开始逐渐降低。当掺量达到10%时,改性土的强度皆低于1%、2%、3%和5%掺量改性土的无侧限抗压强度。从图9可以看出,素土的强度并不会随龄期的增加而提高;石灰改性土的强度随龄期增加而增大,在前期改性土的强度增长速率较快,14 d后其增长速率较缓。龄期为0 d时,掺灰量3%、10%改性土的强度比素土强度分别提高了62.62%、61.1%;在龄期为28 d时,3%、10%改性土的强度比素土强度分别提高了422.85%、234.94%。在龄期0～3、3～7、7～14、14～28 d,3%土样的强度增幅分别为55.95、84.04、105.68、130.77 kPa。这是因为分散性土中一部分活性氧化物含有四价硅离子和三价铝离子,与石灰浆中游离Ca2+反应生成含水的硅酸钙和铝酸钙两种胶凝物,把土颗粒胶结起来形成各种各样的结构,充当土体骨架,提高改性土的强度,当石灰掺量过多时,改性土中的消石灰含量也增加,因二氧化碳缺少,消石灰优先自结晶,减少土颗粒之间的联结作用,甚至,削弱了土颗粒之间的联结作用[4-5,15]。因此,石灰掺量越高改性土的强度不增反减小。与姬胜戈等[11]对分散性土改性后开展的无侧限抗压强度试验结果有相同趋势,均为强度随改性剂掺量的增加而先增大后减小,随龄期的增加而增大。

图8 石灰掺量与改性土无侧限抗压强度关系Fig.8 Influence of ash content on unconfined compressive strength of modified soil

图9 龄期与改性土无侧限抗压强度关系Fig.9 Relationship between age and unconfined compressive strength of modified soil

图10为不同石灰掺量,龄期28 d的应力-应变曲线。图10中,素土的应力应变曲线为应变硬化型,改性土的应力应变曲线为应变软化型,改性土样在龄期28 d时为脆性破坏。随应变增加,改性土的应力逐渐增大至峰值后开始减小,到试样完全破坏。改性土的无侧限抗压强度为最高点对应的应力。改性土样在弹性阶段的斜率大于素土的斜率,随石灰的掺入,土样强度提高,改性土的弹性阶段持续时间短,素土破坏时的应变在2.25%,当掺灰量为3%和10%,土样破坏的应变在1.75%、1.5%,石灰土的适应变形能力减弱。

图10 石灰改性土应力-应变曲线Fig.10 Stress-strain curve of lime-modified soil

3 结论

(1)随石灰掺量增加,改性效果越好,击实性能变差,强度呈先增大后减小的趋势;加入0.5%的石灰,改性土的最大干密度明显降低;石灰掺量在1%～3%,最大干密度降低幅度小,当超过5%时,改性土的击实性能越差,不利于工程施工;3%掺量下,分散性土被改性为非分散性,改性土无侧限抗压强度最大,掺量为5%时,黏聚力最高。

(2)石灰能够提高分散性土的强度,改善其压缩性能,随龄期增加,改性土的力学性能逐渐增强。分散性土中加入1%的石灰,改性土的压缩性能得到改善,龄期大于2 d时,改性为低压缩性土,当石灰掺量为5%时,龄期超过14d后改性土为低压缩性土。龄期为0和28 d时,3%掺量改性土的黏聚力c比素土分别增加了87.08%、190.36%,改性土无侧限抗压强度比素土分别提高了62.62%、 422.85%;在龄期0～3、3～7、7～14、14～28 d,3%土样的强度分别前一阶段增加55.95、84.04、105.68、130.77 kPa。

(3)龄期28 d,掺量为10%的改性土强度比3%、1%的强度分别低了35.95%、19.38%。改性土样为脆性破坏,掺量10%的改性土破坏应变为1.5%,素土的破坏应变为2.25%,随龄期和掺量增加,石灰改性土的适应变形能力降低,这不利于黏土心墙坝安全运行。从分散性和改性土的击实性能、强度以及变形考虑,最佳合理石灰掺量为3%～5%,施工时应尽量将石灰拌匀,避免局部石灰掺量不足或过多。