SH复配无机材料加固黄土工程特性试验研究★

周有禄,贾海峰,杨晓明,宋新龙

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

黄土内部具有孔隙多、在水的作用下强度迅速降低、变形加大的新时期形成的一种多孔隙沉积物，具有明显与水强烈的湿陷性的特性，因此会导致路基不均匀沉陷、冲蚀、滑坡，桥梁、涵洞结构物破坏等一系列工程问题[1]。由于随着国家“一带一路”的建设，黄土区正处于一段基础工程高峰建设时期，为了解决黄土地区的高速铁路、高速公路路基合格填料缺乏、外运成本高等问题，近年来，很多学者采用无机材料改良黄土工程性能的有关试验探究。房军等[2]通过宝—兰客运专线上的王家沟黄土进行了水泥改良黄土试验，得出：改良后的抗压强度提升了3 967 kPa、抗拉强度提升了232.38 kPa，其改良效果最佳的掺量为5%。买晓斌等[3]通过水泥改良黄土并在循环荷载作用下进行试验研究，得到两者累加后的变形公式。 文桃等[4]通过对盐渍土用石灰加固，研究其工程特性，结果表明：对于石灰改良的高含盐量的盐渍土其强度随掺量具有先提高后降低的趋势，其中最佳灰土质量掺配比为2∶8。周建基等[5]分别采用3，5，7，9和15石灰对黄土进行了改良试验，试验结果表明：当掺灰量为7时，改良黄土的渗透系数、压缩系数等参数都处于最小值，说明改良后黄土的各项性能都处于最佳。

目前，对黄土改良大部分为无机结合料，由于无机结合料在生产、环境保护存在一定的缺陷，所以很难推广应用[6-7]。为了达到黄土区路基填料的基本需求，弥补无机结合料固化黄土的缺陷，本文将在无机结合料水泥、石灰中复配新型固化材料进行不同比例的组合，研究复配后的固化剂改良黄土工程的特性，使各固化材料达到优势互补来满足黄土区工程建设的需要，并对环境不会造成污染。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用土样取民小公路K70+050右侧50 m，该处黄土断面厚度为17 m，类型为典型河流高阶地Q3黄土，通过室内试验得到了黄土基本物理指标见表1，由标准击实试验得到试样的最优含水率(质量分数)为15.5%，最大干密度为1.64 g/cm3，素土击实曲线见图1。水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥[8]。试验所用改良剂石灰采用粉末状生石灰，其灼烧后Ca，Mg的质量分数大于98%。新型高分子固化材料为水溶性的SH固化剂，其密度为1.1 g/cm3，亲水力极强，无毒、无刺激性气味。

表1 黄土基本物理指标

1.2 试件制样及试验方法

首先取一定数量的黄土样在烘箱烘干，然后过0.5 mm筛子备用。在试件制样过程中加入蒸馏水使其含水率(质量分数)为15.5%，将土搅拌均匀后装入塑料袋中在标养条件下焖料24 h。在制备好的土样中按设计比例分别加入水泥、石灰、新型高分子材料SH搅拌均匀，采用静压法制备试验土样试件，在制样过程中试件的最大干密度为1.64 g/cm3，试件抗压强度采用无侧限试验测定，其试件规格为直径5 cm，高10 cm的圆柱体；通过直接剪切试验测定其抗剪强度，试件的规格采用高2 cm，直径6.18 cm 的环刀对静压法制样试件取样进行直剪试验。本次试验养护龄期设计为7 d，14 d，28 d，水泥、石灰和新型高分子材料SH的设计掺量均为2%，5%，8%，10%。试验过程按照SL 237—1999土工试验规程中有关规定进行。

2 试验结果及分析

2.1 水泥固化黄土抗压强度

由图2可知，在不同的养护龄期下，改良黄土的无侧限抗压强度随水泥掺量的增加呈线性增大，并且14 d和28 d养护龄期的无侧限抗压强度基本相同，明显大于7 d养护龄期的无侧限抗压强度，由此说明水泥改良黄土的养护龄期一般要控制在14 d。当水泥掺量在2%～10%范围内增加时，其抗压强度由1.43 MPa提高到2.23 MPa，提高了55.9%。

对养护龄期为28 d的水泥固化黄土进行了线性拟合，如图3所示，得出拟合关系式为：

y=0.103 1x+1.188 4

(1)

其相关系数R2=0.986，由此说明，当水泥掺量由2%增加到10%时，固化黄土的抗压强度与掺量呈线性正相关关系。

由图4可知，在不同水泥掺量下，改良黄土试件的无侧限抗压强度均随养护龄期的增大而增大，其中试件的无侧限抗压强度在养护龄期为7 d～14 d之间增长较快，养护龄期在14 d～28 d之间变化时试件的无侧限抗压强度增长比较缓慢。由此可知，水泥改良黄土试件的无侧限抗压强度形成在7 d～14 d，所以在这个时段要加强改良土的养护，才能保证改良土的工程特性。

2.2 水泥固化黄土抗剪强度参数

由图5,图6可知，水泥改良黄土试件的黏聚力和内摩擦角均随水泥掺量的增加呈现出增大的趋势，且水泥掺量由2%增加到8%时试件的黏聚力提高程度远大于摩擦角。当水泥掺量在8%～10%之间变化时，其试件的黏聚力增长幅度大于2%～8%之间的增长幅度。另外由图5，图6可知，水泥掺量对试件黏聚力的影响大于内摩擦角。

2.3 石灰固化黄土抗压强度

由图7可知，石灰改良固化黄土试件无侧限抗压强度在不同养护龄期下[9]，当掺量由2%增加到10%时，其试件的无侧限抗压强度呈先增大后减小的规律，并且在掺量为8%时达到最大值。由图7还可以看出，不同石灰掺量的固化黄土随养护龄期的增加其抗压强度都出现了不同程度的提高。

2.4 SH固化黄土抗压强度

由图8可知，SH固化黄土的抗压强度在不同养护龄期下，其抗压强度均随SH掺量递增而增大。其抗压强度在掺量为2%～8%之间增加时其增长较快，在8%～10%之间增长缓慢,说明用SH改良黄土时掺量控制在2%～8%范围内既经济又能满足强度要求。

2.5 SH改良黄土抗剪强度分析

由图9可知，固化黄土的黏聚力在不同养护龄期下，其随SH掺量增加均逐渐增大。但不同养护龄期下固化黄土的黏聚力基本一致，说明用SH固化黄土其黏聚力与养护龄期没有直接关系。由图10可知，SH固化黄土的内摩擦角在不同养护龄期下，随着SH掺量和养护龄期的增加内摩擦角也在不断增大。

2.6 SH和水泥复配固化黄土的工程特性

本次试验将掺量为2%SH和2%水泥组合对黄土改良，与在不同的养护龄期下跟单一用SH和水泥改良黄土进行对比分析。

由图11可知，用SH和水泥复配固化黄土的抗压强度明显大于单独用SH、水泥固化黄土的抗压强度。当养护龄期到达7 d时用SH和水泥复配固化黄土的抗压强度分别比单独用SH、水泥固化黄土的强度提高了38.2%和55.6%；当龄期到达第14天时的抗压强度分别提高了73.7%和183.9%；当龄期到达第28天时的抗压强度分别提高了57.6%和251.7%，由此可知，用SH和水泥复配固化黄土以28 d的养护龄期为最佳。

由图12，图13可知，用 SH和水泥复配固化黄土的黏聚力和内摩擦角均随着龄期递增而增大，但与SH固化黄土相比其抗剪强度参数提高不多，说明 SH和水泥复配固化黄土的抗剪强度与SH固化的抗剪强度相比基本没有什么变化。

2.7 SH和石灰复配固化黄土的工程特性

由图14可知，石灰固化黄土抗压强度远远小于SH和石灰复配固化黄土的抗压强度。当用2%SH和不同掺量的石灰复配，不同养护龄期下的抗压强度都随石灰掺量和养护龄期的增加在不断增大。

3 结论

1)水泥改良固化黄土时，其试件的无侧限抗压强度随水泥掺量的不断增加而增大，并且与水泥掺量成正相关关系；当水泥掺量在2%～10%之间变化时，水泥改良固化黄土的工程特性不断提高。

2)石灰改良固化黄土时，其无侧限抗压强度随掺量在2%～10%之间变化时呈非线性关系，当石灰掺量为8%时，改良土的无侧限抗压强度达到最大值1.3 MPa。

3)SH固化黄土的抗压强度与掺量之间具有较好的线性相关性，因此，在工程应用中根据工程要求加固强度，计算所需SH的掺量，可为工程节约成本。

4)SH和水泥复配固化黄土的抗压强度远大于单独用SH、水泥固化黄土的强度。

5)SH和不同掺量石灰复配固化黄土的抗压强度随掺量和龄期的增加均在增大，且远大于只用石灰固化黄土的强度。