石灰改良黏土路用性能試驗研究

吳進來

(武漢生態環境設計研究院有限公司,湖北 武漢 430050)

路基是道路的重要部分,其修建要求保證其強度和穩定性。而路基填料的性能直接影響道路質量的好壞。隨著我國道路建設范圍的不斷擴大,不可避免地經過一些高液限黏土地區[1]。而路基填料一般是就地取材,這樣就需要考慮路基填料土的可用性。高液限黏土路用性能較差,將其直接用于路基的填料時,會發生邊坡溜塌、塌滑,路基外擠、下沉等嚴重病害[2]。因此,《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)和《公路路基施工技術規范》(JTG/T 3610—2019)對高液限黏土作出了嚴格的規定,必須對其廢棄或進行改良處理后,使其性能符合標準要求,方可用作路基填料[3]。對高液限黏土采用傳統換填方法處理,由于處理不當,可能會引起翻漿、不均勻沉降等問題,影響道路的工程質量。根據國內學者對高液限黏土的研究結果可知,采用石灰作為高液限黏土的改良材料,可改善其路用性能,滿足道路路基填料的使用要求[4]。但是,每個地區的黏土性質存在差異,需要的石灰摻量也不相同。因此,應針對施工地區黏土的物理力學性質,確定最佳的石灰摻量,以達到改良效果。

1 高液限黏土改良機理

1.1 高液限黏土

液限是流態轉入可塑狀態的界限含水量。判別高液限黏土的3個指標為:<0.074 mm的顆粒含量>50%、液限>50%,塑性指數>26[5]。高液限黏土壓實性差,具有明顯的應變軟化。高液限黏土含有大量的蒙脫石、高嶺石、伊利石。蒙脫石晶格層間聯接依靠范得華力,晶胞之間容易進入水分子,晶胞距離增大;由于同晶置換作用,大量的Na+、Ca2+填充,導致顆粒間的膨脹。高嶺石晶胞靠氧原子與氫氧基之間的氫鍵聯結,聯結力較強,水分子不能進入,親水性及膨脹性較前兩種礦物成分小。伊利石晶格間連接力較強,陽離子主要為Na+、K+,水分子不容易進入。性質介于蒙脫石和高嶺石之間,隨著層間K+含量的減少,性質接近于蒙脫石。

1.2 高液限黏土改良機理

高液限黏土透水性較差、毛細現象明顯、弱膨脹性、可塑性大。將其用于路基工程中,會產生各種不良病害,因此,需對其進行改良,否則無法滿足公路工程的需要。將石灰與高液限黏土拌和,兩者發生一系列的物理化學反應,降低高液限黏土表面的結合水膜厚度,并形成水化硅鋁酸鈣等膠結物,經石灰改良后的高液限黏土強度和水穩定性均會有所提升[6]。具體反應過程有以下作用:(1)水化作用。高液限黏土中含有較多自由水,當摻入石灰后,會提高灰土體系的pH值,并顯著降低土體的含水量,提升硅酸鹽和鋁酸鹽的溶解度,使水化反應加速完成。(2)離子交換作用。由于水化作用,會產生較多的游離Ca2+,置換出黏土表面的陽離子,降低高液限黏土顆粒之間的排斥性,使黏土顆粒聚集密實,提升黏土結構的穩定性。(3)結晶作用。部分Ca(OH)2受到體系中水分的影響,形成Ca(OH)2·nH2O晶體,與黏土顆粒結合為共晶體,改善黏土的穩定性和強度。(4)碳化作用。Ca(OH)2吸收空氣中的CO2后生成CaCO3,使高液限黏土的強度明顯提升。

2 試驗材料

2.1 土樣材料

表1 粉質黏土的物理力學性質

2.2 粉質黏土用于路基填筑的可行性

本項目路段區域粉質黏土的細顆粒含量較大,粒徑主要分布在0.25～0.075 mm范圍之間,壓縮系數為0.13 MPa-1,自由膨脹率為43.38 MPa,滲透系數為2.0×10-6cm/s,黏聚力63.83 kPa,內摩擦角15.29°。由以上數據分析得知,該區域粉質黏土具有弱-中等膨脹性、微透水,高承載力等特點,具有改良利用的可行性。根據以往的高液限黏土路基修筑經驗,需采用注漿加固法對粉質黏土層進行地基處理,以處理后形成的復合地基作為路基基礎持力層。

2.3 改良材料

試驗所用石灰為分析純熟石灰,呈灰白色粉末狀,主要成分為Ca(OH)2,滿足試驗要求。

3 試驗方法

對K0+000～K5+160路段的高液限粉質黏土取樣,進行物理力學試驗,分析總結不同摻灰率對高液限粉質黏土的改良效果[8]。

3.1 液塑限試驗

摻灰率對改良效果影響較大,它是指石灰質量與干土質量之比。將試樣土風干后,按比例稱取一定質量的石灰摻入干土中,拌和均勻,摻灰率選取為0%,2%,4%,6%、8%、10%六種比例,利用液塑限聯合測定儀,對不同摻灰率的土樣進行液限、塑限試驗。

3.2 擊實試驗

參考《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)進行擊實試驗,粉質黏土與0%,2%,4%,6%、8%、10%的石灰均勻混合,按照干法制備試樣工藝,每種土樣5個試樣,含水量按照2%含水量依次遞增。將試樣均勻置于干燥的鐵盤內,并用保鮮膜封蓋進行燜料1 d。擊實時,將試樣分三層裝入擊實筒內,擊實數控制98擊。每層擊實完成后,要對擊實表面“拉毛”處理。待三層擊實全部完成時,經試樣沿擊實筒頂削平、擊實筒稱重、試樣取出擊實筒等一系列操作,測量土樣中心部位含水率,得出含水量和最大干密度[9]。

3.3 無側限抗壓強度試驗

每種試樣根據擊實試驗的最佳含水量,控制壓實度96%,按照干法和靜壓法制備Φ50 mm×50 mm的圓柱體。將其放入標準養護室進行養護,養護環境為溫度20 ℃、濕度95%,養護28 d。采用三軸壓縮儀測試無側限抗壓強度,加載速率為1 mm/min,揭示試樣的結構強度及變化規律[10]。

3.4 承載比試驗(CBR)

承載比試驗(CBR)表征了粉質黏土在不同摻灰率下的承載能力,評判經石灰改良后的粉質黏土是否滿足路用性能。為了獲取不同摻灰率下粉質黏土的CBR試驗結果,選取0%,2%,4%,6%、8%、10%六種摻灰率,試樣制備方法同上述擊實試驗,控制好試樣的最佳含水率,成型壓實度為96%,而后采用路面材料強度儀對試樣進行貫入試驗,測試CBR。

4 石灰改良土試驗結果與分析

4.1 液塑限試驗

根據試驗得出不同摻灰率的黏土液限和塑限,并由公式(1)計算得出塑性指數,結果如表2及圖1、圖2所示。

圖1 石灰改良黏土液塑限曲線

圖2 石灰改良黏土塑性指數曲線

表2 不同摻灰率的黏土液塑限指標 單位:%

Ip=WL-WP

(1)

式中:Ip為塑性指數,%;WL為液限,%;WP為塑限,%。

由表2及圖1、圖2得知,黏土液塑限指標隨著摻灰率的逐漸增加,液限值逐漸下降,塑限有小幅度的增加,塑性指數呈下降變化趨勢。當摻灰率增加到8%時,液限為47.1%,塑限為35.1%,塑性指數為12.0。當摻灰率達到10%時,液限為46.8%,僅比摻灰率8%下降了0.3%;塑限為35.3%,僅比摻灰率8%增加了0.2%;塑性指數為11.5%,僅比摻灰率8%下降了0.5%,三者變化幅度較小。因此,采用石灰對黏土改良時,摻灰率不是越大越好,在8%左右較為合適,達到改良效果。液限下降的主要原因是由于石灰與黏土反應生成Ca(OH)2等膠結物質,減少了黏土中的自由水,并且Ca2+與土顆粒表面的Na+、K+發生了置換,黏土顆粒的親水性下降,增大了顆粒間的作用力。另外,膠結物質將松散的土顆粒包裹起來,土體的儲水能力得到削弱,表現為改良黏土的液限出現下降。

4.2 擊實試驗

通過擊實試驗得出不同摻灰率改良黏土試驗結果,如圖3所示,最大干密度及最佳含水率數據如表3所示,變化曲線如圖4、圖5所示。

圖3 石灰改良黏土擊實曲線

圖4 石灰改良黏土最大干密度曲線

圖5 石灰改良黏土最佳含水率曲線

表3 不同摻灰率黏土最大干密度及最佳含水率

由表3及圖4、圖5得知,黏土擊實特性隨著摻灰率的逐漸增加發生變化,黏土的最大干密度在1.54～1.65g/cm3范圍之間。摻灰率在0%～8%之間時,曲線變化幅度大,最大干密度從1.65 g/cm3降低到1.55 g/cm3,共降低了0.1 g/cm3;對應的最佳含水率從22.8%增加到25.6%,共增加了2.8%。但摻灰率超過8%時,曲線變化逐漸減緩,摻灰率在8%～10%之間時,最大干密度變化0.1 g/cm3,最佳含水率變化0.2%。因此,摻灰率應控制在8%左右。最大干密度減小的主要原因是石灰反應生成了Ca(OH)2等膠結物質,促使黏土顆粒產生團聚效果,改變了黏土的壓實性能。

4.3 無側限抗壓強度試驗

根據無側限抗壓試驗,得出不同摻灰率與養護齡期的抗壓強度數據,如表4所示,對分析摻灰率與養護齡期對抗壓強度的影響,如圖6、圖7所示。

圖6 石灰改良黏土無側限抗壓強度與摻灰率的關系曲線

圖7 石灰改良黏土無側限抗壓強度與養護齡期的關系曲線

表4 不同摻灰率與養護齡期下抗壓強度

由表4及圖6、圖7得知,不同摻灰率均可以提高黏土的無側限抗壓強度。在同一養護齡期下,當摻灰率為8%時,抗壓強度最大,超過8%時,抗壓強度呈現下降趨勢,因此,最佳摻灰率為8%。在同一摻灰率下,隨著養護齡期增加,抗壓強度不斷變大。養護齡期在7 d到14 d之間,抗壓強度增加速度較快,超過14 d增加速度逐漸變小,養護28 d的黏土抗壓強度相比養護14 d變化很小。出現該現象的原因是由于黏土初期強度較小,水化作用及結晶作用促進強度變化較快。

4.4 承載比試驗(CBR)

根據承載比試驗(CBR),得出不同摻灰率的黏土承載比和膨脹量結果,如表5所示。根據結果得到摻灰率與承載比、膨脹量的關系,如圖8、圖9所示。

圖8 石灰改良黏土承載比與摻灰率的關系曲線

圖9 石灰改良黏土膨脹量與摻灰率的關系曲線

表5 不同摻灰率的黏土承載比和膨脹量

由表5及圖8、圖9得知,黏土的承載比隨著摻灰率的增大而變大,呈階段性變化。摻灰率為0時,黏土的承載比為2.3%;摻灰率達到10%時,黏土的承載比為36.8%,承載比得到大幅度的提升,遠遠滿足路基規范要求。但是,當摻灰率在8%～10%之間時,變化幅度逐漸減小,曲線逐漸變得平緩。黏土的膨脹量隨著摻灰率的增大而變小,當摻灰率為0%～8%之間時,膨脹量由4.26%下降至0.58%;膨脹量持續下降。而摻灰率為8%～10%之間時,膨脹量略有上升,當摻灰率達到10%時,膨脹量上升為0.72%。由試驗數據可以看出,高液限黏土經石灰改良后,工程特性得到了明顯的改善。

5 結 論

高液限黏土具有遇水膨脹、失水收縮和壓實性差等特點,作為路基填料時必須進行改良。選取武漢富強大道工程K0+000～K5+160路段的高液限黏土為研究對象,對石灰改良后的黏土進行試驗分析,得出以下結論。

(1)經石灰改良后的黏土,液限和塑性指數均得到了降低,塑限得到了提升。超過8%摻灰率時,液限、塑性指數和塑限變化幅度較小,證明摻灰率對最佳含水量有所提升,但并不是越大越好。

(2)隨著摻灰率的逐漸增加,黏土的最大干密度減小,在1.54～1.65 g/cm3范圍之間變化,最優含水率增大,在22.8%～25.87%之間變化。摻灰率在0%～8%之間時,曲線變化幅度大。摻灰率在8%～10%之間時,曲線變化幅度減緩。

(3)隨著摻灰率和養護齡期的增加,改良黏土的無側限抗壓強度均會增加。但在同一養護齡期下,8%摻灰率時,無側限抗壓強度最大。在同一摻灰率下,養護齡期14 d時,無側限抗壓強度變化趨勢較大。

(4)經石灰改良后的黏土,承載比由2.3%增加到36.8%,得到大幅度的提升,但摻灰率超過8%后,變化幅度變小。膨脹量在摻灰率為8%時,達到了最小值0.58%。

綜上得出,對該工程案例的高液限黏土進行石灰改良時,摻灰率不宜超過8%。