王章瓊，白俊龍，葉張顏

1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.恩施市公路管理局，湖北 恩施 445000

隨著我國(guó)交通、水利、市政等建設(shè)的快速發(fā)展，在工程中遇到的特殊土（如軟土、黃土、膨脹土等）問(wèn)題也越來(lái)越多。當(dāng)這些特殊土作為建筑地基或建筑材料時(shí)，則必須進(jìn)行土質(zhì)改良。石灰具有便于就地取材、價(jià)格低廉、環(huán)境友好、耐久性好等顯著優(yōu)點(diǎn)［1-2］，在特殊土改良中得到廣泛應(yīng)用［3-4］。

大量研究表明，土體摻入石灰后其強(qiáng)度特性［5-6］、變形特性［7］、水穩(wěn)定性［8］、抗凍性等均會(huì)得到明顯改良。同時(shí)也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件一定時(shí)，改良土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度與石灰摻量并不呈正相關(guān)，石灰摻量過(guò)高時(shí)反而會(huì)導(dǎo)致改良土力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化，并據(jù)此提出最優(yōu)石灰摻量［9-10］，但未對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入分析。

對(duì)于石灰摻量過(guò)高時(shí)對(duì)土體改良效果產(chǎn)生“負(fù)效應(yīng)”機(jī)理的研究，目前主要是從化學(xué)反應(yīng)、固化土微觀結(jié)構(gòu)特征、特殊化學(xué)成分生成及其含量變化等方面進(jìn)行探討。有學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)石灰添加量超過(guò)最佳添加量時(shí)，一部分石灰作用于土體，另一部分殘留在土中導(dǎo)致土顆粒之間的結(jié)合力減小，進(jìn)而降低改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度［11］；也有學(xué)者從無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、試樣變形破壞形式的角度分析石灰摻量對(duì)改良土力學(xué)性質(zhì)的影響［12］。此外，還有學(xué)者從微觀角度探討石灰摻量對(duì)特殊土改良效果的影響［13-15］。

綜上，目前在石灰摻量對(duì)土體改良效果“負(fù)效應(yīng)”產(chǎn)生機(jī)理研究方面，主要采用抽象理論分析，無(wú)法直觀揭示問(wèn)題本質(zhì)；也有從微觀結(jié)構(gòu)特征角度進(jìn)行分析，然而無(wú)法明確地建立起微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)行為之間的聯(lián)系。本文擬制備不同石灰摻量的紅砂巖殘積土試樣，養(yǎng)護(hù)后分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡（scaning electron microscope，SEM）試驗(yàn)，獲得試樣最優(yōu)石灰摻量，并通過(guò)對(duì)壓縮試驗(yàn)中試樣變形破壞形式及改良土試樣顆粒與石灰空間排列情況的分析，從宏觀-細(xì)觀角度揭示石灰摻量過(guò)大時(shí)改良土力學(xué)特性劣化機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 砂 土 試驗(yàn)采用的砂土為紅砂巖殘積土［16］，取自恩施市城區(qū)，其天然含水量為8.2%，天然密度為1.49 g/cm3，最大干密度為1.72 g/cm3，最優(yōu)含水量為12.4%。

通過(guò)篩分法得到紅砂巖殘積土的顆粒級(jí)配曲線（圖1），其不均勻系數(shù)Cu=3.4＜5，為均勻土，級(jí)配不良，不宜直接用作路基填土。1.1.2 石灰 試驗(yàn)用石灰為生石灰，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于98%，燒失量為2%，為化學(xué)試劑用CaO。

圖1 紅砂巖細(xì)粒土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle size analysis of fine grained soil of red sandstone

1.2 試樣制備

為確保石灰在土中均勻分布，首先將石灰粉末與風(fēng)干紅砂巖殘積土混合并攪拌均勻，然后灑水拌和，并密封悶料。

1.3 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

制備壓實(shí)度為95%、含水量為12.8%（最優(yōu)含水量）的圓柱試樣，尺寸為5 cm×5 cm。將試樣分為5組，各組試樣摻入石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、7%、9%、11%、13%，每組6個(gè)。將每組試樣再分成2小組，每小組3個(gè)試樣，各小組試樣分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28、60 d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。

1.4 SEM試驗(yàn)

采集無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)后的試樣破碎塊體（養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，摻入石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、7%、9%、11%、13%）制備樣品，用于SEM試驗(yàn)。此外，制備壓實(shí)度為95%、含水量為12.8%的未摻灰素土試樣用于對(duì)比。具體操作方法為：用手掰開(kāi)破碎塊體，使之出現(xiàn)新鮮斷裂面；用刀片切削塊體側(cè)面及底面，得到SEM試樣，并分別進(jìn)行編號(hào)。

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

2.1.1 不同石灰摻量改良土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 養(yǎng)護(hù)齡期分別為28、60 d的石灰改良紅砂巖細(xì)粒土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰摻量關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯觯覔搅繉?duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響顯著：

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of unconfined compression test

1）相同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻量的增大而先增大后減小，存在明顯的峰值，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)石灰摻量約為11%。且養(yǎng)護(hù)齡期為28 d和60 d的改良土對(duì)應(yīng)的最優(yōu)石灰摻量基本一致，均為11%。這表明在一定范圍內(nèi)提高石灰摻量，可以有效提高改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但石灰摻量超過(guò)最優(yōu)值后，反而會(huì)對(duì)改良土力學(xué)特性產(chǎn)生“負(fù)效應(yīng)”。

2）相同石灰摻量條件下，養(yǎng)護(hù)齡期為60 d的改良土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯大于養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試樣，前者約為后者的1.28～1.40倍?？赡苁且?yàn)轲B(yǎng)護(hù)60 d的試樣，石灰與土顆粒、水的物理化學(xué)反應(yīng)比養(yǎng)護(hù)28 d的試樣更完全。

2.1.2 試樣變形破壞形式 養(yǎng)護(hù)齡期為60 d，摻入石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、7%、9%、11%、13%的改性土試樣，其無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)后變形破壞形式如圖3所示?？梢钥闯觯覔搅繛?%時(shí)［圖3（a）］，壓縮試驗(yàn)后試樣出現(xiàn)1條縱向主裂縫，試樣表面幾乎未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。石灰摻量為7%［圖 3（b）］、9%［圖 3（c）］、11%［圖 3（d）］時(shí)，試樣出現(xiàn)多條縱向貫通主裂縫，且沿主裂縫發(fā)育多條縱向非貫通裂縫；試樣表面出現(xiàn)規(guī)模不等的剝落，剝落塊體體積與摻灰量正相關(guān)；試樣破壞后仍較完整，軸向荷載達(dá)到峰值后具有一定殘余強(qiáng)度，表明石灰提高了試樣的脆性。當(dāng)石灰摻量達(dá)到13%時(shí)［圖3（e）］，試樣內(nèi)部縱向裂隙極為發(fā)育，試樣大部分剝落成散體，整體松散破碎，軸向荷載達(dá)到峰值后殘余強(qiáng)度急劇下降，表明改良土脆性進(jìn)一步提高。整體而言，石灰摻量與改良土變形破壞形式相關(guān)性顯著，試樣內(nèi)部裂隙規(guī)模和數(shù)量均隨石灰摻量的增大而增大。

2.2 不同石灰摻量改良土試樣的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

石灰摻量不同時(shí)，土體微觀結(jié)構(gòu)必然會(huì)有差異。為了解石灰摻量對(duì)改良土微觀結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)SEM試驗(yàn)，觀察不同石灰摻量改良土試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征（圖4）。

圖3 不同石灰摻量試樣的破壞形式實(shí)物圖和示意圖（齡期 60 d）：（a）5%，（b）7%，（c）9%，（d）11%，（e）13%Fig.3 Physical images and schematic illustrationsof failure mode specimen with different lime mass fractions（curing age is 60 d）：（a）5%，（b）7%，（c）9%，（d）11%，（e）13%

可以看出，未摻石灰時(shí)［圖4（a）］，土顆粒之間接觸較緊密，但沒(méi)有黏性礦物聯(lián)結(jié)，孔隙率較大；石灰摻量為5%［圖4（b）］時(shí)，土顆粒之間有石灰膠結(jié)聯(lián)結(jié)，且石灰填充了部分孔隙；當(dāng)石灰摻量增大到 7%［圖 4（c）］、9%［圖 4（d）］、11%［圖 4（e）］時(shí)，參與膠結(jié)土顆粒的石灰逐漸增多，孔隙率逐漸降低，土體骨架的整體性得到較大提高；當(dāng)石灰摻量增大到13%［圖4（f）］后，土顆粒之間充填石灰的厚度進(jìn)一步增大，土顆粒失去直接聯(lián)結(jié)，“懸浮”于石灰之中。

2.3 石灰摻量對(duì)改良效果的影響機(jī)理

圖4 不同石灰摻量試樣的SEM圖：（a）0%，（b）5%，（c）7%，（d）9%，（e）11%，（f）13%Fig.4 SEM images of specimen with different lime mass fractions：（a）0%，（b）5%，（c）7%，（d）9%，（e）11%，（f）13%

土體是由礦物顆粒按照一定規(guī)律在空間上組合而成，其微觀結(jié)構(gòu)特征決定了宏觀力學(xué)行為。為進(jìn)一步分析石灰摻量對(duì)改良土試樣微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學(xué)特性的影響，基于無(wú)側(cè)限抗壓及SEM試驗(yàn)結(jié)果，繪制了不同石灰摻量試樣微觀結(jié)構(gòu)及破壞形式示意圖（圖5）?？梢钥闯?，不同石灰摻量的試樣，其微觀結(jié)構(gòu)特征與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、變形破壞形式具有明顯相關(guān)性。

當(dāng)石灰摻量由5%［圖5（a）］增大到11%［圖5（d）］，石灰填充了土顆粒之間間隙，石灰將土顆粒膠結(jié)在一起，增強(qiáng)了砂土的整體性。軸向壓縮時(shí)，豎向荷載由土顆粒和土顆粒間石灰共同承擔(dān)；隨著荷載的增大，消石灰發(fā)生脆性破壞，試樣內(nèi)部多處出現(xiàn)縱向裂隙，裂縫逐漸擴(kuò)展并貫通，最終試樣破壞。

當(dāng)石灰摻量達(dá)到13%時(shí)［圖5（e）］，由于充填石灰過(guò)多，土顆粒無(wú)法構(gòu)成整體骨架。軸向壓縮時(shí)，豎向荷載主要由土顆粒間石灰承擔(dān)，而土顆粒對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于顆粒間石灰。因而其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而小于石灰摻量為11%的試樣，且試樣內(nèi)部裂隙極為發(fā)育，脆性增強(qiáng)。

圖5 不同石灰摻量試樣微觀結(jié)構(gòu)及破壞形式示意圖：（a）5%，（b）7%，（c）9%，（d）11%，（e）13%Fig.5 Schematic diagrams of microstructure and failureform of specimen with different lime mass fractions：（a）5%，（b）7%，（c）9%，（d）11%，（e）13%

3 結(jié) 論

1）養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻入石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而先上升后下降，摻入石灰的最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約11%。石灰摻量相同時(shí)，養(yǎng)護(hù)60 d的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于養(yǎng)護(hù)28 d的試樣。

2）隨著石灰摻量的增大，無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)過(guò)程中試樣內(nèi)部縱向裂隙數(shù)量及規(guī)模逐漸增大，試樣脆性逐漸增強(qiáng)。

3）未摻石灰時(shí)，試樣土顆粒之間連接緊密，但無(wú)膠結(jié)聯(lián)結(jié)；摻入石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到5%、7%、9%、11%時(shí)，土顆粒之間孔隙被消石灰填充，消石灰將土顆粒聯(lián)結(jié)起來(lái)，增強(qiáng)了砂土顆粒的整體性；摻入石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到13%時(shí)，充填的石灰厚度過(guò)大，土顆?！皯腋　痹谑抑?。

4）石灰摻量過(guò)大導(dǎo)致改良土力學(xué)性質(zhì)劣化的主要原因是過(guò)量的石灰導(dǎo)致土顆粒處于“懸浮”狀態(tài)。軸向荷載作用下，消石灰最先產(chǎn)生裂縫并逐漸貫通，土顆粒對(duì)承受軸向荷載的貢獻(xiàn)大大減小。因而試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低，壓縮試驗(yàn)后試樣破碎，裂隙極為發(fā)育。