伍劍鋒

（ 中國(guó)水利水電第八工程局，湖南 長(zhǎng)沙410000）

青海省位于我國(guó)青藏高原地區(qū)，該地區(qū)受季節(jié)性凍土影響較大，在凍融循環(huán)作用下，其土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及顆粒組成均會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而使土體的力學(xué)性能迅速劣化，造成凍脹、融沉等現(xiàn)象，極大危害公路運(yùn)營(yíng)安全[1-4]。為解決上述由于凍融循環(huán)造成的危害，常常需要對(duì)該地區(qū)凍土進(jìn)行處理。

土壤改良是最常見(jiàn)、最經(jīng)濟(jì)、效果較好的一種處治方法[5-6]。目前，對(duì)土體改良最常見(jiàn)的改性材料主要為水泥、石灰、粉煤灰、爐渣等[7-9]。張向東等[10]研究了煤渣改良土在凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度及屈服特性，詳細(xì)分析了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)煤渣改良土強(qiáng)度特性及屈服面的影響。宋金華等[11]為研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)石灰改良路基土的影響開(kāi)展了動(dòng)回彈模量實(shí)驗(yàn),分析了凍融次數(shù)、含水率、石灰含量和壓實(shí)度等因素對(duì)改良土路基動(dòng)回彈模量的影響規(guī)律。吳燕開(kāi)等[12]利用水泥、鋼渣粉和NaOH 等材料改良了膨脹土，并研究了改良膨脹土的凍融特性。崔宏環(huán)等[13]開(kāi)展凍融循環(huán)作用下不同養(yǎng)護(hù)期齡的水泥改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究了養(yǎng)護(hù)期齡、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)水泥改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率以及變形模量的影響規(guī)律?，F(xiàn)有研究表明，利用水泥、石灰、粉煤灰、爐渣等材料改良后的土體的凍融特性均有一定的提升[14-17]。但是這些研究多是針對(duì)改良土的宏觀力學(xué)特性的研究，而對(duì)凍融循環(huán)作用下改良土的微觀結(jié)構(gòu)變化的研究尚不深入。因此，通過(guò)研究改良土在凍融循環(huán)作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化解釋其宏觀力學(xué)特性具有重要意義。

本文通過(guò)開(kāi)展不同石灰含量的石灰改良粉砂土在凍融循環(huán)作用下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、三軸試驗(yàn)，分析了凍融循環(huán)次數(shù)、石灰含量對(duì)石灰改良粉砂土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律。并通過(guò)電鏡掃描(SEM)試驗(yàn),揭示了石灰改良粉砂土的微觀機(jī)制和凍融循環(huán)作用對(duì)改良改良粉砂土微觀結(jié)構(gòu)的影響。該研究可為石灰改良粉砂土在青海地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中所用的粉砂土均取自青海省蘭州市某道路施工現(xiàn)場(chǎng)，其級(jí)配如圖1 所示。采用X 射線衍射測(cè)試了該風(fēng)積砂土所含礦物成分，發(fā)現(xiàn)該粉砂土中主要含有伊利石，高嶺石，石英、云母等。依據(jù)JTG E40-2007《公路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》得到該風(fēng)積砂土的基本物理指標(biāo)，相對(duì)密度1.98，液限30.2%，塑限23.2%。天然含水率為11.88%，壓實(shí)干密度為1.74g/cm3，最大干密度為1.84g/cm3。熟石灰采用工程用料鈣質(zhì)熟石灰粉，選用的石灰的鈣鎂含量分別為CaO 含量為72.12%，MgO 含量為3.90%。

圖1 粒徑級(jí)配

1.2 擊實(shí)試驗(yàn)

將從施工現(xiàn)場(chǎng)取回的土在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干、碾碎后過(guò)2mm篩，與含量(相較于干土質(zhì)量)0、2%、4%、6%和8%的石灰攪拌均勻后，分別配置成5～6 個(gè)不同含水率(含水率在16%～26%之間)。含水率配置完成后將改良土至于密封袋中密封24h，以便土壤中水分分布均勻。依據(jù)JTG E40-2007《公路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》采用重型擊實(shí)的方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同石灰含量下改性粉砂土的最大干密度和最優(yōu)含水率。

1.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

依據(jù)上述擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度及最優(yōu)含水率制備不同石灰改良粉砂土試樣，然后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，具體步驟如下：

(1)依據(jù)上述擊實(shí)試驗(yàn)所得0、2%、4%、6%和8%石灰改良土的最大干密度及最優(yōu)含水率，采用靜力壓實(shí)法分5 層制備大小為φ50mm×100mm 的圓柱形試樣，試樣完成后，將試樣置于恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)28d，然后取部分試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其余試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

(2)試樣養(yǎng)護(hù)完成后，將試樣置于真空飽和器中，飽和24h，此時(shí)試樣為0 次凍融循環(huán)。

(3)將飽和試樣置于溫度為-20℃的冷凍箱中24h，凍結(jié)完成后，將試樣置于水溫為20℃的真空飽和器飽和24h 后取出試樣，用濾紙吸干試樣表面水分，此過(guò)程為1 次凍融循環(huán)。

(4)將試樣按照步驟(3)進(jìn)行0、2、4、6、8 次凍融循環(huán)后，對(duì)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 擊實(shí)特性

圖2 改良粉砂土的擊實(shí)曲線

土體的擊實(shí)曲線可反映土體的擊實(shí)特性。本試驗(yàn)通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到不同石灰含量的改良粉砂土的擊實(shí)曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，隨著石灰含量的增加，改良粉砂土的擊實(shí)曲線的陡峭程度越來(lái)越緩，這表明摻加石灰后，粉砂土的水敏性減小，受含水率的影響逐漸減小。此外，從圖2 中還可以看出，隨著石灰含量的增加，改良粉砂土的最大干密度由1.84g/cm-3逐漸減小至1.65g/cm-3，而最優(yōu)含水率由18.3%逐漸增大至24.2%。究其原因主要是因?yàn)槭业挠H水性比粉砂土的親水性強(qiáng)，因此導(dǎo)致其最優(yōu)含水率隨石灰含量的增加而增加；而石灰的干密度要小于粉砂土，從而導(dǎo)致改良后粉砂土的最大干密度逐漸減小。

2.2 石灰含量對(duì)改良粉砂土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 凍融作用下石灰改粉砂土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3 為不同石灰含量下改粉砂土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從圖中可以看出：

(1)未進(jìn)行凍融循環(huán)處理時(shí)，未改性的粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為0.6MPa。隨著石灰含量從0 增加至8%，改良粉砂土的強(qiáng)度從0.63MPa 增加至1.33MPa。這主要是以為石灰在粉砂土內(nèi)部形成了具有膠凝作用的Ca(OH)2和xCaO·SiO3，從而增加了粉砂土的粘聚力，進(jìn)而影響石灰改良粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。此外，從圖中還可看出，隨著石灰含量的逐漸增大，改良粉砂土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增幅越來(lái)越小。這表明石灰對(duì)粉砂土強(qiáng)度的影響程度逐漸減弱。

(2)同一凍融循環(huán)次數(shù)下，石灰改良粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰含量的增加而逐漸增加。將同一凍融循環(huán)次數(shù)下不同石灰含量的改良粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)其曲線隨著石灰含量的增加，后期增長(zhǎng)速率越來(lái)越小，可以預(yù)測(cè)，隨著石灰含量的逐漸增大，其強(qiáng)度的增量也會(huì)越來(lái)越小。

(3)同一石灰摻量下的改良粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨著凍融次數(shù)的增大其強(qiáng)度越來(lái)越小。從其擬合曲線的之間的間距可以發(fā)現(xiàn)，曲線間的間隔越來(lái)小，可以判斷，隨著凍融次數(shù)的逐漸增大，其強(qiáng)度的減小幅度也越來(lái)越小。

2.3 石灰改良粉砂土微觀機(jī)制分析

石灰主要是通過(guò)離子交換、結(jié)晶、火山灰及碳化等作用改善土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其力學(xué)性質(zhì)，其具體改良機(jī)制如下：

(1) 石灰水化產(chǎn)生的Ca2+置換出粉砂土顆粒表面的低價(jià)陽(yáng)離子，使粉砂土顆粒表面的水膜厚度減小，由于范德華力的作用，導(dǎo)致顆粒間的間距逐漸減小，使改良后的粉砂土更加致密。

(2)石灰與粉砂土混合后，在土體內(nèi)部產(chǎn)生Ca(OH)2，從而出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，從而與土體中游離的水發(fā)生反應(yīng)，形成具有微弱膠結(jié)作用的Ca(OH)2·nH2O，使粉砂土顆粒形成大的骨架。

(3)石灰形成的Ca(OH)2與土體內(nèi)部的SiO2和Al2O3等發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成具有膠結(jié)作用的硅酸鈣鹽和鋁酸鈣鹽，從而是粉砂土顆粒間形成大的團(tuán)聚體。

(4)Ca (OH)2還可與空氣和粉砂土孔隙中的CO2發(fā)生碳化反應(yīng)，形成CaCO3晶體。

3 結(jié)論

本文通過(guò)凍融循環(huán)作用下的石灰改良粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)，探討了凍融循環(huán)對(duì)石灰改良粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并分析了石灰改良粉砂土的作用機(jī)理。得到如下結(jié)論：

(1)石灰含量影響著改良粉砂土的擊實(shí)特性，隨著石灰含量的增加，改良粉砂土的最大干密度逐漸減小，而最優(yōu)含水率逐漸增大。

(2)隨著石灰含量的增大，石灰改良粉砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之增大，且增長(zhǎng)幅度逐漸減小。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的逐漸增大，但其強(qiáng)度的減小幅度越來(lái)越小。

(3)石灰主要是通過(guò)離子交換、結(jié)晶、火山灰及碳化等作用改善土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)其力學(xué)性質(zhì)。