重塑石灰土的强度恢复方法与机制初探

谈云志，喻 波，刘 云，左清军，胡莫珍，郑 爱

（三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002）

1 引言

添加石灰或水泥等材料可以提高土体的强度和水稳定性，特别是对于膨胀土、红黏土、软土等这类特殊土具有十分显著的效果[1－5]。但随着工程服役期限逼近或工程过早发生灾变，早期利用石灰土处治的工程将面临重建、改造等问题。谈云志等[6]对重塑石灰土的力学特征与性能劣化机制开展了相关研究，发现重塑过程中破坏了石灰土的胶结强度，致使黏聚力部分丧失，从而降低了其力学性能。然而，石灰稳定土呈碱性，如果随地弃置将严重污染周边土壤；另外，需寻找其他填筑材料进行置换，显然既不环保又不经济。那么如何恢复石灰土的强度，选择何种外添剂能有效提高重塑石灰土的力学强度呢？由于石灰稳定土工程还未进入重建、翻修的鼎盛时期，故有关石灰稳定土再利用的研究成果鲜有报道。

破碎后的石灰稳定土黏粒（粒径＜0.002mm）含量由改良前的31.5%下降至改良后的5.1%，出现了明显的“砂化”现象[6]。而“二次掺灰”施工工艺就是利用焖料过程降低黏土的天然含水率，充分利用其“砂化”特性提高石灰土的碾压性能[7－9]。因此，石灰稳定土再利用技术的研究可以借鉴“二次掺灰”的基本原理进行探索，但到底是继续添加石灰还是水泥进行改良，还没有明确的结论。

为此，论文以破碎的石灰稳定土（简称重塑石灰土）为研究对象，分别添加石灰和水泥进行再次改良（简称石灰再改良土和水泥再改良土），对比分析石灰再改良土、水泥再改良土、重塑石灰土的工程特性，借助粒度分析、扫描电镜和X射线衍射等试验揭示重塑石灰土的强度再生机制，为重塑石灰土的再利用提供理论参考依据。

2 试验方案

2.1 试验材料

重塑石灰土是由红黏土添加4%的石灰改良养护完成后经过人工破碎而成。

表1 试样的物理性质[6]Table 1 Physical properties of specimens

试验用石灰的CaO含量为73.4%，MgO含量为1.5%，烧失量为25.1%，属于优质石灰；试验用水泥为普通硅酸钙水泥。

2.2 试样制备

将石灰土试样用橡胶锤破碎后过2 mm孔径的筛，分别掺5%石灰和5%水泥后制备土样放在保湿箱中养护7 d。石灰再改良土和水泥再改良土的制样干密度分别为1.30、1.34 g/cm3，试样含水率为最优含水率32.1%。

具体制样步骤如下：①根据最优含水率配制土样，用塑料袋密封放置保湿箱内静置7 d；②根据干密度和初始含水率计算每个试样的湿土质量后，将称好的土样倒入预先定制好的钢模内进行静压成型；③试样成型后用密封袋封装好，再次放入保湿箱内以供试验所用。

压缩和直剪试验用试样为环刀样，其尺寸为φ61.8 mm、高20 mm；无侧限抗压强度试验用试样为圆柱样，其尺寸为φ50 mm、高100 mm。

2.3 试验方法

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程JTG E51—2009》[10]、《公路土工试验规程JTG E40—2007》[11]等规范，从土体的压缩特征、无侧限抗压强度、直接剪切强度角度研究石灰再改良土、水泥再改良土以及重塑石灰土的工程力学特性，试验时试样保持制样时的湿度状态；宏观力学试验结束后把试样按照粒度分析、扫描电镜和X射线衍射试验的要求制备完成后进一步开展微观试验。

3 试验结果分析与讨论

3.1 压缩特性

重塑石灰土、石灰再改良土和水泥再改良土的压缩曲线如图1所示。

当你要切东西或者钻洞的时候，可能会用到楔子。它有时是圆圆的、尖尖的，像图钉一样；有时是长长的、薄薄的，像刀一样。

图1 e-P 曲线Fig.1 e-P curves

为进一步分析两种再改良土的压缩特性，计算了压缩系数，如表2所示。

表2 试样压缩系数Table 2 Compressive coefficients of specimens

从图1可以看出，应力0～200 kPa范围内，石灰再改良土与水泥再改良土压缩量基本相同，当应力超过200 kPa以后至800 kPa时，前者的压缩量明显要低于后者的压缩量，后者的压缩曲线变得陡峭，这说明当超过应力200 kPa以后，水泥再改良土的结构性趋于屈服状态。但相土粒相对密度塑石灰土而言，经石灰或水泥再改良后其压缩量都下降了50%左右。

图2为石灰再改良土与水泥再改良土放大2 000倍后的微观形貌图。

图2 扫描电镜图Fig.2 Images of scanning electron microscope

重塑石灰土加入水泥后形成硬化片状物，虽然固体片状物自身很密实，但其整体结构仍存在较大的孔隙，片状物呈现面-边或面-点接触的排列模式，没有形成很好的定向排列，所以仍存在被压实的空间。虽然石灰再改良土也存在孔隙，但团粒之间形成较稳定的联接。因此，当应力超过200 kPa后水泥再改良土压缩性比石灰再改良土大。

3.2 强度特性

石灰再改良土、水泥再改良土的无侧限抗压强度应力-应变曲线如图3所示，压实度分别为90%、93%。

取应力-应变峰值，得到石灰再改良土、水泥再改良土的无侧限抗压强度如表3所示。

图3 轴向应力与应变的关系Fig.3 Relations between axial stress and strain

表3 无侧限抗压强度Table 3 Unconfined compressive strengths

石灰再改良土和水泥再改良土直剪试验的典型应力-位移曲线，如图4所示。

图4 剪切应力与位移的关系Fig.4 Relations between shear stress and displacement

通过直线拟合获得的内摩擦角φ和黏聚力c 强度参数，如表4所示。

表4 试样剪切强度指标Table 4 Parameters of shear strength of specimens

石灰再改良土的内摩擦角较重塑石灰土提高了1倍左右；水泥再改良土的内摩擦角较重塑石灰土提高了50%左右。石灰再改良土和水泥再改良土土粒相对密度塑石灰土的黏聚力都略有增加，但增加的幅度不大。

3.3 讨论与分析

3.3.1 团粒化效应

为揭示掺入石灰或水泥再改良后，重塑石灰土的强度再生机制，进行了粒度分析和扫描电镜试验，试验结果分别如图5、6所示。

图5 粒度分析曲线Fig.5 Particle size distribution curves

粒度分析曲线表明，石灰再改良土的团粒主要分布在粒径0.32～120.2 μm范围内，含量占69.8%；水泥再改良石灰土的团粒则主要分布在粒径0.32～275.4 μm范围，内含量约占58.1%，再次说明掺水泥再改良的团粒化效果没有石灰再改良土的效果好。

图6(a)为石灰再改良土的微观形貌。可以看出石灰与团粒之间发生充分反应，石灰土团粒之间以及黏土颗粒由钙化结晶物包裹，形成了较为稳定的土体结构。图6(b)为水泥再改良土的微观形貌图，与图6(a)相比，胶结物包裹石灰土颗粒和团粒的现象不明显，存在许多类似水泥硬化薄片的物质填充在土粒周围，轮廓分明，硬化薄片未能把团粒与团粒胶结在一起形成更大的团粒，而且自身呈边-边和点-边接触状态，形成不稳定的孔隙构架。因此，石灰再改良土团粒化效果比水泥再改良土的效果好。

图6 扫描电镜图片Fig.6 Images of scanning electron microscope

3.3.2 胶结强度

依据石灰和水泥水化机制可知，起胶结作用的物质主要是水化硅酸钙、水化铝酸钙、氢氧化钙等[12－15]。借助X射线衍射方法（XRD）探测石灰和水泥再改良土中的胶结成分，如图7所示。

XRD图表明，重塑石灰土经石灰、水泥再改良后均生成了Ca(OH)2结晶体、硅酸盐类水化物、碳酸钙、氯酸钙等胶结物。

结合热重分析方法（TGA）确定胶结物的含量，如图8所示。图中，TG为热作用下重量的损失量；DTC 是对TG 曲线求微分。

图7 X射线衍射图Fig.7 Curves of X-Ray diffraction

图8 热重分析曲线Fig.8 Curves of thermo gravimetric analysis

经计算，石灰再改良土、水泥再改良土在200～550 ℃范围内分别分解了4.42%、3.47%；在550～650 ℃范围内分别分解了1.3%、2.11%；在650～800 ℃范围内分别分解了1.73%、1.64%。联合XRD试验结果可知，在200～550 ℃内分解的物质为Ca(OH)2胶结物；在550～650 ℃分解的物质为硅酸盐类胶结物；在650～800 ℃范围内分解的物质为碳酸钙胶结物。可以看出，石灰再改良土中的Ca(OH)2与碳酸钙胶结物明显多于水泥再改良土，进一步佐证添加石灰更能促进重塑石灰土的强度再生。虽然水泥再改良土中硅酸盐类胶结物含量高于石灰再改良土，但由于水泥水化后产生的大量硅酸盐类胶结物自身凝固形成薄片硬块，见图6(b)。这些胶结物并没有把石灰土的团粒相互胶结在一起，对重塑石灰土的强度恢复贡献不大。

水泥改良土体的机制包括两个过程：①水泥水化后生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙；②氢氧化溶液再与黏土中的活性氧化钙和氧化铝反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶。式（1）、（2）分别为硅酸三钙和硅酸二钙的水化过程。

从化学反应的平衡过程来看，重塑石灰土前期残存有氢氧化钙，导致溶液中氢氧化钙的浓度较高，客观上阻碍了硅酸三钙等的水化进程，从而导致水泥水化第一过程中水化硅酸钙凝胶的生成量减少。而石灰增强土体强度的机制主要包括离子交换、碳化和灰结等过程，显然重塑石灰土残存的氢氧化钙对再添加石灰改良没有不利的影响。

4 结论

（1）掺石灰和水泥再次改良后，重塑石灰土的无侧限抗压强度较重塑石灰土而言均得到大幅提高，其中掺石灰再改良效果要好于掺水泥再改良。

（2）细观试验结果表明，石灰再改良土中石灰与团粒之间发生充分反应，形成了较为稳定的土体结构。而水泥再改良土中胶结物包裹石灰土颗粒和团粒的现象不明显，存在许多类似水泥硬化薄片的物质填充在土粒周围，但未能把不同团粒相互胶结在一起形成更大的团粒，而且自身呈边-边和点-边接触状态，形成不稳定的孔隙构架。

（3）导致水泥再改良土的效果不及石灰再改良土效果好的主要原因是重塑石灰土前期残存有氢氧化钙，导致溶液中氢氧化钙的浓度较高，客观上影响了硅酸三钙等的水化进程，从而导致水泥水化第一过程中水化硅酸钙凝胶的生成量减少。

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