楊 俊，楊 志，張國棟，唐云偉

（1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002；3.宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北 宜昌443002）

膨脹土主要是由蒙脫石、伊利石和高嶺石組成，它是一種特殊的高塑性黏土，含有較多的黏粒，且黏粒中含有大量的親水性礦物成分，致使其具有明顯的脹縮性、超固結(jié)性、多裂隙性和強(qiáng)度衰減性，對(duì)工程建筑物和公路工程如鐵路、公路、堤壩、房屋建筑等的危害極大，極易導(dǎo)致路基邊坡滑塌、路面開裂、地基沉陷、擋墻傾倒和墻體開裂等，若把膨脹土直接用以填筑路基或在改良和填筑施工過程中質(zhì)量控制不當(dāng)，都會(huì)對(duì)路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性帶來相當(dāng)大的危害［1］。

為了改善膨脹土的這些特性，工程施工中常在膨脹土中摻入石灰、水泥、粉煤灰等無機(jī)結(jié)合料，并通過其與膨脹土中物質(zhì)成分的化學(xué)作用來提高膨脹土的強(qiáng)度，很多學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了大量研究［2－8］，并取得了豐富的成果。強(qiáng)度是表征膨脹土抵抗剪切破壞，計(jì)算路塹、渠坡、路堤等斜坡穩(wěn)定性和支擋建筑物土壓力的一項(xiàng)重要指標(biāo)［9］，且很多膨脹土的危害均是因?yàn)槠湮畬?dǎo)致強(qiáng)度不足而引起的，而表征膨脹土強(qiáng)度的指標(biāo)有很多，如抗剪強(qiáng)度，回彈模量，加州承載比，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等，其中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是反映改性膨脹土的物理力學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它能準(zhǔn)確地反映改性土的強(qiáng)度特性。而影響改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素很多，如：顆粒級(jí)配、粒徑、改性材料摻量、壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)齡期等［10］，本研究選取改性材料的摻量和養(yǎng)護(hù)齡期作為抗壓強(qiáng)度的影響要素，結(jié)合宜昌某一級(jí)公路改建工程路段的膨脹土，擬采用一種新型的以物理改良為主的方法——風(fēng)化砂改良，并在室內(nèi)分別進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥、石灰、粉煤灰、風(fēng)化砂改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)，探討?zhàn)B護(hù)齡期和改性材料摻量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，且通過這4種改性材料的對(duì)比試驗(yàn)和分析，對(duì)改性材料的處理效果進(jìn)行研究。

1 原材料基本性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料的基本性質(zhì)

（1）膨脹土。此室內(nèi)試驗(yàn)所用膨脹土取自宜昌市某一級(jí)公路改建項(xiàng)目路段，膨脹土的土質(zhì)均勻，呈黃褐色，有滑感，結(jié)構(gòu)較密致，黏性很強(qiáng)，天然含水率較高。膨脹土液限為70.53%＞50%，塑性24.09%，塑性指數(shù)46.44%＞17%，故判定此膨脹土高液限黏土；自由膨脹率43%，大于40%且小于60%，因此判定其膨脹性較弱，為弱膨脹土。

（2）水泥。試驗(yàn)所用水泥為市場上銷售的C32.5的普通硅酸鹽水泥。

（3）石灰。試驗(yàn)用的石灰粉為生石灰在空氣中自然熟化而成的粉末，屬于Ⅱ級(jí)鎂質(zhì)石灰。然后在室內(nèi)過0.25mm的方孔篩后密封待用。

（4）粉煤灰。粉煤灰選用電廠的排灰，其顏色為暗灰色，手捏無顆粒感，等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

（5）風(fēng)化砂。風(fēng)化砂選用此膨脹土公路沿線路段，此風(fēng)化砂中的細(xì)顆粒較多，其不均勻系數(shù)Cu＝2.84；曲率系數(shù)Cc＝0.86＜1，因此得出該風(fēng)化砂為級(jí)配不良砂。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的方法和過程均按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程（JTG E40—2007）》和《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E51—2009）》進(jìn)行。其中，水泥摻量0，3%，5%，7%，9%；石灰摻量0，4%，6%，8%，10%；粉 煤 灰 摻量 0，10%，12%，14%，16%，18%，20%；風(fēng)化砂摻量0，10%，20%，30%，40%，50%。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試模：直徑×高＝Φ100mm×100mm，試樣在萬能試驗(yàn)機(jī)下成型，脫模后將試件密封，置入養(yǎng)護(hù)間內(nèi)，在恒溫恒濕下分別養(yǎng)護(hù)7，14，28 d；養(yǎng)護(hù)完成后，將試樣放在萬能試驗(yàn)機(jī)下（圖1），加載速率1mm／min，直至試樣破壞，記下破壞時(shí)的最大壓力值，從而其計(jì)算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)裝置（萬能試驗(yàn)機(jī)）

2 改良膨脹無側(cè)限強(qiáng)度特性及分析

2.1 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

通過實(shí)驗(yàn)得到養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響結(jié)果（圖2—3）。由圖2可知，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的影響，其抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加緩慢增大。其中當(dāng)水泥摻量為0和3%時(shí)，齡期對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響很小，最大增長幅度只有0.11MPa；而當(dāng)水泥摻量為5%，7%，9%時(shí)，隨著齡期增加抗壓強(qiáng)度會(huì)先迅速增大后緩慢增大，其在齡期7～14d之間增長速率最快，增長幅度最大達(dá)到0.48MPa，在齡期14～28d增長最慢，增長幅度最大僅0.18MPa，表明對(duì)于此膨脹土，水泥可以有效地提高其早期強(qiáng)度。

由圖3可以看出，水泥摻量對(duì)改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有著較大的影響，在齡期一定時(shí)，改性土的抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加先緩慢增加后迅速增大。當(dāng)水泥摻量小于3%時(shí)，各個(gè)齡期的改性土抗壓強(qiáng)度增長緩慢，抗壓強(qiáng)度最大僅增長0.22MPa，而當(dāng)水泥摻量大于3%時(shí)，改性土的抗壓強(qiáng)度會(huì)迅速增大，在養(yǎng)護(hù)齡期為28d，水泥摻量為9%時(shí)達(dá)到最大；產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于水泥的水化作用、水泥與土中的活性物質(zhì)之間的硬凝反應(yīng)以及離子交換作用，生成具有一定強(qiáng)度的凝膠體，從而改變了膨脹土的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，使改性土產(chǎn)生硬化，抗壓強(qiáng)度提高；隨著水泥摻量的增加，這些作用會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨之增大。

圖2 養(yǎng)護(hù)齡期與水泥改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖3 水泥摻量與改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)石灰改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響及分析

由室內(nèi)試驗(yàn)可以得到養(yǎng)護(hù)齡期、石灰摻量與改性膨脹土之間的關(guān)系曲線（圖4—5）。由圖4可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)石灰改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有顯著影響，齡期28d的抗壓強(qiáng)度是7d的2倍左右。在石灰摻量一定時(shí)，改性土的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加明顯增大。其中，對(duì)于原狀土，齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度基本沒有影響，當(dāng)齡期在7～14d之間時(shí)，石灰改性土的抗壓強(qiáng)度增幅在0.2MPa左右，當(dāng)齡期在14～28 d時(shí)，石灰改性土抗壓強(qiáng)度在0.4MPa左右，是齡期7～14d的2倍；說明石灰可以顯著地增加此膨脹土的后期強(qiáng)度。這是因?yàn)樵谂蛎浲林袚饺胧?，生石灰?huì)迅速消解，并與土顆粒中的低價(jià)陽離子發(fā)生離子交換作用，從而使膨脹土的塑性指數(shù)下降，提高改性土的早期強(qiáng)度；隨著齡期的增加，生石灰還會(huì)與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成較高強(qiáng)度的固體顆粒以及與土顆粒的凝膠反應(yīng)，而這一過程的反應(yīng)較慢、周期很長，故石灰改性土的后期強(qiáng)度會(huì)較前期顯著增長。

由圖5可以得到，在齡期一定時(shí)，石灰改性土的無側(cè)向抗壓隨度隨著石灰摻量的增加先快速增加后緩慢降低。在石灰摻量為0～8%之間，改性土的抗壓強(qiáng)度快速增大，其中在石灰摻量0～6%之間增長最快，在6%～8%之間增長較慢，當(dāng)石灰摻量為8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，增長了1.6MPa左右；而當(dāng)石灰摻量在8%～10%之間時(shí)，改性土的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低；這是由于隨著石灰的摻入，石灰中大量的氧化鈣將快速的與膨脹土顆粒發(fā)生硬凝反應(yīng)，生成強(qiáng)度較高的膠結(jié)物質(zhì)，使改性土的抗壓強(qiáng)度快速增加；而石灰摻量超過一定量時(shí)，石灰土中會(huì)存在一部分沒有反應(yīng)的消石灰，它會(huì)消弱土顆粒之間的聯(lián)結(jié)，當(dāng)這種消弱作用超過前面生成膠結(jié)物質(zhì)的作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致改性土的強(qiáng)度降低［11］。

圖4 養(yǎng)護(hù)齡期與石灰改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖5 石灰摻量與改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)粉煤灰改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響及分析

通過實(shí)驗(yàn)可知養(yǎng)護(hù)齡期、粉煤灰摻量與改性膨脹土之間的關(guān)系曲線（圖6—7）。由圖6可知，當(dāng)粉煤灰摻量相同時(shí)，改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著齡期的增加而穩(wěn)步增大。且抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)齡期14d以前增長顯著，在14～28d之間的抗壓強(qiáng)度逐漸趨于平穩(wěn)，增長緩慢，這一現(xiàn)象表明粉煤灰可以有效地提高改性土的早期強(qiáng)度。這是因?yàn)殡S著粉煤灰的摻入，粉煤灰中的活性高價(jià)陽離子將迅速與膨脹土顆粒發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，如：離子交換作用、團(tuán)聚作用、碳酸化作用等，生成強(qiáng)度較高的膠結(jié)物，從而提高改性土的抗壓強(qiáng)度；隨著齡期的增加，粉煤灰中的活性高價(jià)陽離子基本反應(yīng)完全，導(dǎo)致后期的抗壓強(qiáng)度增長緩慢。

從圖7可以看出，粉煤灰摻量對(duì)膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定影響，在養(yǎng)護(hù)齡期一定時(shí)，改性土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而增大，其速率先慢后快再變慢；抗壓強(qiáng)度在粉煤灰摻量為0～14%之間增長較慢，只增長0.1MPa左右；在粉煤灰摻量為14%～18%之間增長較快，達(dá)到0.4MPa左右，在摻量為18%～20%之間增長又變慢，僅0.08MPa左右。這是因?yàn)閷?duì)于粉煤灰改性土，粉煤灰顆粒與膨脹土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成很高強(qiáng)度的膠凝物，提高了改性土抗壓強(qiáng)度；當(dāng)粉煤灰摻量增加，則化學(xué)作用加強(qiáng)，使改性土顆粒間的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)生變化，降低膨脹土的塑性，且人為降低了改性土中的黏粒含量，使抗壓強(qiáng)度迅速增大。

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期與粉煤灰改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖7 粉煤灰摻量與改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.4 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響及分析

圖8—9分別為養(yǎng)護(hù)齡期與改性土、風(fēng)化砂摻量與改性土之間的關(guān)系曲線。由圖8可以看出，對(duì)于風(fēng)化砂改良膨脹土，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線基本上平行于X軸，在風(fēng)化砂摻量一定時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期28d的改性土其抗壓強(qiáng)度較養(yǎng)護(hù)齡期7d的改性土僅僅提高了0.05MPa左右。說明養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)風(fēng)化砂改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響，其改良主要是以物理作用為主。

通過圖9可以看出，風(fēng)化砂對(duì)其改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有著很大影響，在相同的養(yǎng)護(hù)齡期下，改性土的抗壓強(qiáng)度均隨著風(fēng)化砂摻量的增加先迅速增大后迅速減小再緩慢減小。其中，改性土的抗壓強(qiáng)度在風(fēng)化砂摻量小于10%時(shí)快速增大，在風(fēng)化砂摻量為10%時(shí)達(dá)到峰值，增幅為0.7MPa左右；在風(fēng)化砂摻量10%～30%之間迅速減小，減小幅度在0.6MPa左右；在風(fēng)化砂摻量大于30%時(shí)減小速率變緩。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：風(fēng)化砂有一定的粒徑和棱角，將風(fēng)華砂摻入膨脹土中時(shí)，砂顆粒會(huì)與土顆粒交叉團(tuán)聚，給膨脹土形成受力骨架，且砂顆粒強(qiáng)度大于土顆粒，故抗壓強(qiáng)度會(huì)迅速增加；當(dāng)摻砂量大于一定量時(shí)，土顆粒會(huì)明顯減少，又由于砂粒沒有黏性，使之不能很好地團(tuán)聚在一起，導(dǎo)致強(qiáng)度迅速降低。

圖8 養(yǎng)護(hù)齡期與風(fēng)化砂改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖9 風(fēng)化砂摻量與改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)不同改性材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的對(duì)比分析

（1）由圖2—9可以看出，水泥、石灰、粉煤灰和風(fēng)化砂四種改性材料均能提高膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，使之達(dá)到公路的路用標(biāo)準(zhǔn)。從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度改良效果來看，水泥提高的抗壓強(qiáng)度最大，石灰次之，風(fēng)化砂、粉煤灰隨后。

（2）水泥、石灰、粉煤灰改良膨脹土均是以化學(xué)改良為主，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)其改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大的影響；而風(fēng)化砂改良膨脹土主要是以物理改良為主，其改良效果與養(yǎng)護(hù)齡期基本沒有關(guān)系。

（3）從施工控制的難易程度來看，水泥、石灰、粉煤灰均是粉末狀顆粒，與膨脹土現(xiàn)場拌合難度較大，且不易拌合均勻；而且這3種改性材料均以化學(xué)改良為主，會(huì)對(duì)施工人員的健康造成威脅，以及會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響。而風(fēng)化砂具有一定的粒徑組成，拌合相對(duì)較容易。

（4）從經(jīng)濟(jì)性角度來看，水泥、石灰、粉煤灰單價(jià)較高，而此公路沿線分布有大量的風(fēng)化砂，施工時(shí)可以就地取材，節(jié)約工程造價(jià)。

綜合以上分析可以得出，對(duì)于此改建公路路段的膨脹土，用風(fēng)化砂改良較水泥、石灰、粉煤灰要好，此時(shí)風(fēng)化砂摻量為10%。

4 結(jié)論

（1）養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)以化學(xué)改良為主的水泥、石灰、粉煤灰改性土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有很大影響，但是對(duì)以物理改良為主的風(fēng)化砂改性土效果不明顯。

（2）改性材料的摻量與改性土的抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)，水泥摻量較多時(shí)其增長速率較快；石灰要控制好最佳摻量才能使改良效果最好；對(duì)于粉煤灰改而言，其較多的摻量對(duì)改性土的抗壓強(qiáng)度不敏感。

（3）對(duì)于此改建公路路段的膨脹土，水泥、石灰、粉煤灰和風(fēng)化砂4種改性材料均能有效的提高其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，使其達(dá)到路用標(biāo)準(zhǔn)。但是經(jīng)過綜合比較分析，風(fēng)化砂效果優(yōu)于其它3種改性材料。且通過本次實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)于風(fēng)化砂改良膨脹土，在養(yǎng)護(hù)齡期一定時(shí)，改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻砂量的增加會(huì)快增大后減小，當(dāng)風(fēng)化砂摻量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)效果最佳。

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