石灰粉煤灰水泥稳定黄土的力学性能研究

刘雄美

(中铁二十一局集团第二工程有限公司 甘肃兰州 730000)

1 引言

黄土主要分布在中亚、东亚、美国中西部[1]，天然状态的黄土稳定性好、强度较高，但遇水后黄土会出现较大的变形和强度的降低，因此，工程中经常采用无机结合材料稳定黄土提高其强度和稳定性[2－5]。黄土中添加石灰具有施工简单、成本低的优点，是最常用的稳定方法之一[6]686，但石灰稳定黄土形成胶结物的速度慢、早期强度较低[7]。

硫铝酸盐水泥具有快硬早强、环境适应性广的特点[8]620，但成本较高；粉煤灰稳定黄土不但稳定性好、强度较高及收缩小[9－10]，而且可以做到废物的二次利用。为减少硫铝酸盐水泥的使用量降低成本，采用石灰－粉煤灰－硫铝酸盐水泥综合稳定黄土，稳定材料中粉煤灰的主要成分二氧化硅、氧化铝在石灰提供的碱性环境下能较快地发生水化反应[11]3301，硫铝酸盐水泥作为快硬早强水泥为稳定黄土提供早期强度、减少养护时间。因此石灰－粉煤灰－硫铝酸盐水泥综合稳定黄土适用于对早期强度要求较高的路面基层或黄土地基的处理工程中。

硫铝酸盐水泥作为一种新型固化材料，国内外尚未见到采用石灰－粉煤灰－硫铝酸盐水泥综合稳定黄土的相关研究成果，本文选取4种不同配合比的石灰－粉煤灰－硫铝酸盐水泥综合稳定黄土作为试验土样，通过标准击实试验和无侧限抗压强度试验，研究无机结合材料掺量、养护龄期对石灰－粉煤灰－硫铝酸盐水泥综合稳定黄土力学性能的影响规律，研究成果为稳定黄土提供了一种新方法，并为黄土地区的设计施工提供指导。

2 试验

2.1 试验材料

试验所用黄土取自兰州市城关区一建筑基坑，将黄土烘干、碾碎、过0.5 mm孔径的标准筛；用比重瓶法测得黄土的比重为2.71，用液塑限联合仪测得黄土的液限27.8%、塑限12.4%，用直剪仪测得黄土的内摩擦角23.5°、粘聚力12.56 kPa。熟石灰、粉煤灰及硫铝酸盐水泥购自山东恒旺集团有限公司，熟石灰、粉煤灰及硫铝酸盐水泥的比重分别为2.49、2.28、3.15，利用X 衍射测得粉煤灰、熟石灰、硫铝酸盐水泥的化学成分如表1、表2、表3所示。

表1 粉煤灰的化学成分

表2 熟石灰的化学成分

表3 硫铝酸盐水泥的化学成分

2.2 配合比设计

无机结合材料稳定黄土用作路面基层时为达到路面强度的要求，稳定材料数量占稳定黄土总质量的20%～30%，其中石灰和粉煤灰的质量比为1∶1～1∶4[12－13]。为减少试验工作量配合比设计中稳定材料的数量取稳定黄土总质量的20%和30%，石灰和粉煤灰的质量比取1∶2，硫铝酸盐水泥的质量分别取稳定黄土总质量的1%和5%，具体配合比见表4，不同配合比稳定黄土的最优含水率和最大干密度由重型标准击实试验所得。

表4 配合比

2.3 试验方法

2.3.1 试样的制备

试样制作时采用内径61.8 mm、高125 mm的中空圆柱形金属模具，采用静压法压实试样。试样制作前先计算制作1个试样时所需混合物的质量，再按照表4的配合比计算制备一个试样所需石灰、粉煤灰、硫铝酸盐水泥、黄土和水的质量并称量，然后将所称量的黄土和石灰倒入搅拌锅中并搅拌均匀，接着加入去离子水搅拌均匀，将搅拌均匀的石灰和黄土混合物放入密封的塑料袋中，24 h后在混合物中加入预定质量的粉煤灰和硫铝酸盐水泥，并搅拌均匀；接着把稳定黄土分为5份，依次往模具中倒入每份混合物、压实每层混合物。最后，将制作完成的试样放入(20±2)℃、相对湿度95%以上的养护箱中按照预定龄期养护(1 d、7 d、28 d)。

2.3.2 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验中以1 mm/min的速率施加轴向压力直至试样破坏，由式(1)计算稳定黄土试样的无侧限抗压强度(UCS)，为减小试验误差，每个配合比制备6个试样，6个试样的UCS值不超过平均值的10%时以这6个试样UCS的平均值为该配合比稳定黄土的无侧限抗压强度值。

式中，P为试样破坏时施加的荷载；d为试样的直径，d＝61.8 mm。

3 结果与讨论

3.1 标准击实试验

采用重型标准击实试验得不同配合比稳定黄土的干密度与含水率之间的关系如图1所示，由图可得每组配合比稳定黄土的最大干密度和最优含水率如表4所示。由图1可知，随着无机结合材料掺量的增加最优含水率逐渐增大、最大干密度减小；在无机结合材料掺量一定的条件下，随着硫铝酸盐水泥掺量的增加最优含水率和最大干密度同时增大。

图1 稳定黄土的击实曲线

3.2 养护龄期对无侧限抗压强度的影响

不同配合比稳定黄土的UCS与养护龄期之间的关系如图2所示，由图2可知UCS随着养护龄期的增长而增大，且前期强度增长速度慢(1～7 d)，后期强度增长速度变快。这主要是因为前期强度主要是硫铝酸盐水泥提供，但水泥的掺量相对较少，因而前期强度较低；后期强度增长变快，主要是粉煤灰和石灰综合稳定黄土的胶结效果。

图2 养护龄期对稳定黄土无侧限抗压强度的影响

3.3 无机结合材料掺量对无侧限抗压强度的影响

不同配合比稳定黄土的无侧限抗压强度如图3所示。由图3可知同一养护龄期稳定黄土的无侧限抗压强度随无机结合材料掺量的增加而增大，这由于无机结合材料掺量越多有更多的胶凝材料与水或空气中的CO2发生反应，从而形成更多的胶结物提高稳定黄土的强度；当无机结合材料掺量相同时，随着硫铝酸盐水泥掺量的增加稳定黄土无侧限抗压强度增大，这说明硫铝酸盐水泥相比石灰和粉煤灰能更有效地提高稳定黄土的无侧限抗压强度，这与Laure的研究结果一致[8]624－625。

图3 无机结合材料掺量对稳定黄土无侧限抗压强度的影响

3.4 稳定黄土无侧限抗压强度数据的回归拟合

孔隙率是影响稳定黄土无侧限抗压强度的主要因素之一[11]3303，利用前人建立的稳定土体孔隙率计算公式(式(2))[6]695，[14]，可知孔隙率和黄土的数量、硫铝酸盐水泥、石灰、粉煤灰的体积掺量、无机结合材料的比重以及混合物的最大干密度、试样的体积有关。

式中，VS为试样的体积，取值375 mm3；ρd为试样的最大干密度；L0为黄土的含量；F为粉煤灰的体积掺量；L为石灰的体积掺量；C为硫铝酸盐水泥的体积掺量；GsL0为黄土的比重，取2.71；GF为粉煤灰的比重，取2.89；GL为石灰的比重，取2.49；GC为硫铝酸盐水泥的比重，取3.15；η为孔隙率。

根据无侧限抗压强度试验结果进行数据回归拟合建立养护龄期1 d、7 d、28 d时稳定黄土的UCS拟合曲线如图4～图6所示；和养护龄期相关的拟合回归结果如图7所示，拟合回归系数A如式(3)所示，拟合所得UCS如式(4)所示。

图4 养护1 d稳定黄土的无侧限抗压强度拟合结果

图5 养护7 d稳定黄土的无侧限抗压强度拟合结果

图6 养护28 d稳定黄土的无侧限抗压强度拟合结果

图7 与养护龄期相关的无侧限抗压强度回归系数A

式中，t为稳定黄土试样的养护龄期；Cv为硫铝酸盐水泥的体积掺量；Lv为无机结合材料总的体积掺量。

4 结论

本文开展了石灰－粉煤灰－硫铝酸盐水泥综合稳定黄土试样的击实试验和无侧限抗压强度试验，研究了无机结合材料掺量和养护龄期对黄土的稳定效果。主要结论如下:

(1)随无机结合材料掺量的增加，稳定黄土最优含水率逐渐增大，最大干密度减小。

(2)无机结合材料掺量固定时，随着硫铝酸盐水泥掺量的增加稳定黄土的最优含水率和最大干密度均增大。

(3)综合稳定黄土的无侧限抗压强度随无机结合材料掺量的增加而增大，随养护龄期的发展总体上不断增长，前期无侧限抗压强度增长速度慢、后期增长速度变快。

(4)通过对无侧限抗压强度数据的拟合回归，建立了稳定黄土的无侧限抗压强度与孔隙率、硫铝酸盐水泥体积含量、无机结合材料体积含量的关系，建立的拟合关系为工程设计施工提供借鉴。