膨润土石灰改良黄土强度及微观结构试验研究

高梦娜，王 旭, ，李建东，张延杰，蒋代军

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070； 2. 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃兰州 730070)

我国西部地区分布着大面积低含水量、高孔隙度和碳酸盐含量的黄土，在路基工程建设中经常出现沉陷变形、冲蚀和滑坡等灾害。黄土是一种较差的路基填料，在高速铁路及公路路基建设中不能被直接使用，需要进行合理的改良。Tabarsa等[1-2]在黄土中添加纳米黏土和蔗渣灰渣等，通过微观、化学分析技术及强度试验，证实了可增强试件的塑性、强度和刚度特性。Latifi等[3-5]通过击实、无侧限抗压强度等试验及微观技术，研究了红土与固化剂（TX-85、SH-85）、黄原胶与膨胀土这两种改良土的改良特性和固化机理。Onyejekwe等[6-8]在土壤中添加磺化油、聚合物固化剂及离子固化剂等，研究了其对土壤各种特性的影响及固化机制。我国科研人员对粉煤灰、HEC固化剂、水泥、工业废弃木质素、硅微粉、乙酸等材料的加固机理和改良土强度、结构特性做了大量的研究[9-16]。

膨润土具有吸水膨胀的特性，可用以改良粒径和改善孔隙结构，石灰具有良好的胶凝作用，若利用膨润土和石灰同时对黄土进行改良，有望从连接强度和孔隙结构两方面提高黄土强度。鉴于此，本文对不同龄期、不同膨润土-石灰掺量的改良黄土进行无侧限抗压强度试验、核磁共振试验和扫描电子显微镜试验，研究掺量及龄期对改良黄土强度的影响，为实际工程应用提供新思路。

1 试验内容及方法

试验所用黄土取自甘肃省兰州新区，土样基本物理性质见表1。利用水分法测得黄土颗粒级配曲线见图1。试验所用膨润土中蒙脱石的质量分数为70%～95%，具有显著吸水膨胀的性质。试验所用石灰为熟石灰，干燥且活性强，钙的质量分数约为95%。

图1 黄土颗粒级配曲线Fig. 1 Loess grain gradation curve

表1 黄土试样基本物理性质Tab. 1 Basic physical properties of loess soil samples

根据试验设计，膨润土和石灰的掺入质量分别为改良土总质量的3%、5%和7%。将天然黄土风干后过筛，与称取的膨润土和黄土搅拌均匀后，进行轻型击实试验，测得不同配比的改良土的最优含水率及最大干密度。然后取相应配比的膨润土石灰与土样，加水至最优含水率并搅拌均匀，采用液压千斤顶按95%压实度和不同的最大干密度制备直径39.1 mm、高84 mm的标准试样，用保鲜膜包紧置于实验室内养护，到达养护龄期7、14、28 d后对不同掺量的改良土进行无侧限抗压强度与核磁共振试验。具体试验工况及基本物理参数见表2。

表2 试验工况Tab. 2 Test conditions

试验参照《土工试验方法标准》[17]在三轴压力机上进行，当量力计读数出现峰值并开始下降时停止，记录轴向位移，通过计算数据得到试样的应力-应变曲线，峰值即为试样的无侧限抗压强度。

先将达到龄期的改良土试样进行真空饱和试验，为尽量避免膨润土和石灰与水的进一步反应而影响孔隙结构，选择质量分数为98%的乙醇作为饱和液体；然后通过苏州纽迈分析仪器公司生产的MacroMR12-150H-I多功能核磁共振微结构分析与成像系统对试样进行核磁共振分析。

2 试验结果及分析

2.1 无侧限抗压强度试验

2.1.1 膨润土和石灰掺量的影响对不同龄期和掺量的改良黄土开展无侧限抗压强度试验，绘制改良土的应力-应变曲线见图2。由图2可见，不同掺量下改良黄土的应力随着应变的增大先增大后减小，峰值点对应的应力即为无侧限抗压强度，并且超过峰值点后试件就发生破坏。不同膨润土-石灰掺量的改良黄土试件在弹性阶段的斜率都要大于素土的斜率，且峰值均在素土之上，这说明膨润土和石灰能有效改善黄土的力学性能。

图2 膨润土及石灰改良黄土应力-应变曲线Fig. 2 Stress-strain curves of bentonite and lime modified loess

通过试验获得不同膨润土-石灰掺量和不同养护龄期下的改良黄土无侧限抗压强度试验结果。从图3可以看出，相同龄期下控制其中一个掺量，无侧限抗压强度均随着另一掺量的增加先增大后减小，即在膨润土和石灰掺量均为5%时无侧限抗压强度最高，其平均无侧限抗压强度是素黄土的4.01倍。

图3 膨润土-石灰掺量与黄土无侧限抗压强度关系Fig. 3 Relationship between bentonite and lime content and unconfined loess compressive strength

在膨润土-石灰掺量为3%+3%、3%+7%、5%+3%和7%+3%时，无侧限抗压强度并没有显著增大，主要原因是石灰的碳化作用需要Ca(OH)2、CO2和水，当膨润土-石灰掺量为3%+3%时，两者掺量均较少，土体中水未被反应完全，膨润土的亲水作用由于掺量少未发挥出来，导致多余的水分留在土颗粒之间成为自由水影响改良土的强度；当膨润土-石灰掺量为3%+7%时，土体中可供碳化反应的CO2和自由水不足，Ca(OH)2粉末未充分反应生成CaCO3晶体增强土体的连接强度，且多余的石灰未和土颗粒连成整体导致土体强度分布不均；当膨润土-石灰掺量为5%+3%和7%+3%时，一方面因为石灰掺量少反应不完全，另一方面则因为膨润土的吸水膨胀导致孔隙中CO2被排出土体之外及自由水含量被消耗，使改良土强度未显著提高[18]。

图4为养护龄期14 d，不同膨润土和石灰分别对应的无侧限抗压强度。从图4可看出，任一掺量改良黄土的无侧限抗压强度均大于素土，且相同膨润土或石灰掺量下的无侧限抗压强度总表现为先增大后减小。膨润土和石灰掺量均在5%时，无侧限抗压强度在另一种物质掺量变化下出现明显的先增大后减小现象。且已有研究[19]表明，不同改良剂对土体的改良作用主要表现在两个方面：一方面是改善土体不良的孔隙结构，尽可能地填充土体内部的孔隙，使土体的结构更加密实；另一方面是在土体中发生化学反应，生成胶结物质将土颗粒之间连接起来，有效增强土颗粒之间的连接强度[20]。当膨润土-石灰掺量较少时，土体中的孔隙不能被膨润土填满，较少的石灰也无法有效增强土体的连接强度，导致改良效果并不显著。但当两者掺量过高时，吸水膨胀后的膨润土确实较好地填充了土颗粒之间的孔隙，但多余的膨润土吸水膨胀导致土体内部发生细微开裂，再加上未与土颗粒反应完全的石灰代替了土颗粒的位置，生成的胶结性物质碳酸钙留存在土体内部，以及与水未反应的石灰完全以粉质状态残留在土颗粒之间，使土体局部强度分布不均匀，进而导致改良土试样无侧限抗压强度的降低。

图4 龄期14 d膨润土和石灰掺量与无侧限抗压强度关系Fig. 4 Relationship between bentonite and lime content at 14 d and unconfined compressive strength

2.1.2 养护龄期的影响试验进行了3个养护龄期（7、14、28 d）试件的测试，图5为养护龄期对改良土无侧限抗压强度的影响曲线。

从图5可以看出，当膨润土和石灰掺量不变时，试件的无侧限抗压强度随养护龄期的增加而增大，但斜率都是先大后小，这说明时间越长提升效果越不明显。

图5 养护龄期对改良土无侧限抗压强度的影响Fig. 5 Influence of curing age on unconfined compressive strength of improved soil

2.2 核磁共振（NRM）试验

以养护龄期为14 d的改良黄土核磁共振结果为例，表3为不同掺量的改良黄土孔隙度，掺量均为0时孔隙度最大，膨润土-石灰掺量为5%+5%时孔隙度最小，较素土的孔隙度相比减少13.5%。表4为不同掺量改良黄土最大孔隙值及其占比。

表3 不同膨润土-石灰掺量的孔隙度Tab. 3 Porosity of different bentonite and lime contents

表4 最大孔隙值及占比Tab. 4 Maximum pore value and proportion

图6为NRM试验中得到的不同膨润土-石灰掺量下的改良黄土试样孔隙体积分布曲线。从图6可以看出，试样孔隙分布主要有两个峰值，峰值越大表明其对应的孔径孔隙体积比所占比例越大，孔径分布就越集中，反之亦然。膨润土-石灰5%+5%掺量的两个峰值均最小，较大孔隙分布最均匀；素土和膨润土-石灰3%+3%掺量的两个峰值都较高，孔径分布较集中，这说明膨润土-石灰3%+3%掺量的改良效果最不明显。孔隙变化最大的是小孔隙，原因在于：（1）小孔隙占比远远超过中孔隙和大孔隙（图7（a）），因此变化也更明显；（2）膨润土和石灰本身质量占比少且粉质细腻，又分散在黄土颗粒的孔隙之间，遇水后膨胀凝结，对小孔隙影响较大。

图6 改良黄土孔隙分布Fig. 6 Porosity distribution of improved loess

采用核磁共振测试土体孔隙中的氢原子时，可以按照孔径大致分为3类孔隙[20]：小孔隙（d＜0.4 μm），中孔隙（0.4 μm≤d＜4.0 μm），大孔隙（d≥4.0 μm）。如图7（a）所示，试样中的小孔隙占比最大，其次是中孔隙、大孔隙。小孔隙体积比从掺量0+0开始依次减小，到5%+5%时孔隙体积比达到最小，随后又依次增大；中孔隙各个掺量体积比变化并不明显；掺量为0时大孔隙体积比明显最大，其余膨润土-石灰掺量除3%+3%和3%+5%，剩下的大孔隙占比非常小。

综上，膨润土和石灰掺量为5%+5%时对孔隙结构的改良效果最明显， 故以膨润土掺量为5%的试样结果为例，其孔隙体积分布如图7（b）所示。从图7（b）可以看出，大孔隙的体积比几乎都可以忽略不计。因此，膨润土掺量为5%时能够有效填充土体中的大孔隙。

图7 孔隙体积分布Fig. 7 Pore volume distribution

3 扫描电镜微观孔隙结构试验结果分析

为研究不同掺量对改良黄土特性的影响，采用日本电子光学公司生产的JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜观测了养护龄期为14 d的改良黄土及素土微结构特征。由于篇幅限制，为突出各掺量之间的明显差异，此处只对比素土和膨润土-石灰掺量为3%+3%、5%+5%、7%+7%的SEM照片（图8）。

图 8 不同掺量下改良黄土SEM图Fig. 8 SEM diagram of improved loess at different mixing amounts

从电子显微镜拍摄的放大500倍后照片可见，素土颗粒间存在很多大孔隙，并且颗粒之间呈分散状态。添加膨润土-石灰后，颗粒间的大孔隙变少，且反应生成的碳酸钙因其胶凝性使得土颗粒之间连成整体。在3种掺量中，膨润土-石灰掺量为3%+3%时明显掺量不足，一些土颗粒仍呈分散状态，孔隙比例依旧较高；膨润土-石灰掺量为5%+5%的明显可看出孔隙率已经很小，颗粒之间基本连成一个整体；膨润土-石灰掺量为7%+7%时，掺量过多，导致膨润土吸水膨胀使土体内部产生微裂缝，且未与土颗粒反应完全的石灰也变成单独的碳酸钙固体积聚在土颗粒之间，不能增强土颗粒间的连接强度，也不能成为土颗粒间的骨架，起不到提高强度的效果。

4 结 语

（1）改良黄土的无侧限抗压强度随着某一掺量的增加均出现先增大后降低的情况，膨润土和石灰掺量均为5%时改良效果最明显，强度提高了4.01倍。

（2）改良黄土的无侧限抗压强度随着龄期的增大而增大，在养护龄期28 d时明显高于7 d的无侧限抗压强度，但随着养护龄期的延长无侧限抗压强度的增长效果并不明显。养护时间14～28 d内可达到较为理想的强度，时间允许条件下可将填料养护至28 d。

（3）运用核磁共振技术检测改良土试样的孔隙结构，可以看出改良黄土的大孔隙占比显著减少。在膨润土掺量为5%时大孔隙体积率几乎可以忽略，孔隙度降低13.5%，但掺量过多或过少时改良效果一般。

（4）通过扫描电子显微镜，可以看到膨润土和石灰的填充和胶凝作用，在膨润土和石灰掺量均为5%时尤为明显，大孔隙几乎消失，土颗粒之间连成整体。实际工程中，在黄土路基填料中掺入5%左右的膨润土和石灰，路基性能会显著提高。