三灰改良寒区盐渍粉质黏土最优比研究

丁黔 胡争 黄帅 王中攀 陈克政 丁琳 柳艳杰

摘 要：针对寒区冻融作用引起盐渍粉质黏土的冻胀融沉问题，该文系统研究寒区盐渍粉质黏土三灰改良的最优配合比。选取哈尔滨地区路基盐渍粉质黏土为代表性，掺入石灰、水泥和粉煤灰（三灰）对其进行改良试验，采用正交设计法分别开展三灰改良盐渍粉质黏土的击实试验、无侧限抗压试验，利用方差分析法和极差分析方法对其抗压强度等进行研究。研究表明，试验土的最大干密度为1.7 g/cm3，最优含水率为16.6%;当石灰掺量为3%、水泥掺量4%、粉煤灰掺量6%时，改良盐渍粉质黏土的抗压强度达到最大，此时配合比为最优配合比;三灰对改良盐渍粉质黏土抗压强度的影响由大到小为：石灰掺量、粉煤灰掺量、水泥掺量;粉煤灰对改良土的弹性模量影响最大;石灰掺量是改良土最终破坏形态的重要因素。

关键词：三灰;盐渍粉质黏土;寒区;抗压强度;最优比

中图分类号：S773    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2022）03-0134-09

Optimum Ratio of Three Ash to Improve Saline Silty Clay in Cold Region

DING Qian1， HU Zheng1， HUANG Shuai2， WANG Zhongpan2， CHEN Kezheng3， DING Lin2， LIU Yanjie2*

（1.School of Hydraulic and Electric Power， Harbin Heilongjiang University， Harbin 150080， China;

2.School of Civil Engineering， Heilongjiang University， Harbin 150080， China;

3.College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：Aiming at the problem of frost heaving and thawing settling of saline silty clay caused by freezing and thawing in cold region， the optimal proportion of three ash improvement of saline silty clay in cold region was systematically studied. This research took the salted silty clay of roadbed in Harbin as the representative， mixed with lime， cement and fly ash （three ash） on the improvement of experiment， by means of orthogonal experimental design method， carried out three ash silty clay improvement compaction test and unconfined compression test， respectively， studied the compressive strength using the variance analysis and range analysis method. The results showed that the maximum dry density of the test soil was 1.7 g/cm3， and the optimal water content was 16.6%. When the content of lime was 3%， cement 4% and fly ash 6%， the compressive strength of modified saline silty clay reached the maximum， and the mixture ratio was the optimal. The influence of three ash on compressive strength of modified saline silty clay was as follows： lime content>fly ash content>cement content. Fly ash had the greatest influence on the elastic modulus of the improved soil. Lime content was the most important factor for the final destruction form of improved soil.

Keywords：Lime-fly-ash-cement improvment; salinized silty clay; cold region; compressive strength; optimal ratio

0 引言

凍土是指0 ℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土、季节冻土以及多年冻土[1]。多年冻土指的是持续2年或2年以上的冻结不融的土层。我国季节性冻土区的面积约占陆地面积的56.35%，其中，多年冻土面积占陆地面积的17.19%[2]。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉[3]。盐渍土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的总称。盐渍土主要分布在内陆干旱、半干旱地区，滨海地区也有分布。中国盐渍土面积约有20多万平方公里，约占国土总面积的2.1%[4]。在松嫩平原分布着中国第三大碳酸盐渍土区[5]，该地区的盐胀耦合作用对区域的工程建设造成严重的困扰[6-8]，针对该问题许多国内外学者开展了改良冻土区盐渍土的试验研究。

Kolias等[9]研究了高钙粉煤灰和水泥对细粒黏性土的稳定效果，对掺加不同比例的粉煤灰和水泥的试样进行了力学性能试验，发现水泥能提供较好的凝结和硬化，2种黏结剂的结合可以增加稳定材料的早期和最终强度，但经济效益较差。相关研究表明冻融循环后盐渍土的抗剪强度与含盐量有密切关系[10-11]。Yang等[12]通过长期观察测量发现公路的破坏与路基盐渍含盐量及冻融循环相关性显著。Cheng等[13]通过宏观剪切试验及微观电镜扫描发现，粉煤灰掺量显著影响冻融循环下盐渍土的强度。Consoli等[14]通过大量土工试验，确定了粉煤灰-石灰改良土强度控制的关键参数。Zhang等[15]、张莎莎等[16]研究表明添加石灰或者石灰+火山灰能减小盐渍土的盐胀量，降低盐胀敏感温度区间，提高抗变形能力。张诚等[17]基于响应曲面法优化石灰和水泥掺量改良盐渍土，并得出了最优配合比。赵海艳等[18]通过无侧限抗压强度试验得到改良滨海盐渍土的最佳配合比。吕前辉等[19]以正交试验设计为基础，进行三轴不固结不排水压缩试验，得出强度随石灰增加而增大。杨林等[20]利用正交试验设计确定了TG固化剂、石灰及水泥稳定土的强度最优配合比研究。张秉夏等[21]利用正交试验及人工神经网络对石灰、水泥及固化剂复合固化土强度进行了预测 。邢志强等[22]利用美国路邦EN-1固化剂对大庆地区盐渍土进行无侧限抗压强度研究，研究了加固土应用于寒区道路路基可行性。陈康亮等[23]以生石灰和粉煤灰为固化剂进行了无侧限抗压强度试验，试验表明，石灰与粉煤灰掺量为1∶3时能显著提升固化盐渍土无侧限抗压强度，虽然提高了强度，但对石灰和粉煤灰需求过大，不符合经济效益。刘付华等[24]以粉煤灰和石灰改良滨海盐渍土，研究发现掺入二灰后，改良土的水稳定性差，必须添加其他固化剂才有改善。Bell[25-26]用水泥和石灰固化盐渍黏土，土体仅是早期强度得到提升。

盐渍土在冻融循环作用下，掺入二灰（石灰和水泥）后改良土的水稳定性较差，早期强度有所提高，但最终强度提高有限。针对采用三灰（石灰、水泥和粉煤灰）改良季节冻土区盐渍土的强度特性的研究较少。盐胀和冻胀特性，对土体结构造成破坏，土体发生变形，从而降低土体强度[27]。为此本研究采用三灰改良，系统研究寒区季节性盐渍土的冻胀融沉特性，提高其强度，以满足公路路基填料的要求。

本文对高寒地区路基填料开展调研，选取典型路基盐渍粉质黏土作为试验用土。利用正交试验法开展盐渍粉质黏土的无机掺量配合比试验研究，对改良土开展击实特性、无侧限抗压强度试验，分析其改良机理，提出改良深季冻区盐渍粉质黏土的最佳配合比，为类似工程提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验用土

试验土样取自黑龙江省哈尔滨市某公路路基填料，对盐渍土现场取样进行试验，测试分析了含盐量、含水率及颗粒特性等物性参数。为了更加全面地研究改良盐渍粉质黏土的基本性能，本文试验土样采用人工配制碳酸盐渍土。根据我国现行的《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）[28]，测得其物理力学性质指标平均值与颗粒级配见表1和图1，土不均匀系数Cu=6.04，曲率系数Cc=1.4，击实试验所测该土样的最大干密度为1.7 g/cm3，最佳含水率为16.6%。

1.2 无机改良剂

试验所采用无机改良剂为石灰、普通硅酸盐水泥、粉煤灰。水泥为天鹅牌42.5普通硅酸盐水泥，其物理力学性能指标见表2，试验采用惠灰牌一级钙质石灰，石灰的CaO含量（质量分数，下同）为82.40%，粉煤灰选择用的是黑龙江火电研磨一级低钙粉煤灰，颗粒大小为42 μm，烧失量为1.44%，主要氧化物见表2。

1.3 试验方案

本次无侧限抗压强度试验采用的正交表为L（34），共 16 组试验，每一组试样设置3组平行试验，共计48个。无侧限抗压强度试验方案，试验考虑了石灰掺量（0%、3%、5%、7%）、水泥掺量（0%、2%、4%、6%）、粉煤灰掺量（0%、3%、6%、9%）3个因素，系统分析冻结盐渍粉质黏土（人工配制含鹽量3%）的无侧限抗压强度，每个因素设置了4个水平，为确保研究成果更具有工程参考价值，考虑到哈尔滨市冬季地表温度低于-10 ℃[29]，故设置冻土温度为-10 ℃，为保证石灰、水泥及粉煤灰充分进行水化反应，将制备好的土样放进标准养护室养护90 d，正交试验设计见表3。

1.4 试验制备及试验过程

本次试验严格依据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）及《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）[30]重塑土样的制备方法，制备无侧限抗压强度试样时，将所用土料放入烘箱内烘干24 h，进行2 mm筛分，按试验配合比将盐渍粉质黏土、石灰、水泥、粉煤灰依次加入试验器皿，再按最佳含水量加入蒸馏水，搅拌均匀，养护24 h后，分4次击实，制备成为直径39.1 mm、高80 mm的试样，将试验样品放入标准养护室养护90 d，然后将每组试验样品放入STDW-40低温试验箱，将每组试验样品在-10 ℃恒温冷冻20 h，保证试样内部也到达-10 ℃，本次无侧限抗压强度试验采用微机控制电子式万能试验机WDW-100E。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果

无侧限抗压强度试验结果见表4。

2.2 极差分析

由表5极差分析，结果表明，极差RA>RC>RB，影响改良盐渍粉质黏土抗压性能的主次顺序为石灰、粉煤灰、水泥，从表5可见，在计算结果中石灰掺量的kj2、水泥掺量kj3最大，粉煤灰掺量kj3最大，由此得到了最优配合比组合为A2B3C3，即极差分析中最优配合比组合为石灰掺量为3%、水泥掺量为4%、粉煤灰掺量为6%。研究表明盐渍粉质黏土在养护90 d后，放置低温箱冷冻20 h，使试样达到-10 ℃，这种三灰改良的盐渍粉质黏土抗压强度随着石灰、水泥、粉煤灰的掺量的增加而增加，掺量会增加到一临界值，超过该值随着掺量的增加，其抗压强度反而减小。

2.3 方差分析

方差分析结果见表6，三灰对盐渍改良有显著性不同，影响盐渍粉质黏土抗压强度的主次因素顺序依次是石灰、粉煤灰、水泥，与表5的极差分析结果相一致。图2是通过SPSS数值分析软件对试验结果进行的分析预测结果。结果显示石灰掺量在3%时强度提升作用最为显著，石灰掺量到达5%后会降低土体抗压强度。水泥掺量在4%时改良效果最显著。粉煤灰掺量多少都对改良土体强度都有增强作用，在6%时增强最为显著，粉煤灰掺量超过6%后，增强效果逐步降低。

2.4 石灰对改良盐渍土力学性能的影响

不同掺量改良盐渍粉质黏土的无侧限抗压强度如图3所示，随着石灰掺量的增加，改良盐渍粉质黏土试样的压实阶段变短，说明改良盐渍粉质黏土经过养护90 d和冷冻至-10 ℃，其孔隙率显著降低，图3中石灰掺量为0%时，试样A1B1C1是没有添加改良剂，土样出现了应力硬化的趋势，而添加改良剂水泥和粉煤灰A1B4C2、A1B2C3和A1B3C4试样，出现了应力硬化现象，但其中仅有A1B4C2的抗压强度增加，说明水泥和粉煤灰交互作用引起土样应力硬化，只有在特定的配合比下能增强改良盐渍粉质黏土的抗压性能[31]。当石灰掺量为3%时，试样的无侧限抗压强度明显变大，原本由水泥和粉煤灰交互影响下导致的应力硬化现象，开始因石灰的作用

A2B3C3和A2B2C4等开始出现应力软化现象，而A2B1C2和A2B4C1没出现应力软化现象，说明了单独添加水泥和单独添加粉煤灰都可能导致盐渍粉质黏土应力硬化，而共同添加水泥和粉煤灰超过最优掺量反而减小了应力硬化作用效果，当石灰掺量大于等于5%时强度开始下降，试样均出现应力软化现象，石灰对改良盐渍粉质黏土的峰值应力强度影响要大于水泥和粉煤灰。

2.5 粉煤灰对改良盐渍土力学性能的影响

粉煤灰摻量对改良抗压强度的影响如图4所示，当粉煤灰掺量为0%时，在水泥和石灰混合掺量作用下盐渍粉质黏土的抗压强度降低，石灰掺量增加至5%，水泥掺量为2%时，A3B2C1试样的强度明显降低很多，说明了石灰和水泥在一定的配合比下不会增加盐渍粉质黏土强度，这是由于水泥的水化反应比石灰快，石灰与水反应的熟化过程放热和吸水膨胀会造成水泥土内部胀裂，导致强度降低。

粉煤灰掺量从3%增加至6%和9%，减少水泥掺量，A1B2C3等试样的强度相对A1B4C2降低50%以上，在A1B2C3基础上，增加粉煤灰和水泥掺量成为A1B3C4，抗压强度不仅没有增加反而降低明显。当石灰掺量为3%、水泥掺量4%、粉煤灰掺量6%时，试验土样为最优配合比，试样无侧限抗压强度值到最大值，其抗压强度值是其他对照组抗压强度的5.2～19.3倍，是未加任何改良剂强度的9倍，这是由于添加粉煤灰之后，粉煤灰具有火山灰特性，其活性成分在石灰和水的作用下会生成胶状、丝状、纤维状和针叶状的硅酸钙，并和其他材料黏结在一起形成骨架，从而极大地增强了改良土的抗压强度，水化硅酸钙对提高强度起决定性作用。

2.6 石灰对破坏形式的影响

当石灰掺量分别为0%、3%、5%、7%时，改良土无侧限抗压强度-应变关系曲线如图5所示。当石灰掺量为0%时，掺入水泥和粉煤灰土样形式基本一致，试样A1B1C1的破坏形式是塑性变形破坏;当石灰掺量增至为3%时，A2B1C2和A2B4C1的破坏形式与石灰0%掺量的试样破坏形式类似，但是其延展性与之相比，减小很多。A2B3C3和A2B2C4的破坏形式变为脆性破坏，石灰和粉煤灰一定比例掺入时，相互黏聚在一起作为骨架。随着石灰含量的增加，土样的破坏形态呈现出脆性破坏，土的延展性变低。

2.7 三灰改良对弹性模量的影响

根据表7方差分析结果，改良土样的模量与掺量的相关性显著，粉煤灰对盐渍粉质黏土弹性模量的影响最大，其次是水泥，石灰的影响最小。盐渍粉质黏土的弹性模量与水泥呈线性关系，水泥掺量增加，弹性模量增大[29]，试验结果表明，在石灰掺量固定时，水泥掺量与粉煤灰掺量同时增加的情况，弹性模量呈现降低的趋势如图6所示。当粉煤灰固定不变时，试样的弹性模量随水泥掺量的变化而变化。弹性模量的大小与抗压强度有对应关系，抗压强度大的弹性模量也大，但是受三灰改良剂的影响变化形式不一样，由表6强度方差结果可知抗压强度受石灰影响大于水泥，粉煤灰影响最小，而由表7弹性模量方差可知粉煤灰大于水泥，石灰影响最小，由图6可知， A2B2C4及A4B3C2的模量没有随着抗压强度的变化而改变。弹性模量（E）由公式（1）所求。

E=δ1.5ε1.5 。（1）

式中：E为弹性模量;δ1.5是应变（ε）等于1.5%时对应的抗压强度;ε1.5为应变，其值等于1.5%。

3 结论

（1）改良盐渍粉质黏土的抗压强度，受石灰掺量影响最大，其次为粉煤灰掺量，水泥掺量影响最小。当石灰掺量3%、水泥4%、粉煤灰6%时，改良盐渍粉质黏土无侧限抗压强度值达到峰值。因此，改良盐渍粉质黏土最优掺量配合比为石灰掺量3%、水泥4%、粉煤灰6%。

（2）水泥和粉煤灰掺量较少时，石灰成为改良盐渍粉质黏土应力软化主要因素，石灰掺量越高，应力软化越明显，水泥和粉煤灰掺量增加时，改良盐渍粉质黏土出现应力硬化现象。

（3）粉煤灰改良盐渍粉质黏土时，受石灰掺量的影响，在未达到最佳临界掺量时，石灰可有效激发粉煤灰的活性，使改良土的抗压强度有明显增强，石灰掺量超过峰值掺量，破坏粉煤灰生成的骨架，从而导致改良盐渍粉质黏土的强度降低。

（4） 粉煤灰对盐渍粉质黏土的弹性模量影响最大，其次是水泥，石灰的影响最小。盐渍粉质黏土的破坏形式主要由石灰掺量决定，石灰掺量在最优掺量之前破坏形式是塑性延展，石灰掺量超过最优掺量时破坏形式变为脆性破坏。

【参 考 文 献】

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