基于不同石灰掺量和养护时间的分散性路基土性能研究

张黎明 路再红 李文举

摘要：为降低分散性土的分散度，提高分散性土的性能，使其更好地应用于工程实践中，文章采用不同石灰掺量（干土质量的3%、5%、7%、9%）和养护时间（7 d、14 d）改善分散性路基土的性能，研究不同石灰掺量和养护时间对分散性路基土各项性能（分散度、化学特性、压实度、粒径分布、无侧限抗压强度、加州承载比）的影响。结果表明：掺入石灰可以有效降低分散性路基土的分散度；增加石灰掺量或养护时间可提高分散性路基土的最佳含水率，降低其最大干密度；随着石灰掺量的增加，分散性路基土的液限和塑性指数均有所下降，塑限略有提高；石灰使得分散性路基土粒径分布发生变化，黏土组分减少，砂砾组分增加；石灰的掺入提高了分散性路基土的无侧限抗压强度和加州承载比值（CBR）。

关键词：分散性路基土；石灰改性；養护时间；加州承载比；无侧限抗压强度

中图分类号：U416.03 A 30 095 4

0 引言

近年来，许多分散性土工程遭受到破坏，逐渐引起工程界的重视。分散性土属于一种水敏感性土，由于含水量和交换性钠的差异，遇水则散，抗冲蚀能力差，很容易被分散和冲蚀［1］。分散性土在含盐量较低的水中，细颗粒之间的粘聚力大部分或全部消失，呈团聚体存在的颗粒体就会自行分散成原级的黏土颗粒，导致土体自行分解［2］。分散性土危害极大，容易造成堤坝管涌、路基失稳定等，诱发工程事故。然而，分散性土在世界各地分布广泛，是工程建设就地取材的主要材料，一般工程不可避免地要使用分散性土作为筑基、筑坝、筑堤等原材料［3］。

分散性土最早由土壤学家在20世纪30年代发现，并研究了其分散的原因。1949年美国俄克拉荷马州Wister大坝发生严重破坏，对公路的路基冲刷破坏进行研究，发现采用分散性土作为防渗材料是造成路基冲刷破坏的主要原因，分散性土逐渐引起国内外科研人员的重视［4］。科研人员通常采用钠离子吸附比（SAR）、交换性钠离子百分比（ESP）、双比重法、针孔试验、碎块试验等方法来确定土体的分散性［5］。VAKILI采用硅酸盐水泥和火山灰作为添加剂对分散性土壤进行改性，发现单独掺入3%的硅酸盐水泥和5%的火山灰更有利于土壤分散性的消除［6］。化学稳定法是一种经济、环保、高效的土壤处理方法，目前多采用化学的方法对分散性土进行改性，一般采用水泥、石灰、硫酸铝、粉煤灰、氯化铝、氯化钙等多种材料。经过合理改性的分散性土，能够用于工程，保证工程的安全。

为此，本文针对石灰掺量和养护时间对分散性土性能进行研究，系统分析石灰掺量和养护时间对分散性土壤的影响规律，针对掺入石灰后分散性土壤的分散性、化学特性、压实度、粒径分布、无侧限抗压强度和CBR等进行评价。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 土壤

土壤采用广西地区分散性土，该土壤在干燥的情况下，具有足够的强度，但随着水分的增加，逐渐失去强度。5个取土坑分别简写为P-1、P-2、P-3、P-4、P-5。

1.1.2 熟石灰

生产熟石灰［Ca（OH）2］的主要原料是石灰石，熟石灰由广西惠泰通建材有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 分散度

分散度试验参照《用双比重计测定黏土的分散特性的标准试验方法》（ASTM D4221-2017）进行，双比重计试验是对土样进行两次比重计试验来测定黏粒（<0.005 mm）的含量。第一次是常规的加分散剂、煮沸、搅拌的方法，得到一条曲线；第二次不加分散剂，先将土样放在盛有一定量纯水的抽滤瓶中，并与真空泵相连接抽气10 min，然后把土水悬液冲洗到量筒中，加纯水至1 000 mL，倒转量筒30次并来回摇晃，让黏土颗粒自行水化分散，得到另一条曲线。求得两次试验的黏粒含量，根据式（1）计算分散度：

分散度=非常规试验测定的黏粒（＜0.005 mm）含量常规试验测定的黏粒（＜0.005 mm）含量（1）

1.2.2 离子含量

土壤化学分析参照《用原子吸收分光光度法测定淡盐水，海水和浓盐水中锂离子，钾离子和钠离子含量的标准试验方法》（ASTM D3561-2011）进行，用原子吸收光谱对钙、镁、钾、钠离子含量进行分析。

1.2.3 阿特伯格极限

参照《耐火极限检验检测》（ISO TS 17892-12-2004）对土壤进行液限、塑限、塑性指数试验。

1.2.4 压实度

参照《用标准作用力测定土壤实验室压实特性的标准试验方法》（ASTM D698）进行击实试验，绘制击实曲线，确定土壤的最佳含水量和最大干密度。

1.2.5 无侧限抗压强度

土壤的无侧限抗压强度参照《黏性土的无侧限抗压强度的标准试验方法》（ASTM D2166M-2016）进行分析，其在加载试验期间不排出水，并在卸掉限制压力后保持固有强度。

1.2.6 CBR

CBR参照《实验室压实土壤的加州承载比（CBR）的标准试验方法》（ASTM D1883-2016）进行分析。

2 结果与分析

2.1 双比重计试验

双比重计试验结果判定见表1，取土坑土样在双比重计试验中的测量结果见表2。

基于不同石灰掺量和养护时间的分散性路基土性能研究/张黎明，路再红，李文举

2.2 土壤化学分析

将1 g样品放入250 mL的消化瓶中，在未沸腾的条件下加入10 mL 50%的HNO3加热到95 ℃；冷却后，加入65%的HNO3进行回流，直到没有棕色烟雾从样品中升起；再次冷却后，缓慢加入10 mL 30%的H2O2，加入过程中，H2O2不得有损失；加入10 mL 37%的HCl进行回流，在95 ℃下持续15 min；用0.45 μm滤纸过滤溶液，然后用去离子水稀释至100 mL，保持稀释的溶液在4 ℃；用原子吸收光谱对滤液中的钙、镁、钾、钠进行分析，结果如表3所示。

由表3可知：土壤的分散性主要是由于结构中存在交换性钠，钠含量高使土壤更加分散。因此，钠吸收比（SAR）和钠百分比（PS）是用于检查分散性土壤化学相容性的两个重要参数。

2.3 路基土的分类

各个取土坑土样的基本特性及分类见表4。

由表4可知：每个取土坑采集到的具有代表性的土样分散度均＞50%，为分散性土，经湿筛粒度分析，细粒土通过0.075 mm筛孔的比例均＞67%。依据AASHTO和USCS土壤分类系统，土样在AASHTO系统中均属于高塑性黏土，在USCS系统中为高塑性黏土（CH）和高塑性粉土（MH）。

双比重计和可交换钠离子含量在土壤的鉴别和分类中起着重要的作用。交换性钠百分比与分散度呈现出明显的正相关线性关系，即交换性钠百分比越大，土体的分散度越强。其主要原因是土粒扩散层越厚，颗粒间的引力越小，土的分散性就越强。

2.4 石灰对分散性路基土分散度的影响

通过双比重计试验对石灰改善分散性路基土进行研究，试验结果如图1所示。结果表明：在7 d养护期内，随着石灰掺量的增加，土壤分散度不断降低，由69.2%下降到42.6%。

2.5 养护时间对分散性路基土分散度的影响

养护时间的增加会提升土体的强度，然而分散度的降低程度是不确定的。采用不同的石灰掺量（3%、5%、7%和9%），分别养护5 d、7 d、14 d，通过双比重试验分析养护时间对分散度和石灰稳定过程的影响。掺入石灰后土样的分散度评价见表5，不同石灰掺量和养护时间下，2号取土坑土样的分散度见图2。

由图2可知：随着石灰掺量和养护时间的增加，分散度呈下降趋势。相同石灰掺量下，养护时间越长，分散度越低。表5中亦表现出相同的规律。

2.6 石灰对分散性路基土化学性质的影响

不同石灰掺量下，分散性土壤中游离阳离子随养护时间的变化情况见表6和表7。

由表6和表7可知：钠离子浓度被石灰提供的钙离子所取代，随着石灰掺量的增加，SAR和SP值逐渐变小，土壤划分为非分散性土。

2.7 石灰对分散性路基土阿特伯格极限的影响

通过阿特伯格极限试验研究了石灰掺量和养护时间对土壤塑性的影响，试验结果如图3、图4所示。

由图3可知：随着石灰掺量从3%增加到9%，土的液限和塑性指数均有所下降，塑限略有提高。随着石灰掺量的增加，黏土含量降低，粗颗粒数量相应增加。当石灰掺量为7%时，塑性指数降为8.22，此后随着石灰掺量的增加，塑性指数不再发生变化。

由图4可知：在天然土样中添加石灰，降低了土样的液限，提高了土样的塑限，从而降低了土样的塑性指数；7%掺量石灰改性的土样在养护14 d后，塑性指数接近于0；7%石灰掺量是显著降低分散性路基塑性指数的最佳掺量。

2.8 石灰对路基土压实度的影响

不同石灰掺量的MH土养护14 d的击实曲线见图5。

由图5可知：随着石灰掺量的递增，土样的最佳含水率从22.80%提高到30.23%，最大干密度从1.66 g/cm3降低到1.50 g/cm3。

2.9 石灰对路基材料粒径分布的影响

不同石灰掺量的分散性路基土养护7 d的粒径分布曲线见图6，不同掺量石灰处理的分散性土壤的分类见表8，掺入石灰养护7 d和14 d分散性土壤性质见表9。

由表8可知：不同石灰掺量路基CH土养护7 d，黏土组分从41.21%减少到19.57%，砂组分从29.4%增加到55.8%，碎石从0增加到3.26%，这是由于絮凝反应，黏土组分减少，砂砾组分增加。由表9可知：随着养护时间的增加，土壤的液限降低，塑限升高，塑性指数降低。

由图6可知：9%石灰掺量的土样按照AASHTO分类为A-5，将土壤颗粒从A-7-5变为A-5和A-2-4的最佳石灰用量为7%～9%。

2.10 石灰对路基土无侧限抗压强度的影响

天然路基土无侧限抗压强度为55～100 kPa，为中等路基质量。由于石灰掺量和养护时间的不同，石灰处治的天然路基土强度有很大差异。不同石灰掺量的路基在不同养护时间（5 d、7 d、14 d）的无侧限抗压强度见表10。

由表10可知：养护时间相同的情况下，石灰掺量越高，路基土的无侧限抗压强度越高，随着养护时间的增加，路基土的无侧限抗压强度逐渐升高。熟石灰是稳定分散性土壤的合适添加剂，在石灰掺量为9%时，可获得较高的强度。

2.11 石灰对路基CBR的影响

不同石灰掺量的路基在不同养护阶段（7 d、14 d）的CBR值见后页表11。

由表11可知：养护7 d时，随着石灰掺量的增大，CBR值从3%提高到6%。养护14 d时，随着石灰掺量的增大，CBR值从3%提高到22.31%。石灰的最佳掺量为7%～9%，在石灰掺量为9%时，路基土的CBR值在7 d和14 d均有显著提高。

3 结语

（1）石灰在稳定分散性路基土方面具有较好的效果，随着石灰掺量和养护时间的增加，土壤的分散度呈下降趋势。当石灰掺量增加到9%，养护7 d时，2号取土坑土样分散度由69.2%下降到42.6%，养护14 d时，由69.2%下降到33.2%。

（2）交换性钠百分比与分散度呈现出明显的正相关线性关系，交换性钠百分比越大，土体的分散度越强。随着石灰掺量的增加，钠离子浓度被石灰提供的钙离子所取代，SAR和SP值逐渐变小，土壤划分为非分散性土。

（3）石灰掺量从3%增加到9%，土的液限和塑性指数均有所下降，塑限略有提高。当石灰掺量为7%时，塑性指数降为8.22，此后随着石灰掺量的增加，塑性指数不再发生变化。7%石灰掺量是显著降低分散性路基塑性指数的最佳掺量。

（4）随着石灰掺量的递增，土样的最佳含水率从22.80%提高到30.23%，最大干密度从1.66 g/cm3降低到1.50 g/cm3。

（5）由于絮凝反应，黏土组分减少，砂砾组分增加。不同石灰掺量CH路基土养护7 d，黏土组分从41.21%减少到19.57%，砂组分从29.4%增加到55.8%，碎石从0增加到3.26%。

（6）熟石灰是稳定分散性土壤的合适添加剂，随着石灰掺量和养护时间的增加，路基无侧限抗压强度和CBR呈上升趋势。石灰掺量为9%，养护14 d的MH路基土，无侧限抗压强度为237.62 kPa，CBR值為22.31%，两者均有显著提高。

参考文献

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收稿日期：2023-09-15