馬文寧，楊再福

（1.泰州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇泰州225000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京215000）

石灰、水玻璃改良粉土的試驗(yàn)研究

馬文寧1，楊再福2

（1.泰州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇泰州225000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京215000）

通過(guò)對(duì)泰州地區(qū)低液限粉土進(jìn)行室內(nèi)改良試驗(yàn)，研究石灰和石灰+水玻璃作為改良劑對(duì)該地區(qū)粉土的改良效果。研究發(fā)現(xiàn)：石灰改良土的最大干密度小于素土的最大干密度，且隨著石灰摻量的增加最大干密度先增大后減小，最優(yōu)含水率與素土基本相同，增加石灰摻量能有效提高粉土的強(qiáng)度，當(dāng)石灰石摻量增加到一定程度時(shí)，壓實(shí)度對(duì)石灰改良土強(qiáng)度的影響程度減弱，隨著齡期的增加石灰改良土強(qiáng)度明顯增長(zhǎng)；石灰+水玻璃改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著改良劑摻量的變化基本不變，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于素土強(qiáng)度，隨著壓實(shí)度的提高改良土的強(qiáng)度增加不明顯，隨著齡期的增加，改良土強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯；在石灰摻量不變的情況下，改良土的CBR值隨水玻璃摻量的增加明顯增大。

石灰；水玻璃；加州承載比；粉土；路基；改良試驗(yàn)

0 引言

本項(xiàng)目研究依托泰州市東風(fēng)路南段（永定路—寧通高速）快速路改造工程。泰州位于長(zhǎng)江三角洲平原區(qū)，砂質(zhì)粉土分布廣泛，粉土具有特殊工程性質(zhì)，低塑性，一般70%以上的粒組為粉粒和細(xì)砂粒，比表面積不大，毛細(xì)現(xiàn)象突出等。因此，沿線土質(zhì)不能直接當(dāng)作路基填料在工程中應(yīng)用，需要進(jìn)行固化處理，以保證路基施工質(zhì)量。相關(guān)學(xué)者專(zhuān)家對(duì)此進(jìn)行了研究[1-4]。工程中廣泛采用的改良方法主要有物理改良和化學(xué)改良，其中采用穩(wěn)定劑進(jìn)行粉土改良加固方面，主要采用一種或幾種無(wú)機(jī)結(jié)合料，如水泥、石灰、粉煤灰等進(jìn)行粉土的加固，并取得了很好的改良效果[5-8]。

由于顆粒組成、礦物成分不同，不同改良劑對(duì)不同地區(qū)粉土改良效果有明顯差異。因此，有必要通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)對(duì)該地區(qū)粉土進(jìn)行改良試驗(yàn)研究，具體分析不同改良劑改良效果及其適應(yīng)性，同時(shí)分析不同改良劑摻量與壓實(shí)度對(duì)改良土強(qiáng)度影響，得到改良該種土的最佳方案。

1 試驗(yàn)方案及方法

1.1 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

通過(guò)采用不同改良劑，不同摻量改良土的物理特性，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度和最優(yōu)含水率，研究分析不同改良土的壓實(shí)特性。然后分別圍繞不同的壓實(shí)度（93%、94%、96%）、不同齡期（0 d、28 d）對(duì)改良填料以路基填料的CBR值作為填筑質(zhì)量的控制指標(biāo)影響規(guī)律進(jìn)行研究，并加以分析對(duì)比，為該地區(qū)路基工程的設(shè)計(jì)和施工提供相應(yīng)參考依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)方法

1）本試驗(yàn)用土取該地區(qū)快速路改造工程沿線粉土，分別采用不同改良劑（石灰、石灰+模數(shù)為2.6~2.9的水玻璃）、不同摻量（石灰改良摻量分別為3%、5%、7%；石灰+水玻璃摻量為1%+3%、3%+1%、3%+3%，前面為石灰摻量，后面為水玻璃摻量，以下同）進(jìn)行研究。

2）通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到素土及不同改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率，分別在最優(yōu)含水率和不同的壓實(shí)度（93%、94%、96%）條件下對(duì)各改良土按JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[9]采用靜壓法制備試樣，分別養(yǎng)護(hù)0 d和28 d并浸水4晝夜后進(jìn)行CBR試驗(yàn)。

3）分析每種改良劑的改良效果，對(duì)比不同改良劑的改良效果以及不同因素對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)取土坑的素土進(jìn)行了液塑限、比重、顆粒分析以及擊實(shí)試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從顆粒分析結(jié)果以及結(jié)合液塑限情況，依據(jù)規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[9]可知該土屬于低液限粉土。粉粒（0.002~0.075 mm）含量占總量的90.7%左右，黏粒很少，從性質(zhì)上更多顯示出粉土的性質(zhì)：顆粒較為均勻、級(jí)配差，難于壓實(shí)同時(shí)粉粒毛細(xì)作用強(qiáng)烈，水穩(wěn)定性差。

表1 粉土土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1The basic physical properties of soil

2.1 改良土的擊實(shí)效果

石灰改良土和石灰+水玻璃改良土的擊實(shí)曲線分別如圖1、圖2。

圖1 石灰改良土擊實(shí)曲線Fig.1Lime soil compaction curve

圖2 石灰+水玻璃改良土擊實(shí)曲線Fig.2Lime+sodium silicate modified soil compaction curve

分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于石灰改良土而言，摻加石灰后的最大干密度小于素土的最大干密度，且隨著石灰摻量的增加最大干密度先增大后減小。這是因?yàn)槭业谋戎剡h(yuǎn)小于素土的比重，當(dāng)石灰加到素土中后不僅改變了土的顆粒成分，同時(shí)改變了土的比重。所以使石灰改良土的最大干密度小于素土的最大干密度。當(dāng)向該素土中摻入石灰時(shí)，石灰會(huì)與土顆粒中礦物成分以及土中空氣發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成堅(jiān)硬的固體膠結(jié)物，當(dāng)摻量較少時(shí)生成的固體膠結(jié)物較少，最大干密度較小，隨著摻量的增加生成的固體膠結(jié)物相對(duì)增加，從而使改良土的最大干密度增加。

從圖2可知，石灰+水玻璃改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著改良劑摻量的變化基本不變。究其原因，是由于水玻璃溶液中的硅酸根離子與石灰中的鈣離子產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，把周?chē)令w粒牢牢地粘結(jié)在一起生成堅(jiān)硬的固體。由于反應(yīng)劇烈，反應(yīng)時(shí)間較短，這就導(dǎo)致了該種改良土的最大干密度隨改良劑摻量的變化基本不變。

2.2 CBR試驗(yàn)結(jié)果與分析

1）不養(yǎng)護(hù)條件下改良土CBR值與壓實(shí)度關(guān)系

不同摻量石灰改良土、石灰+水玻璃改良土在不同壓實(shí)度（93%、94%、96%）條件下不養(yǎng)護(hù)直接浸水4晝夜后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 石灰改良土不養(yǎng)護(hù)條件下CBR值隨壓實(shí)度的變化Fig.3The change of CBR value with degree of compaction under the condition of non curing of lime improved soil

圖4 石灰+水玻璃改良土不養(yǎng)護(hù)條件下CBR值隨壓實(shí)度的變化曲線Fig.4The change of CBR value with degree of compaction under the condition of non curing of lime+sodium silicate improved soil

由圖3可知，不養(yǎng)護(hù)條件下石灰改良土的CBR值隨著摻量的增加而增大，這是因?yàn)槭遗c土中礦物成分及空氣發(fā)生較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成堅(jiān)硬固體膠結(jié)物使改良土的強(qiáng)度增加，隨著摻量的增加這種反應(yīng)越明顯，改良土的強(qiáng)度也越大。3%、5%石灰改良土CBR值隨壓實(shí)度的增加明顯增大，7%石灰改良土CBR值隨壓實(shí)度的增大基本不變。這就說(shuō)明，增加石灰摻量能有效提高泰州地區(qū)粉土的強(qiáng)度，當(dāng)石灰石摻量增加到一定程度時(shí)，壓實(shí)度對(duì)改良土強(qiáng)度的影響程度減弱。

分析圖4可知，在不養(yǎng)護(hù)條件下石灰+水玻璃改良土的CBR值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于素土CBR值，隨著壓實(shí)度的提高改良土的強(qiáng)度增加幅度不明顯。究其原因，是因?yàn)槭?、水玻璃不僅能與土中礦物成分和空氣發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，而且兩種改良劑本身還能發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成的固體物質(zhì)將周?chē)令w粒黏結(jié)在一起形成堅(jiān)硬的塊狀物質(zhì)，使改良土的強(qiáng)度快速增大。顯然，石灰+水玻璃改良土早期強(qiáng)度大，適應(yīng)工期緊，對(duì)早期強(qiáng)度有較高要求的工程，同時(shí)，采用此種改良劑改良粉土?xí)r對(duì)施工速度也有較高要求。

2）養(yǎng)護(hù)28d條件下改良土CBR值與壓實(shí)度關(guān)系

不同摻量石灰改良土、石灰+水玻璃改良土在不同壓實(shí)度（93%、94%、96%）條件下養(yǎng)護(hù)28 d浸水4晝夜后的CBR試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 石灰改良土養(yǎng)護(hù)28 d條件下CBR值隨壓實(shí)度的變化Fig.5The change ofCBRvalue with degree of compaction in the 28 d curing condition of lime improved soil

圖6 石灰+水玻璃改良土養(yǎng)護(hù)28 d條件下CBR值隨壓實(shí)度的變化Fig.6The change of CBR value with degree of compaction in the 28 d curing condition of lime+sodium silicate improved soil

由圖5，養(yǎng)護(hù)28 d后的石灰改良土的CBR值較素土有很大提高，隨著摻量的增加改良土的CBR值越來(lái)越大。28 d齡期條件下，3%、5%石灰改良土的CBR值隨壓實(shí)度的增加明顯增大，7%石灰改良土的CBR值隨壓實(shí)度的增大基本不變。從圖6可以看出，28 d齡期條件下石灰+水玻璃改良土CBR值較素土提高明顯，相同摻量石灰+水玻璃改良土隨壓實(shí)度的提高CBR值增長(zhǎng)不明顯。

比較圖3與圖5、圖4與圖6可以看出，28 d齡期較0 d齡期石灰改良土的CBR值有明顯提高，石灰+水玻璃改良土的CBR值隨齡期增長(zhǎng)提高不大。

3）石灰+水玻璃改良土的CBR值與水玻璃摻量的關(guān)系

石灰摻量為3%時(shí)，石灰+水玻璃改良土的CBR值與水玻璃摻量的關(guān)系如圖7所示。

圖7 石灰+水玻璃改良土的CBR值與水玻璃摻量的關(guān)系Fig.7Relationship between the CBR value of the lime+ sodium silicate improved soil and the amount of sodium silicate

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，石灰摻量不變的情況下，改良土的CBR值隨水玻璃摻量的增加明顯增大。比較3條曲線可知，改良土的強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增大均有所提高。這是因?yàn)樗ＡУ膿搅吭酱?，石灰與水玻璃的反應(yīng)越充分，生成的堅(jiān)硬固體膠結(jié)物越多，從而改良土的強(qiáng)度越大。

3 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)于石灰改良土而言，摻加石灰后的最大干密度小于素土的最大干密度，且隨著石灰摻量的增加最大干密度先增大后減小，最優(yōu)含水率與素土基本相同。石灰+水玻璃改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著改良劑摻量的變化基本不變。

2）增加石灰摻量能有效提高粉土的強(qiáng)度，當(dāng)石灰摻量增加到一定程度時(shí)，壓實(shí)度對(duì)石灰改良土強(qiáng)度的影響程度減弱。隨著齡期的增加石灰改良土強(qiáng)度明顯增長(zhǎng)。

3）石灰+水玻璃改良土的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于素土強(qiáng)度，隨著壓實(shí)度的提高改良土的強(qiáng)度增加幅度不明顯，石灰摻量不變的情況下，改良土的CBR值隨水玻璃摻量的增加明顯增大，隨著齡期的增加石灰改良土強(qiáng)度明顯增長(zhǎng)。

4）從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果看，分別采用石灰、石灰+水玻璃改良低液限粉土是可行的，工程中可根據(jù)具體情況選擇最優(yōu)改良方案進(jìn)行粉土加固。

[1]林本海，李業(yè)茂.粉土工程性質(zhì)的探討[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議.北京，1999：1-4. LIN Ben-hai,LI Ye-mao.Discussion on the engineering properties of silty soil[C]//China Civil Engineering Society soil mechanics and rock and soil engineering academic conference.Beijing,1999:1-4.

[2]彭麗云，李濤，劉建坤.非飽和擊實(shí)粉土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40（6）：872-877. PENG Li-yun,LI Tao,LIU Jian-kun.Experimental study on mechanics property of unsaturated compacted silts[J].Journal of Beijing University of Technology,2014,40(6):872-877.

[3]孫麗杰.高等級(jí)公路高含水量低液限粉土路基施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000，20（S1）：100-101. SUN Li-jie.High grade highway high water content low liquid limit silt subgrade construction[J].Railway Standard Design,2000,20 (S1):100-101.

[4]徐勇，張婉琴，宮全美，等.石灰土作為鐵路路基填料的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001（S1）：1 015-1 017. XU Yong,ZHANG Wan-qin，GONG Quan-mei,et al.Study on lime soil used as railroad bed packing[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2001(S1):1 015-1 017.

[5]白祖國(guó).低路堤填筑的粉土改良及毛細(xì)水作用下路堤穩(wěn)定性研究[D].天津：天津大學(xué)，2009. BAI Zu-guo.Improvement of silty soil under low embankment and stability of embankmentundercapillarywater[D].Tianjin: Tianjin University,2009.

[6]陳燕，魏宏超，徐鵬.高速鐵路粉土路基改良試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境工程，2011，18（3）：127-128. CHEN Yan,WEI Hong-chao,XU Peng.Improvement study on high-speed rail siltysand subgrade[J].safety and Environmental Engineering,2011,18(3):127-128.

[7]黎燦明.石灰穩(wěn)定土強(qiáng)度影響因素研究及其合理填筑條件探討[D].南京：河海大學(xué)，2005. LI Can-ming.Study on influencing factors of the strength of lime stabilized soil and the reasonable filling conditions[D].Nanjing: Hohai University,2005.

[8]姚占勇，劉樹(shù)堂，商慶森.生石灰粉穩(wěn)定黃河沖（淤）積粉土的可行性探討[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，29（l）：77-80. YAO Zhan-yong,LIU Shu-tang,SHANG Qing-sen.Inquiry of feasibility to stabilize the yellow river silt by quick lime powder[J]. Journal of Shandong University of Technology,1999,29(1):77-80.

[9]JTG E40—2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S]. JTG E40—2007,Test methods of soils for Highway Engineering[S].

Experimental study on lime and sodium silicate to improve silt

MA Wen-ning1,YANG Zai-fu2
（1.The Development of Limited Company of Taizhou City Infrastructure Construction,Taizhou,Jiangsu 225000,China; 2.Jiangsu Transportation Research Institute of Limited by Share Ltd.,Nanjing,Jiangsu 215000,China）

An improvement effect of low liquid limit silt,which used lime and lime+sodium silicate as ameliorant,has been studied based on laboratory improvement tests.It has been discovered that the maximum dry density of lime-improved soil is less than that of pure soil,and increases at first then decreases with the increasing of lime dosage.The optimum moisture content of lime-improved soil and pure soil are basically same.The increasing of slaked lime dosage is advantage to the improvement of the strength of silt,while the impact of compactness weakens as the increasing to a certain extent and strength of lime-improved soil enhances obviously with the increasing of age.The maximum dry density of slaked lime+sodium silicate improved soil is not affected by the change of dosage as well as the optimum moisture content.The strength of slaked lime+ sodium silicate improved soil,which enhances not obviously with the improvement of compactness and the increasing of age,is much higher than that of pure soil.When the lime dosage is not changed,the CBR values of improved soil enhance obviously with the increasing of sodium silicate dosage.

lime;sodium silicate;California bearing ratio;silty sand;subgrade;improved test

U654

A

2095-7874（2017）07-0062-04

10.7640/zggwjs201707014

2016-11-03

2017-02-04

泰州市科技支撐計(jì)劃（社會(huì)發(fā)展）項(xiàng)目（ssf20150072）

馬文寧（1967—），男，江蘇揚(yáng)州人，高級(jí)工程師，主要從事道路工程研究。E-mail：790902887@qq.com