生石灰改良滇中高液限土试验研究

杨元周，杨乾伟，郭彪

(重庆市勘测院，重庆 401121)

1 引 言

高液限土用作路基填料，因其过高的天然含水量及液塑限而难以直接填筑压实，承载性能低，同时路基的性能易受自然气候环境变化的影响而发生劣化，高液限土路基易于失水收缩开裂，复浸水后再失水收缩将进一步加深加宽开裂，不断削弱路基的强度及稳定性能。因此规范规定高液限土不得直接作为路堤填料。

在滇中的公路、市政道路建设中，遇到的高液限土路基填筑问题越来越突出，滇中高液限红黏土分布广泛，借用符合要求的路基填料需要远距离调运，且挖方高液限土数量巨大，废弃很不经济，因此研究高液限土的改良及利用十分必要。

关于红黏土及高液限土改良及处治技术，许多学者进行了有益的改良试验和工程应用探索，积累了较为丰富的改良方案，总结了很多有效的工程措施。施灿海等[1]研究了纤维、纤维水泥对云南红黏土强度的影响。叶琼瑶等[2]通过对高液限红黏土掺加不同比例的砂砾、石灰、粉煤灰、二灰、水泥及“康耐”改良剂等进行液限、塑限、CBR等试验，研究了广西全兴高速公路红黏土的路用性能改良效果。刘春原等[3]针对高液限黏土稳定性差的性质，添加石灰，研究其混合土料的强度变化规律。徐勇等[4]通过重型击实试验和无侧限抗压强度试验，研究了不同石灰掺入量及不同养护时间对石灰土的最大干密度、最优含水率及无侧限抗压强度的影响。刘宝臣等[5]采用水泥搅拌法对桂林软弱红黏土无侧限抗压强度、抗剪强度、抗拉强度与水泥掺入比、龄期的关系等主要力学性质进行室内试验研究。程涛等[6]对广东省云罗高速沿线9组代表性高液限土进行了掺水泥0%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%后的承载比试验。栾传宝[7]以呼和浩特地区的红黏土为原材料，用粉煤灰改变红黏土的性质，重点研究粉煤灰对红黏土强度及含水量的影响。张金利等[8]通过多种试验研究了聚丙烯纤维红黏土的力学特性。

以上研究表明，关于高液限土改良技术，石灰、水泥、粉煤灰、NCS、矿渣、砂砾料等改良方法在一定程度上均能达到良好的技术效果，而每种改良方法有其适用范围和条件，由于路基填筑中涉及的工程量巨大，因此改良方案的选择及推广还常常受限于方案的经济效益，为此已有的工程实践中最常用的改良方法为砂砾石和石灰改良。鉴于改良方案的经济技术优越性，结合地区特点及沿线建材情况，本文采用生石灰添加剂对滇中高液限土进行改良研究，通过系统的路用物理力学实验，论证其改良效果。

2 试验材料及试验内容

试验采用云南玉溪至楚雄高速公路沿线高液限土，红褐色，天然含水率28%～32%，液限61%，塑限27%，塑性指数34。

拟采用加入1%、3%、5%、8%生石灰(干质量之比)几种改良方案进行试验研究，为进行对比，同时对素土进行试验研究。试验包括击实试验、CBR试验、回弹模量试验、收缩试验以及干湿循环试验等。系统评价生石灰改良滇中高液限土的改良效果。

3 击实试验

对素土以及加入1%、3%、5%、8%生石灰的高液限土进行标准击实试验，击实曲线如图1所示。从图可知各改良方案的最佳含水率以及最大干密度如表1所示，可以看出，随着生石灰加入量的增加，土样的最佳含水率逐渐增大，而最大干密度则逐渐减小。由于玉楚高速高液限土的天然含水率较高，一般在28%～32%，远高于最佳含水率，而要降低其天然含水率是较为困难的，需要大量的粉碎、翻晒工作，因此从满足最佳含水率方面来说，对高液限土进行改良时，生石灰加入量越多越好。

图1 击实曲线

不同配比试样最大干密度与最佳含水率 表1

4 CBR试验

CBR值是土体承载性能的重要指标。对素土以及加入1%、3%、5%、8%生石灰的高液限土进行CBR试验贯入力与贯入量曲线如图2所示。

图2 不同掺灰比条件下改良红黏土贯入力与贯入量曲线

根据图2进行进一步计算，可以得到各改良方案的高液限土的CBR值见表2及图3所示。可以看出，相比素土来说，加入1%的生石灰后试样的CBR值从6增大到41.71，增大幅度达695%，改良效果非常显著，进一步将生石灰的加入量增加到3%后，试样的CBR值进一步增长到50.06，但当石灰掺量增加到5%、8%时，试样CBR值并没有增加，反而有一定程度的降低。可见，从提高土体CBR值角度，最优的生石灰掺量在3%左右。

不同改良方案下试样CBR值 表2

图3 不同配比试样的CBR值

在进行CBR试验时同时测试了试样的膨胀率如图4所示，可以看出，加入生石灰后，高液限土的膨胀率大幅下降，石灰加入越多，膨胀率越小，但差别不明显。

图4 不同配比试样的膨胀率

5 回弹模量试验

对素土及加入1%、3%、5%、8%的高液限土进行回弹模量试验，单位压力与回弹变形的关系曲线如图5所示。

图5 不同配比试样的单位压力与回弹变形曲线

不同配比试样的回弹模量 表3

根据图5进一步分析计算，可得到各配比试样的回弹模量见表3及图6所示。可以看出，添加生石灰可以明显提高高液限土的回弹模量，石灰加入越多，回弹模量越大，不过当石灰含量大于3%时，回弹模量的增长率明显降低，因此从提高路基回弹模量角度，最优的石灰掺量也在3%左右。

图6 不同配比试样的回弹模量变化曲线

6 收缩试验

为了检验生石灰改良高液限土的失水收缩特性，对素土及加入1%、3%、5%、8%的改试验进行标准收缩试验，各配比试样的含水率与线缩率关系曲线如图7所示。

根据图7进一步分析计算，可得到不同配比条件下高液限土的收缩系数见表4及图8所示。可以看出，素土的收缩系数达0.402，加入石灰改良后，收缩系数显著减小，石灰含量越大，效果越明显，当加入8%石灰时，收缩系数仅0.09。说明加入生石灰能够有效抑制高液限土遇水膨胀，失水收缩开裂的不利特征。

图7 不同配比试样含水率与线缩率关系曲线

不同配比试样收缩系数 表4

图8 不同配比试样收缩系数变化曲线

7 干湿循环试验

以上试验结果表明，加入生石灰可以显著增大高液限土的CBR值及回弹模量，并明显减小试样的膨胀系数及收缩系数，显著改善高液限土的路用性能。不过，道路处于野外环境，直接受气候影响，为了检验石灰改良后的高液限土在干湿交替作用下的长期性能，对素土试样及加入3%生石灰的高液限土试样，进行5次干湿循环后进行CBR试验以及回弹模量试验。5次干湿循环后素土及改良土的贯入力与贯入量曲线如图9所示，单位压力与回弹变形的关系曲线如图10所示。

由图9、图10进行进一步计算分析，进行5次干湿循环后，素土的CBR值由6.0衰减为2.21，衰减率达63.2%，回弹模量由 120.7 MPa衰减为25，衰减率为79.3%。而加入3%生石灰的试验测CBR值由50.06增长为68.0，增长率为34.8%，回弹模量由 202.3 MPa增长到 239.4 MPa，增长率为18.3%。这表明，不进行改良时，高液限土在干湿循环作用下的性能迅速劣化，引起严重的路基病害，因此高液限土不能直接用于路基填筑。而加入生石灰改良后，在5个干湿循环周期后，改良土的性能不仅没有衰减，反而有一定的增强，这是因为在进行干湿循环过程中，生石灰继续与土体进行化学反应，性能得到进一步增强，因此，采用生石灰对高液限土进行改良，不仅可显著增强其短期性能，对高液限土的长期性能的增强作用更加明显，改良后高液限土可以满足路基填筑要求。

图9 5次干湿循环后试样贯入力与贯入量曲线

图10 5次干湿循环后试样单位压力-回弹变形曲线

8 结 论

本文针对滇中高液限土，对不同生石灰掺量的改良土进行了击实试验、CBR试验、回弹模量试验、收缩试验以及干湿循环试验，系统评价了生石灰对滇中高液限土的改良效果，得到以下结论：

(1)滇中高液限土生石灰最优掺量为3%左右。

(2)生石灰对滇中高液限土CBR值改良效果非常显著，相比素土来说，加入1%的生石灰后试样的CBR值从6增大到41.71，增大幅度达695%，进一步将生石灰的加入量增加到3%后，试样的CBR值进一步增长到50.06，但当石灰掺量增加到5%、8%时，试样CBR值并没有增加，反而有一定程度的降低。

(3)加入生石灰后，高液限土的膨胀率大幅下降，石灰加入越多，膨胀率越小，但差别不明显。

(4)添加生石灰可以明显提高高液限土的回弹模量，石灰加入越多，回弹模量越大，不过当石灰含量大于3%时，回弹模量的增长率明显降低。

(5)加入石灰改良后，高液限土收缩系数显著减小，石灰含量越大，效果越明显。

(6)高液限土在干湿循环作用下的性能迅速劣化，而加入生石灰改良后，在5个干湿循环周期后，改良土的性能不仅没有衰减，反而有一定的增强，因此，采用生石灰对高液限土进行改良，不仅可显著增强其短期性能，对高液限土的长期性能的增强作用更加明显，改良后高液限土可以满足路基填筑要求。