过量石灰对细粒土改良效果“负效应”机理的宏-细观试验研究

王章琼，白俊龙，叶张颜

1.武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074；2.恩施市公路管理局，湖北 恩施 445000

随着我国交通、水利、市政等建设的快速发展，在工程中遇到的特殊土（如软土、黄土、膨胀土等）问题也越来越多。当这些特殊土作为建筑地基或建筑材料时，则必须进行土质改良。石灰具有便于就地取材、价格低廉、环境友好、耐久性好等显著优点［1-2］，在特殊土改良中得到广泛应用［3-4］。

大量研究表明，土体掺入石灰后其强度特性［5-6］、变形特性［7］、水稳定性［8］、抗冻性等均会得到明显改良。同时也有学者发现，当其他条件一定时，改良土试样无侧限抗压强度、抗剪强度与石灰掺量并不呈正相关，石灰掺量过高时反而会导致改良土力学性质发生劣化，并据此提出最优石灰掺量［9-10］，但未对该现象产生机理进行深入分析。

对于石灰掺量过高时对土体改良效果产生“负效应”机理的研究，目前主要是从化学反应、固化土微观结构特征、特殊化学成分生成及其含量变化等方面进行探讨。有学者认为，当石灰添加量超过最佳添加量时，一部分石灰作用于土体，另一部分残留在土中导致土颗粒之间的结合力减小，进而降低改良土无侧限抗压强度［11］；也有学者从无侧限抗压试验应力-应变曲线、试样变形破坏形式的角度分析石灰掺量对改良土力学性质的影响［12］。此外，还有学者从微观角度探讨石灰掺量对特殊土改良效果的影响［13-15］。

综上，目前在石灰掺量对土体改良效果“负效应”产生机理研究方面，主要采用抽象理论分析，无法直观揭示问题本质；也有从微观结构特征角度进行分析，然而无法明确地建立起微观结构与宏观力学行为之间的联系。本文拟制备不同石灰掺量的红砂岩残积土试样，养护后分别进行无侧限抗压试验和扫描电子显微镜（scaning electron microscope，SEM）试验，获得试样最优石灰掺量，并通过对压缩试验中试样变形破坏形式及改良土试样颗粒与石灰空间排列情况的分析，从宏观-细观角度揭示石灰掺量过大时改良土力学特性劣化机理。

1 试验部分

1.1 试验材料

1.1.1 砂 土 试验采用的砂土为红砂岩残积土［16］，取自恩施市城区，其天然含水量为8.2%，天然密度为1.49 g/cm3，最大干密度为1.72 g/cm3，最优含水量为12.4%。

通过筛分法得到红砂岩残积土的颗粒级配曲线（图1），其不均匀系数Cu=3.4＜5，为均匀土，级配不良，不宜直接用作路基填土。1.1.2 石灰 试验用石灰为生石灰，CaO质量分数不低于98%，烧失量为2%，为化学试剂用CaO。

图1 红砂岩细粒土颗粒级配曲线Fig.1 Particle size analysis of fine grained soil of red sandstone

1.2 试样制备

为确保石灰在土中均匀分布，首先将石灰粉末与风干红砂岩残积土混合并搅拌均匀，然后洒水拌和，并密封闷料。

1.3 无侧限抗压试验

制备压实度为95%、含水量为12.8%（最优含水量）的圆柱试样，尺寸为5 cm×5 cm。将试样分为5组，各组试样掺入石灰的质量分数分别为5%、7%、9%、11%、13%，每组6个。将每组试样再分成2小组，每小组3个试样，各小组试样分别在标准养护条件下养护28、60 d后进行无侧限抗压试验。

1.4 SEM试验

采集无侧限抗压试验后的试样破碎块体（养护龄期为28 d，掺入石灰的质量分数分别为5%、7%、9%、11%、13%）制备样品，用于SEM试验。此外，制备压实度为95%、含水量为12.8%的未掺灰素土试样用于对比。具体操作方法为：用手掰开破碎块体，使之出现新鲜断裂面；用刀片切削块体侧面及底面，得到SEM试样，并分别进行编号。

2 结果与讨论

2.1 无侧限抗压试验

2.1.1 不同石灰掺量改良土试样的无侧限抗压强度 养护龄期分别为28、60 d的石灰改良红砂岩细粒土无侧限抗压强度与石灰掺量关系如图2所示。可以看出，石灰掺量对改良土无侧限抗压强度影响显著：

图2 无侧限抗压试验结果Fig.2 Results of unconfined compression test

1）相同养护龄期条件下，无侧限抗压强度随石灰掺量的增大而先增大后减小，存在明显的峰值，对应的最优石灰掺量约为11%。且养护龄期为28 d和60 d的改良土对应的最优石灰掺量基本一致，均为11%。这表明在一定范围内提高石灰掺量，可以有效提高改良土的无侧限抗压强度，但石灰掺量超过最优值后，反而会对改良土力学特性产生“负效应”。

2）相同石灰掺量条件下，养护龄期为60 d的改良土试样无侧限抗压强度明显大于养护龄期为28 d的试样，前者约为后者的1.28～1.40倍。可能是因为养护60 d的试样，石灰与土颗粒、水的物理化学反应比养护28 d的试样更完全。

2.1.2 试样变形破坏形式 养护龄期为60 d，掺入石灰的质量分数分别为5%、7%、9%、11%、13%的改性土试样，其无侧限抗压试验后变形破坏形式如图3所示。可以看出，石灰掺量为5%时［图3（a）］，压缩试验后试样出现1条纵向主裂缝，试样表面几乎未出现剥落现象。石灰掺量为7%［图 3（b）］、9%［图 3（c）］、11%［图 3（d）］时，试样出现多条纵向贯通主裂缝，且沿主裂缝发育多条纵向非贯通裂缝；试样表面出现规模不等的剥落，剥落块体体积与掺灰量正相关；试样破坏后仍较完整，轴向荷载达到峰值后具有一定残余强度，表明石灰提高了试样的脆性。当石灰掺量达到13%时［图3（e）］，试样内部纵向裂隙极为发育，试样大部分剥落成散体，整体松散破碎，轴向荷载达到峰值后残余强度急剧下降，表明改良土脆性进一步提高。整体而言，石灰掺量与改良土变形破坏形式相关性显著，试样内部裂隙规模和数量均随石灰掺量的增大而增大。

2.2 不同石灰掺量改良土试样的内部微观结构

石灰掺量不同时，土体微观结构必然会有差异。为了解石灰掺量对改良土微观结构的影响，通过SEM试验，观察不同石灰掺量改良土试样内部微观结构特征（图4）。

图3 不同石灰掺量试样的破坏形式实物图和示意图（龄期 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，未掺石灰时［图4（a）］，土颗粒之间接触较紧密，但没有黏性矿物联结，孔隙率较大；石灰掺量为5%［图4（b）］时，土颗粒之间有石灰胶结联结，且石灰填充了部分孔隙；当石灰掺量增大到 7%［图 4（c）］、9%［图 4（d）］、11%［图 4（e）］时，参与胶结土颗粒的石灰逐渐增多，孔隙率逐渐降低，土体骨架的整体性得到较大提高；当石灰掺量增大到13%［图4（f）］后，土颗粒之间充填石灰的厚度进一步增大，土颗粒失去直接联结，“悬浮”于石灰之中。

2.3 石灰掺量对改良效果的影响机理

图4 不同石灰掺量试样的SEM图：（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%

土体是由矿物颗粒按照一定规律在空间上组合而成，其微观结构特征决定了宏观力学行为。为进一步分析石灰掺量对改良土试样微观结构及宏观力学特性的影响，基于无侧限抗压及SEM试验结果，绘制了不同石灰掺量试样微观结构及破坏形式示意图（图5）。可以看出，不同石灰掺量的试样，其微观结构特征与无侧限抗压强度、变形破坏形式具有明显相关性。

当石灰掺量由5%［图5（a）］增大到11%［图5（d）］，石灰填充了土颗粒之间间隙，石灰将土颗粒胶结在一起，增强了砂土的整体性。轴向压缩时，竖向荷载由土颗粒和土颗粒间石灰共同承担；随着荷载的增大，消石灰发生脆性破坏，试样内部多处出现纵向裂隙，裂缝逐渐扩展并贯通，最终试样破坏。

当石灰掺量达到13%时［图5（e）］，由于充填石灰过多，土颗粒无法构成整体骨架。轴向压缩时，竖向荷载主要由土颗粒间石灰承担，而土颗粒对无侧限抗压强度的贡献远低于颗粒间石灰。因而其无侧限抗压强度反而小于石灰掺量为11%的试样，且试样内部裂隙极为发育，脆性增强。

图5 不同石灰掺量试样微观结构及破坏形式示意图：（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 结 论

1）养护龄期相同时，试样无侧限抗压强度随掺入石灰的质量分数的增大而先上升后下降，掺入石灰的最优质量分数约11%。石灰掺量相同时，养护60 d的试样无侧限抗压强度高于养护28 d的试样。

2）随着石灰掺量的增大，无侧限压缩试验过程中试样内部纵向裂隙数量及规模逐渐增大，试样脆性逐渐增强。

3）未掺石灰时，试样土颗粒之间连接紧密，但无胶结联结；掺入石灰的质量分数增大到5%、7%、9%、11%时，土颗粒之间孔隙被消石灰填充，消石灰将土颗粒联结起来，增强了砂土颗粒的整体性；掺入石灰的质量分数达到13%时，充填的石灰厚度过大，土颗粒“悬浮”在石灰之中。

4）石灰掺量过大导致改良土力学性质劣化的主要原因是过量的石灰导致土颗粒处于“悬浮”状态。轴向荷载作用下，消石灰最先产生裂缝并逐渐贯通，土颗粒对承受轴向荷载的贡献大大减小。因而试样无侧限抗压强度反而降低，压缩试验后试样破碎，裂隙极为发育。