偏高岭土-石灰改良路基膨胀土拉压强度特性研究

陈峥昊，楚延天

（商丘职业技术学院，商丘 476000）

1 前言

膨胀土属于一种黏性土，它具有黏性土的所有特征，其中最明显的特征是遇水后土体会迅速膨胀，使得土体的承载力变得极低，但是遇到高温干燥的天气，则土体中的水分会逐渐流失，导致土体干裂失稳。如果将这种土应用于公路路基、基础设施建设，将给国家和人民带来生命和财产的严重损失[1-2]。

针对膨胀土的防治问题，目前使用最多的手段是在膨胀土中掺入一些固化剂，如石灰、水泥、粉煤灰等，通过与水结合发生水化反应对膨胀土体进行加固，提升土体承载力。但是这些固化剂的使用具有两方面的弊端，一方面，发生水化反应的过程中产生的化合物对环境造成的污染；另一方面，这些材料其本身成本和运输成本比较高。因此,国内外学者开始关注环境友好型、节约成本的新型土壤改良剂[3-4]。偏高岭土与石灰配合使用可以作为土体固化剂，偏高岭土中含有大量的SiO2和Al2O3，其本身没有活性，但是遇到消化后的石灰将会激发自身活性，这种反应又称为碱激发，激发活性后的偏高岭土可作为膨胀土的改良剂[5-6]。

虽然石灰改良膨胀土的效果很好，即抑制了膨胀土的胀缩性，又提高了其力学特性，但是许多学者忽略了大量的使用石灰对环境污染的影响。随着人们的环保意识日益增强，“绿色建设”的理念已经深入人心，因此本文将利用偏高岭土来代替石灰的用量，用无侧限抗压试验和劈裂试验来探究石灰激发偏高岭土作为改良剂对改变膨胀土力学特性的影响，为实际路基施工提供可靠的依据。

2 试验材料与试样制备

2.1 试验材料

试验用土是南阳市内乡县某国道公路旁的膨胀土,测得其物理性质指标如表1 所示。

表1 膨胀土的基本物性

2.2 试样制备及击实试验

在制备试样之前要进行击实试验，其目的是得到每个掺量试样的最优含水率和最大干密度。制样前先计算出每个试样所需的质量，其质量要严格参照击实试验所得到击实曲线而定，如图1 所示。试样的制样过程：将碾碎后的膨胀土过0.5 mm 的筛，然后按照击实试验的试验结果，掺入相应掺量的石灰和偏高岭土，并加入一定量的蒸馏水与膨胀土充分混合后装入保鲜袋中静置12 h，将静置好的土量取质量后倒入制样模具中，分三次进行压实，得到50 mm×50 mm 的试样。为了保证试验数据的准确性，每个掺量的试验需要进行6 次平行实验，结果取其平均值。制备好试样之后，将试样放入调整好的恒温恒湿箱中进行养护，达到所需的龄期后方可进行试验。

图1 偏高岭土-石灰改良膨胀土的击实曲线

3 试验方法与试验结果

3.1 试验方法

无侧限抗压强度试验是利用承载比试验仪对已经养护好的试样施加轴向应力，以设置好的速率逐渐加压，直至试样破坏，在试验的过程中需要时刻观察仪表并记录数据。依照击实试验的结果，本试验选取石灰（L）的掺量为固定值6%。具体的试验方案如表2 所示。

表2 试验方案

劈裂试验的实验方法与无侧限抗压强度试验的方法相似，区别在于劈裂试验对试样施加的是横向线性荷载，以观察试样的抗拉强度的变化趋势及破坏情况，通过该实验能够有效的反映固化后试样的抗拉强度，劈裂试验与无侧限抗压试验的试验方案相同。

本文试验依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)对养护到期的试样先进行强度试验。仪器采用了CBR-1 型承载比试验仪。

3.2 试验结果

3.2.1 无侧限抗压强度试验

通过对记录的试验数据进行处理，得出了三个不同龄期下试样抗压强度的变化规律，可以用应力-应变曲线表示，如图2 所示。

图2 L-MK 改良膨胀土应力-应变曲线图

图2 反映了养护龄期为7d、28d 试样应力-应变的变化曲线，试样的抗压强度会随着MK 掺量的增多而增大，随着试样养护龄期的增加，相同掺量的试样其抗压强度也会随着龄期的增长而增大，养护龄期28d 且MK掺量为12%时抗压强度最大。试样破坏时，其抗压强度会迅速下降，一般随着应力的增加，试样会发生塑性变形或者脆性破坏，抗压强度越大的试样越容易发生脆性破坏。

由图2(a)可知，掺入6%L＋3%MK 试样的峰值无侧限抗压强度为1.127 MPa。《公路路面基层施工技术细则》中指出，一级公路路基的最低强度标准需要≥1.1 MPa，3%MK 的掺量已经满足要求，因此，L-MK 作为改良剂固化膨胀土，其达到的抗压强度完全适用于各级公路路基的标准。

3.2.2 改良膨胀土的弹性模量-MK 含量关系曲线

对于无侧限抗压强度试验来说，仅仅通过应力-应变曲线的分析是远远不够的。为了进一步探究试样的抗压强度的变化情况和材料的利用率情况，本文引入了一种新的分析方法—弹性模量-MK 掺量变化曲线。此分析方法需要参考图4 分别计算出每个掺量应力-应变曲线中直线段的斜率，然后通过线性拟合的方式得出弹性模量-MK 掺量变化曲线，如图3 所示。

图3 改良膨胀土的弹性模量-MK 含量关系曲线

图4 改良膨胀土劈裂试验的应力-应变曲线图

通过观察线性拟合曲线可知，土体的弹性模量随着MK 掺量的增多而增大。图3(a)是养护龄期7d 的拟合曲线，曲线没有明显的变化，接近于线性增长；图3(b)是养护龄期28d 的拟合曲线，当MK 掺量由0%增加到3%时，线段斜率大，说明此时抗压效果提升明显；随着MK掺量的继续增加，弹性模量增长趋势逐渐变缓，说明了虽然MK 掺量增加了，弹性模量也随之增长，但是材料利用率方面明显降低。出于经济性方面的考虑，MK 掺量为6%时材料利用率最好，试样的抗压性能良好。

3.2.3 劈裂试验的应力-应变关系规律

由于劈裂试验得到的应力-应变关系曲线与无侧限抗压强度试验应力-应变关系曲线的发展规律类似，并且劈裂试验的持续时间短，试样的抗拉强度远低于抗压强度，所以这里只选取养护龄期为28 天的试样进行分析，如图4 所示。

由图可知，试样的抗拉强度会随着MK 掺量的增加而增大，当MK 的掺量为12%时，其抗拉强度达到最大0.45 MPa。从抗拉曲线的发展规律可以看出，随着应力的增加，其试样的抗拉强度也在逐步增大，增大至峰值之后，抗压强度迅速减小，此时试样发生了脆性破坏。也就是说，与无侧限抗压强度试验相比，试样没有塑性变形的过程，且改良后的土体的抗拉强度远小于同等条件下试样的抗压强度。

4 结论

本文通过对偏高岭土-石灰改良膨胀土进行无侧限抗压强度试验和劈裂试验，探讨并分析了石灰碱激发偏高岭土作为改良剂对膨胀土的力学特性的影响，得到以下结论：

（1）通过无侧限抗压强度试验研究发现：当养护龄期28d 且掺入6%L+12%MK 改良剂时，试样的无侧限抗压强度最大，掺入6%L+3%MK 改良剂的试样的无侧限抗压强度为1.127 MPa，已经满足了一级公路路基的最低标准≥1.1 MPa；土的弹性模量也会随着MK 的掺入而增大，但是当MK 的掺量由6%增加至12%时弹性模量增长速率显著下降。

（2）通过劈裂强度试验研究发现：抗拉强度的发展规律与无侧限抗压强度规律相似，均随着MK 掺量的增加而增大，且当养护龄期为28d，MK 掺量为12%时，试样的抗拉强度达到最大的0.45 MPa，但相同条件下试样的抗拉强度要远小于其抗压强度。

（3）从材料的利用率来说，通过弹性模量-MK 掺量的拟合曲线可知，MK 掺量由0%增加到3%时，弹性模量增长明显，但是MK 的掺量由6%增至12%时，其弹性模量增长率趋于平缓，此时的材料的利用率明显降低。通过无侧限抗压试验和劈裂试验进行分析得出最佳的材料利用率为6%L+6%MK 的改良剂掺量。