水玻璃改良低液限粉土的室內試驗研究

姜 沖,黃 珂,杜 偉,趙子榮

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學，江蘇省巖土工程技術工程研究中心 江蘇 南京 210098)

水玻璃改良低液限粉土的室內試驗研究

姜 沖1，2,黃 珂1，2,杜 偉1，2,趙子榮1，2

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學，江蘇省巖土工程技術工程研究中心 江蘇 南京 210098)

通過對泰州地區低液限粉土進行室內改良試驗，研究2.6～2.9和3.1～3.4兩種不同模數水玻璃作為改良劑對該地區粉土改良效果，試驗結果表明：兩種水玻璃改良土的最大干密度均小于素土的最大干密度，最優含水率均大于素土的最優含水率；兩種不同模數水玻璃對該地區低液限粉土的CBR值均有明顯提高作用，壓實度對2種改良填料土的CBR值有著不同程度的影響，隨著壓實度增加，CBR值呈現不同比例的增長，而且28d齡期增長幅度遠大于0d齡期的增長幅度，不養護時增加壓實度對CBR值的提高影響不大；模數3.1～3.4水玻璃改良土的早期強度要高于模數2.6～2.9的水玻璃改良土；養護相同時間情況下模數2.6～2.9水玻璃改良土強度提高更大。

水玻璃；加州承載比；粉土；路基；改良試驗

泰州位于長江三角洲平原區，砂質粉土(粉土、粉土夾粉砂、粉砂夾粉土)分布廣泛，該類土液限低，塑性指數小，粉粒含量較高(一般大于50%)，黏粒含量低(一般小于15%)。該類土含水率稍大則進入流塑狀態，易產生橡皮土現象；同時保水性差，含水率變化較快，在含水率較低時不成團，顆粒間摩擦力大，CBR值極低(小于5)，難以壓實。因此，砂質粉土不能直接作為路堤填料在工程中直接應用，必須進行改良。工程中廣泛采用的改良方法主要有物理改良和化學改良，其中采用穩定劑進行粉土改良加固方面，主要采用一種或幾種無機結合料，如水泥、石灰、粉煤灰等進行加固，并取得了很好的改良效果[1-5]。但是石灰穩定土初期的塑性降低，而且石灰穩定土強度對凍融循環敏感且經過凍融強度降低。所以石灰改良粉土仍具有其局限性[6-7]。水泥土的干縮系數和溫縮系數都比較大，因此，暴露的水泥土易因水泥水化反應、環境溫度、濕度的變化造成體積的不均勻變化而產生裂縫。這種裂縫的出現，會導致固化體(水泥土)的抗壓強度、抗滲、抗凍和抗沖刷性能降低。不僅如此，傳統的改良劑在施工過程中會不可避免的出現揚塵，污染環境，雖然采用石灰土改良時，施工過程中采取邊施工邊灑水可以控制大面積揚塵，但是粉土在碾壓過程中對含水率控制要求很高，采取這種施工方法不利于含水率的控制，影響壓實效果。因此，在環境問題日益突出的今天，尋找一種既能滿足工程要求又可以保護環境的新型改良劑顯得尤為重要。為解決水泥、石灰改良粉土施工過程中產生揚塵這一問題，擬采用水玻璃(Na2O·nSiO2)代替石灰、水泥作為改良劑研究其對粉土加固作用效果，為以后的粉土改良加固研究及設計和施工提供依據。

1 試驗方案及方法

1.1試驗方案的設計

本試驗用土取自泰州地區低液限粉土，通過采用不同模數(Na2O·nSiO2中n表示水玻璃模數，為研究模數對粉土改良效果的影響，試驗選取應用廣泛且價格相對較低的2.6～2.9,3.1～3.4兩種模數水玻璃進行試驗)，不同摻量(摻量分別為3%、5%、7%、9%)水玻璃改良土的重型擊實試驗確定最大干密度和最優含水率，研究分析改良土的壓實特性。最后以不同壓實度(93%、94%、96%)、不同齡期(0d、28d)改良土路基填料的CBR值作為填筑質量的控制指標進行研究，并加以分析，對該地區路基工程的設計和施工提供相應參考依據。

1.2試驗方法

(1)測素土風干含水率，根據預估最優含水率制備5種不同含水率試樣，相鄰組試驗含水率相差2%～3%，每組試驗取2.5kg風干土加水拌勻燜料12h左右，備用。考慮水玻璃溶液本身含水，根據水玻璃摻量適量減少素土試樣含水率(本試驗采用水玻璃濃度為39%左右，加水配土時須考慮所摻加的水玻璃中61%的含水量)。擊實前根據配比摻入相應質量的改良劑，人工拌勻后立即進行試驗。控制每層高度分五層擊實，每層27擊。擊實后從中間取樣測其含水率，并繪制擊實曲線，得到最優含水率和最大干密度。

(2)通過重型擊實試驗得到素土和不同改良土的最大干密度與最優含水率，分別在最優含水率不同的壓實度(93%、94%、96%)條件下對各改良填料按《公路土工試驗規程》(JTGE40-2007)采用靜壓法制備CBR試樣，分別養護0d和28d并浸水四晝夜后進行CBR試驗。

2 試驗結果

對取土坑的素土進行了液塑限、比重、顆粒分析以及重型擊實試驗，其試驗結果見表1。從顆粒分析結果以及結合液塑限情況依據規范《公路土工試驗規程》(JTGE40-2007)可知該土屬于低液限粉土。粉粒(粒徑0.002～0.075mm)的含量占總量91.9%，粘粒很少，從性質上更多顯示出粉土的性質：顆粒較為均勻、級配差，難于壓實同時粉粒毛細作用強烈，水穩定性差。

2.1 水玻璃改良的擊實效果

模數為2.6～2.9,3.1～3.4水玻璃改良土的擊實曲線如圖1、圖2。

表1土樣基本物理性質指標

注：上述土的分類命名依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTJ024-85)

分析圖1可以發現，對于模數為2.6～2.9的水玻璃改良土而言，不同摻量下改良土的最優含水率先增大后減小，都略高于素土的最優含水率，最大干密度隨著水玻璃摻量從0%增大到9%范圍內表現出先減小后增大的變化規律。究其原因，是由于水玻璃與土顆粒間隙中空氣以及土中的礦物成分發生一系列化學反應致使土的塑性減小、膠結物增多，這些原因造成了顆粒的團聚、粗化，這種顆粒的團聚少量產生后會造成土體的局部空隙增大致使最大干密度有所減小，但隨著水玻璃劑量的繼續增加，相應的粗顆粒的數量增加到一定程度后又會使得水玻璃改良土的最大干密度開始隨水玻璃摻量增加而變大。同時可以看到，模數2.6～2.9的水玻璃改良土的擊實曲線變化趨勢與素土的基本相同。

由圖2可知，對于模數為3.1～3.4水玻璃改良土，隨著水玻璃摻量增加，改良土的最大干密度先減小后增大，最優含水率高于素土的最優含水率，改良土最大干密度明顯小于素土的最大干密度，原因與2.6～2.9模數水玻璃改良土相同。同時可以看出模數3.1～3.4的水玻璃改良土的擊實曲線變化趨勢與素土的基本相同。

2.2CBR試驗結果與分析

2.2.1 不養護條件下水玻璃改良土CBR值與壓實度的關系

在不同模數(2.6～2.9、3.1～3.4)、不同壓實度(93%、94%、96%)條件下水玻璃改良土不養護直接浸水四晝夜后的CBR試驗結果見圖3、圖4。

圖3、圖4分別描述的是模數為2.6～2.9和3.1～3.4水玻璃改良土不養護條件下CBR值與壓實度之間的關系。由圖可知，壓實度對于2種改良土均有著較明顯的影響，隨著壓實度的增大CBR值都有所增加。分析圖3中各摻量變化曲線我們可以看到，當摻量為7%時 ，隨著壓實度的增加CBR值變化不大，這是由于水玻璃是氣硬性材料只能在空氣中硬化而不能很好的在潮濕環境或者水中硬化，摻量7%模數2.6～2.9的水玻璃改良土的最大干密度小，同時最優含水率較大，限制了水玻璃與空氣的反應。從圖3、圖4我們還可以看到，壓實度不變的情況下隨著摻量的增加CBR值大體呈增加趨勢。

2.2.2養護28d條件下水玻璃改良土CBR值與壓實度的關系

不同模數(2.6～2.9、3.1～3.4)、不同摻量(3%、5%、7%、9%)下水玻璃改良土養護28d浸水四晝夜后的CBR值與壓實度關系曲線如圖5、圖6。

分析圖5、圖6來看，養護28d后兩種模數水玻璃改良土的CBR值較素土均有很大提高，且隨著壓實度的增加都明顯增大。同時，模數2.6～2.9的水玻璃改良土在同一壓實度條件下，隨著摻量的增加CBR值增大。

比較圖3與圖5、圖4與圖6可以看出，兩種模數水玻璃改良土28d齡期較0d齡期CBR值有明顯提高。模數為2.6～2.9和3.1～3.4水玻璃改良土在93%壓實度條件下，摻量為3%、5%、7%、9%養護28d的CBR分別為不養護的1.8、1.5、2.3、2.7倍和1.0、1.3、1.5、1.3倍；模數為2.6～2.9和3.1～3.4水玻璃改良土在94%壓實度條件下，摻量為3%、5%、7%、9%養護28d的CBR分別為不養護的1.7、2.2、2.1、1.7倍和1.4、1.8、1.6、1.4倍；模數為2.6～2.9和3.1～3.4水玻璃改良土在96%壓實度條件下，摻量為3%、5%、7%、9%養護28d的CBR分別為不養護的1.3、1.4、2.3、2.3倍和的1.7、2.6、2.5、2.0倍。

2.2.3 不同齡期93%壓實度水玻璃改良土的CBR值與摻量的關系

93%壓實度條件下，兩種模數水玻璃改良土0、28d齡期的CBR值與摻量的關系如圖7所示。

分析圖7可知，壓實度為93%其它條件不變的情況下，隨著水玻璃摻量的增加，兩種水玻璃改良土的CBR逐漸增大。不養護條件下，兩種水玻璃摻量相同時，模數3.1～3.4水玻璃改良土CBR值均大于模數為2.6～2.9水玻璃改良土。由此可以看出模數3.1～3.4水玻璃改良土的早期強度要高于模數2.6～2.9的水玻璃改良土。養護28d條件下，水玻璃摻量相同時模數2.6～2.9水玻璃改良土CBR值均大于模數為3.1～3.4水玻璃改良土。由此可以看出，養護相同時間情況下模數2.6～2.9水玻璃改良土強度提高較大。

3 結論

1)從兩種水玻璃改良土的擊實總體情況來看，改良土的最大干密度均小于素土最大干密度，最優含水率均大于素土的最優含水率。兩種模數水玻璃改良土的最大干密度隨著摻量增加先減小后增加。

2)從CRB值隨壓實度變化規律分析來看，壓實度對2種水玻璃改良土的CBR值有著不同程度的影響，隨著壓實度增加，CBR值呈現不同比例的增長。而且28d齡期增長幅度遠大于0d齡期的增長幅度，不養護時增加壓實度對CBR值的提高影響不大。

3)分別比較分析93%壓實度0d齡期和28d齡期條件下兩種水玻璃CBR值變化曲線可以看出，模數3.1～3.4水玻璃改良土的早期強度要高于模數2.6～2.9的水玻璃改良土；養護相同時間情況下模數2.6～2.9水玻璃改良土強度提高較大。

(4)兩種水玻璃均能有效提高泰州地區低液限粉土的CBR值，且隨著摻量的增加改良土CBR值大體呈增加趨勢。從室內試驗結果看，用水玻璃改良該地區低液限粉土是可行的。

[1]白祖國.低路堤填筑的粉土改良及毛細水作用下路堤穩定性研究[D].天津：天津大學,2009.

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[6]商慶森,姚占勇,劉樹堂.提高石灰穩定粉土的強度及抗凍性的研究[J].山東工業大學學報，1997，27(l):8-15.

[7]姚占勇,劉樹堂,商慶森.生石灰粉穩定黃河沖(淤)積粉土的可行性探討[J].山東工業大學學報，1999，29(l):77 - 80.

(責任編輯 李軍)

Experimental study on improvement of low liquid limit silt with water glass

JIANGChong1,2,HUANGKe1,2,DUWei1,2,ZHAOZirong1,2

(1.KeyLaboratoryforGeotechnicalEngineeringofMinistryofWaterResource,JiangsuNanjing210098,China;2.ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

ThroughlaboratorytestsoflowliquidlimitsiltinTaizhouarea, 2.6～2.9and3.1～3.4modulusofwaterglasswereusedasmodifiers,andtheeffectofimprovedsiltintheareawasresearched.Theresultsshowthatthemaximumdrydensityoftwokindsofwaterglassmodifiedsoilarelessthantheplainsoil,andtheoptimummoisturecontentisalsogreaterthantheplainsoil.TheCBRvaluesofthelowliquidlimitsiltwithtwokindsofwaterglassintheareaaresignificantlyincreased,andthecompactiondegreehaseffectsontheCBRvalueofthemodifiedfillersoil.Withtheincreaseofthecompactiondegree,theCBRvalueshowsdifferentproportionofgrowth.Andthegrowthratewith28daysismuchgreaterthanthegrowthrateof0day.Theearlystrengthofthe3.1～3.4moduluswaterglassimprovedsoilishigherthanthatofthe2.6～2.9moduluswaterglassimprovedsoil.Underthesamemaintenanceconditions,theimprovedsoilstrengthofthe2.6～2.9moduluswaterglassimprovedsoilisgreatlyimproved.

waterglass;Californiabearingratio;Silt;subgrade;improvedtest

1673-9469(2016)04-0042-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.010

2016-08-09

浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2015J06)

姜沖(1990-)，男，山東日照人，河海大學碩士研究生，主要研究方向為土的靜動力學特性、特殊土處治技術。

TU

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