生石灰改良高液限黏土的无侧限抗压强度试验研究

蔡宁生

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

生石灰改良高液限黏土的无侧限抗压强度试验研究

蔡宁生

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

为研究高液限土的化学改良效果，文章以广西宁明高液限黏土为对象，在分析基本工程特性的基础上，采用生石灰、二灰(生石灰+水泥)为添加剂，进行不同配比处治土的液塑限试验、击实试验及无侧限抗压强度试验，研究石灰的改性方法及经处治后的特殊土的物理力学特性。研究表明：掺石灰对高液限土强度的增长效果显著，当掺量为5%、7%时均能满足CBR值>3%且胀缩总率<0.7%的规范要求。

高液限土；化学改良；石灰；水泥；无侧限强度

0 引言

公路建设中常常会遇到高液限、低CBR值的黏土。根据以往工程实践，要使路基压实度达到规范规定的重型击实标准，土的含水量应在最佳含水量时才能实现，要达到这个目的，如果只靠工地上翻松晾晒，不仅投入大、效果差，而且还受天气制约，工期无法保证，必须进行一定的改良。

化学改良是膨胀土常用的工程处治措施之一，在公路工程中常用的化学改良材料有：石灰、粉煤灰、水泥、化学稳定固化剂、砾石等[1]。目前关于高液限黏土的掺灰改良研究，主要集中在通过室内试验来探讨掺灰对高液限黏土的抑制效果以及对强度的增长作用。本文以广西宁明高液限黏土为处治对象，通过试验研究石灰的改性方法及经处治后的特殊土的物理力学特性，为处治土路基施工质量控制提供借鉴依据。

1 土性试验

1.1 基本土性试验

勘探结果表明南宁外环公路沿线膨胀土主要分布于高峰林场至五塘镇一带的K6+000～K29+700段，结合公路沿线的工程地质情况，选取了3个有代表性的取样点取样开展土的基本性质试验，试验按JTG E40-2007要求进行，试验结果见表1。

表1 土样的物理性质指标表

从表1可知，实测土样的自由膨胀率为46%，塑性指数为43.2，按现行公路路基设计规范判定为中膨胀土。

1.2 试验方法

在本次试验中采用生石灰、二灰(生石灰+水泥)为添加剂，在进行不同配比的处治土的击实试验、CBR试验及进行处治土的液塑限、击实及CBR值试验，通过试验结果的分析，初步筛选确定添加剂的种类；最后进行处治土的无侧限等试验。为方便说明，对处治土的名称进行说明，详见表2。表中风干土的含水率均为6%。

表2 处治土掺入量表

2 路用性能试验

2.1 界限含水率试验

通过对掺加不同添加剂的处治土进行不同龄期的液塑限试验，可了解添加剂对高液限黏土界限含水率的影响，以及闷料时间对其物理性质的影响。

试验中，将过0.5 mm筛的风干土样与规定量的添加剂均匀拌和，然后加入适量的水(水量按击实试验所确定的最佳含水率添加，以保证添加剂能充分反应)搅拌均匀，最后将试样装入塑料袋中密封至规定龄期再进行试验。对土样进行试验，取龄期分为1 d、7 d、28 d，试验成果见表3。

表3 处治土的液、塑限试验成果表

从表3试验结果可以看出，石灰、二灰两种添加剂对高液限黏土的稠度均有一定影响，其主要是大幅降低了高液限黏土的液限，而塑限的变化不大；液限随着添加剂掺入量的增加而降低，降低的幅度是趋于稳定的。

2.2 击实试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)进行。对于添加剂为生石灰、二灰土的处治土，击实料均为将添加剂与风干土拌和，然后按要求制备多个不同含水率的一组试样，将试样放置24 h后再进行击实试验，击实采用重型击实。测试结果见下页表4。

由表4可以看出：

(1)添加生石灰时，试样最大干密度的增大趋势随石灰掺入量的增加而平缓，且试样的最佳含水率随掺入量的增加而增大。

(2)添加剂为二灰时，试样最大干密度值随掺入量的增加而降低；而最佳含水率则随掺入量的增加而增大。

表4 处治土击实、承载比试验成果表

因为高液限黏土在低含水率的情况下强度过高，难以碾压击实，且在低含水率、高密度情况下，一经吸水其对土的结构性破坏也比高含水率的情况要大。从以上试验结果来看，当掺入添加剂后，大部分处治土的击实区域比较宽泛，可使高液限黏土在较高的含水率的情况下进行碾压，这对工程是比较有利的。因此建议在满足密实度基础上尽量在较高含水率下进行碾压施工，对添加剂种类及掺量的选择确定，也应在满足处治强度要求的前提下选用能提高最优含水率值的添加剂种类和掺量。

(3)当添加剂为生石灰和二灰时，试样的CBR值随掺入量的增加而增大，并在掺入量为4%～5%时回落，趋于稳定。由土CBR试验可以看出，添加剂中生石灰的处治效果最佳，二灰次之。

(4)高速公路填方路基对填料的压实度及最小强度(CBR值)的要求按《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)及相关规定。

3 无侧限抗压强度试验

试验主要通过针对不同添加剂、不同龄期的处治土进行无侧限抗压强度测试，研究各种处治土的力学特性变化情况，用以评价处治效果。

3.1 试验方法

选取生石灰5%、二灰5%两种添加剂，闷料时间为1 d、3 d和7 d，分别进行承载比试验及无侧限抗压强度试验。

同时，研究不同的养护方式对处治土强度的影响。强度试验主要进行了三种情况下的无侧限强度试验：(1)处治土试样养护7 d、28 d和90 d后分别测定其无侧限强度，即对不同养护龄期的试样进行无侧限强度试验，以下称为普通无侧限强度试验；(2)干湿循环，即处治土试样养护28 d后进行5次干湿循环后测定其无侧限强度，以下称为干湿循环无侧限强度试验；(3)浸水养护，即处治土试样养护28 d后浸水21 d后再测定其无侧限强度，以下称为浸水无侧限强度试验。

处治土试样的制样含水率取击实试验的最佳含水率，试样的制样干密度为最大干密度的95%。制样流程为首先将规定数量的风干高液限黏土、添加剂放置在搪瓷盆上充分搅拌后，将规定量的水均匀地喷洒在试料上，用小铲将试料充分拌和到均匀状态，然后装入塑料口袋内浸润至规定时间。制样采用静压法，分三层压制成型。养护的方式是将试样脱模后用滤纸包好，放置于湿砂中室温养护。

干湿循环的试验流程为试样在湿砂室温养护28 d后取出称重，放置于陶瓷盘上，室温放置24 h，称重后再放于水箱内，水位高于试样约10 cm，放置24 h，即认为干湿循环一次，依此类推。

浸水试验的流程为试样在湿砂室温养护28 d后取出称重，再放置于水箱内，水位高于试样10 cm，放置21 d后取出称重，再进行无侧限抗压试验。

处治土混合料拌和均匀以后至成型前的闷料时间是影响处治土强度的因素之一。在本次试验中选取两种处治土进行不同闷料时间的对比试验，试验的目的主要为测试高液限黏土与外加剂拌和后放置不同时间(24 h、72 h、168 h)再进行力学性试验(CBR强度及不同龄期的无侧限抗压强度)，用以研究闷料时间对处治土的影响。测试结果见表5。

表5 闷料处治土的CBR试验表

从表5可知，闷料时间对不同的添加剂影响是不一样的。添加剂为生石灰5%时，闷料时间为1 d的效果最好，其CBR值最大，膨胀量最小；添加剂为二灰5%时，闷料时间为1 d与闷料3 d的效果接近，闷料3 d稍好于闷料1 d。可以发现闷料时间对处治土CBR值的影响是较大的，随着闷料时间的延长CBR值均有不同程度的下降，其中添加剂为生石灰时影响更大，因此在施工中控制合适的闷料时间是非常重要的。根据试验结果，推荐使用的闷料时间为1～3 d，根据实际项目的试验结果和施工需要确定。

3.2 普通无侧限强度试验

由CBR承载比试验结果可知，当添加剂为生石灰和二灰时，均存在一个最佳的掺入量。当生石灰掺量>7%、二灰掺量>5%时，其承载比反而降低，主要原因是当生石灰的含量超过一定数量后，多余的生石灰将沉积在土体孔隙中不参加反应，仅仅起到颗粒骨架作用，从而导致强度降低。因此在处治土无侧限强度试验中，选择生石灰3%、生石灰5%、生石灰7%、二灰3%、二灰5%和二灰7%六种添加剂。测试结果见表6。

表6 处治土无侧限抗压强度试验成果表

从表6可以看出：

(1)处治土的强度随龄期增长有所提高，当添加剂为生石灰时，qu.90/qu.7=1.70(1.50～1.85)，当添加剂为二灰时，qu.90/qu.7=2.39(2.22～2.66)。但随着龄期的增长，强度增长趋缓。

(2)处治土的强度随添加剂掺入量的增加而提高，但当掺入生石灰的量>5%时，强度就趋于稳定了。

(3)两种添加剂相比较，二灰的处治效果优于生石灰。

3.3 干湿循环无侧限强度试验

试验将试样“南友”的处治土试样养护28 d后经过5次干湿循环，再进行无侧限抗压强度试验。处治土进行干湿循环试验时，试样处于无侧限状态。湿化的描述如表7所示。

经过五次干湿循环后，除添加剂为二灰5%、二灰7%的处治土外， 其余均严重湿化崩解，

无法进行强度

试验。其中掺二灰5%的处治土在进行干湿循环五次后强度下降58%，掺二灰7%的处治土下降了43%。大部分处治土在干湿循环中发生湿化崩解现象，主要是由于试样在室温条件下风干24 h后饱和度较低，一经吸水产生过大的膨胀破坏了其结构性，说明处治高液限黏土在骤湿骤干的条件下是十分不利的。测试结果见表8。

表7 处治土干湿循环试验现象描述表

表8 干湿循环试验无侧限抗压强度试验成果表

3.4 浸水无侧限强度试验

处治土养护28 d后进行浸水试验(浸水21 d，试样外观无明显变化)，之后进行无侧限抗压强度试验，试验结果见下页表9。

表9 浸水无侧限抗压强度试验成果表

由试验成果可知，当添加剂为生石灰时，长时间浸水导致强度下降，下降幅度在20%左右。

4 结语

通过本章的研究，得到以下主要结论：

(1)从土承载比(CBR)试验可以看出，添加剂中水泥的处治效果最佳，生石灰和二灰次之，粉煤灰的效果最差，除粉煤灰外前三种均能满足规范要求。

(2)利用石灰可大幅降低高液限黏土的液限，而对塑限影响不大；石灰处治高液土，对土样的亲水性改善有一定影响；粉煤灰、水泥处治高液限黏土的效果比石灰差。

(3)添加剂为生石灰、二灰和粉煤灰时，处治土的最大干密度随添加剂含最的增大而减小，最优含水率随添加剂含量的增大而增大。

(4)处治土强度随着龄期的增长而增长，当龄期超过28 d后，其增长趋于稳定。通过浸水试验和干湿循环试验可知，随着添加剂掺入量和养护时间的增加，处治土的压缩性总体上呈降低趋势。闷料时间是影响处治土强度的因素之一，处治土存在一个最佳的闷料时间，建议施工要有效地控制闷料时间在1～3 d，以取得较好的处治效果。

(5)无侧限抗压强度测试表明，南友路处治高液土路基的质量控制标准为：生石灰采用的掺入量为5%和7%，二灰为5%、7%，其中二灰的处治效果优于生石灰。

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[7]JTG D30-2004，公路路基设计规范[S].

[8]JTG E40-2007，公路土工试验规程[S].

[9]JTJ013-95，公路路基设计规范[S].

[10]JTG E51-2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

Research on Unconfined Compressive Strength Test of High-liquid Limit Clay Improved by Quicklime

CAI Ning-sheng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to study the chemical improvement effect of high-liquid limit soil，with Guangxi Ningming high-liquid limit clay as the object，based on the analysis of basic engineering characteristics，and by using the quicklime and flyash (quicklime+cement) as the additive，this article conducted the liquid plastic limit test，compaction test and unconfined compressive strength test of the soil treated under different mixing ratio，and studied the lime modification method and the physical and mechanical properties of special soil after treatment.Studies have shown that：the lime mixing has remarkable effect on the growth of high-liquid limit soil strength，and when the mixing content is 5% and 7%，it can all meet the regulatory requirements of CBR value>3% and the total swelling-shrinkage rate <0.7%.

High-liquid limit soil；Chemical modification；Lime；Cement；Unconfined strength

蔡宁生，硕士，高级工程师，研究方向：道路与桥梁工程。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.003

1673-4874(2015)06-0008-05

2015-03-06