不同改良劑對不同含砂率粉土改良性質研究

王小偉，趙 巖

不同改良劑對不同含砂率粉土改良性質研究

王小偉1，趙 巖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.長安大學 材料科學與工程學院，陜西西安 710061）

通過人工室內配制不同含砂率（10%、20%、40%）粉土，對其進行改良試驗，研究在不同改良劑（石灰+水玻璃、石灰+粉煤灰）、不同配比作用下3種含砂率粉土的改良效果，研究結果表明：隨著含砂率的增加，無論是素土還是改良土，其最大干密度均增大；對于石灰+水玻璃改良土，其最大干密度較素土有明顯的降低，而石灰+粉煤灰改良土與之相反；石灰+水玻璃改良土最優含水率與素土略有差別，而石灰+粉煤灰改良土與素土最優含水率基本一致；在同一含砂率下，對于不同配比的石灰+水玻璃改良土，其最大壓實度和最優含水率并未發生較大變化，10%石灰+20%粉煤灰的壓實度高于其他配比情況；在恒定壓實度（95%）下，改良土的無側限抗壓強度明顯高于素土的無側限抗壓強度，改良劑對粉土起到一定的“維穩”效果，改良劑摻量才是決定無側限抗壓強度的關鍵因素。

粉土；含砂率；石灰；水玻璃；粉煤灰；改良；無側限抗壓強度

粉土的性質介于粉質粘土和粉砂之間，具有液化性、流變性、觸變性和水穩定性差等特點[1]。近十幾年來，在粉土改良方面，國內外學者已開展不同層次的研究：商慶森等[2]分析了石灰、水泥和石灰穩定粉土強度低、抗凍性能差的原因；張西海等[3]從工程試驗的角度對水泥改良粉土和水泥粉煤灰改良粉土后的物理力學性能進行了比較，從而為粉土改良后作為路基填料提出最佳摻量配比參考值；關文學等[4]通過二灰穩定粉砂土的大量試驗分析，闡述了影響二灰土強度的主要因素，解決了粉砂土成型差、強度低的問題；姚占勇等[5]研究了黃河沖（淤）積粉質二灰土的壓實特性，并分析了壓實度和壓實含水量對二灰土強度特性的影響以及影響壓實的關鍵因素及其影響規律。以往試驗均表明石灰、粉煤灰對粉土具有一定的改良作用，然而，對于不同的顆粒組成、礦物成分，應用不同改良劑，粉土改良效果也 不盡一致。因此，有必要對不同顆粒組成的粉土進行不同改良劑下的相關研究，從而為粉土改良工程的設計和施工提供有力考據。

1 研究方案及方法

1.1 研究方案設計

本研究采用人工配制不同含砂率（10%、20%、40%）的某工程粉土，通過采用不同改良劑：石灰+水玻璃、石灰+粉煤灰，不同配比：2%石灰+2%水玻璃、2%石灰+4%水玻璃、4%石灰+2%水玻璃、10%石灰+10%粉煤灰、10%石灰+20%粉煤灰、20%石灰+10%粉煤灰，改良土的重型擊實試驗確定最大干密度和最優含水率，研究分析不同含砂率改良土的壓實特性。然后以恒定壓實度（95%）、相同齡期（28 d）對改良粉土以路基填料的無側限抗壓強度作為填筑質量的控制指標影響規律進行研究，并加以對比分析，得出相關結論。

1.2 試驗材料

表1 粉煤灰物理化學成分Tab.1 Physical and chemical composition of fl y ash

（1）砂：試驗標準砂；

（2）石灰：二級灰，熟石灰；

（3）水玻璃：模數為2.5～2.7的鈉水玻璃，濃度為40%；

（4）粉煤灰：采用沾化電廠粉煤灰，具體物理化學成分如表1。

1.3 試驗方案

（1）本試驗所用土均為某工程粉土，采用不同含砂率進行人工配制，繼而采用不同配比改良劑進行研究分析。

（2）通過重型擊實試驗得到素土及不同改良土（具體組合見表2）的最大干密度和最優含水率，分別在最優含水率和恒定壓實度（95%）條件下對各改良土按《公路土工試驗規程》（JTG E40－2007）采用靜壓法制備試樣，養護28 d后進行無側限抗壓強度試驗。

表2 試驗組合Tab.2 Test combination

（3）對比分析不同改良劑對不同含砂率粉土的改良效果。

2 試驗結果及分析

試驗對所取素土進行了液塑限、比重、顆粒分析以及擊實試驗，其試驗結果見表3。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》（JTG E40－2007）可知，該土屬于低液限粉土。通過對素土進行無側限抗壓強度試驗，得到素土在95%壓實度下的無側限抗壓強度為59.4 kPa。

表3 素土物理性質Tab.3 physical properties of soil

圖1 石灰+水玻璃改良土擊實曲線Fig.1 Compaction curve of lime and sodium silicate improved soil

圖2 石灰+粉煤灰改良土壓實曲線Fig.2 Compaction curve of lime and fly ash improved soil

圖3 石灰+水玻璃改良土擊實曲線Fig.3 Compaction curve of lime and sodium silicate improved soil

2.1 改良土的擊實效果

含砂率為10%的改良粉土擊實曲線如圖1、圖2，含砂率為20%的改良粉土擊實曲線如圖3、圖4，含砂率為30%的改良粉土擊實曲線如圖5、圖6。

圖4 石灰+粉煤灰改良土擊實曲線Fig.4 Compaction curve of lime and fly ash improved soil

圖5 石灰+水玻璃改良土擊實曲線Fig.5 Compaction curve of lime and sodium silicate improved soil

圖6 石灰+粉煤灰改良土擊實曲線Fig.6 Compaction curve of lime and fly ash improved soil

對比圖1、圖3、圖5可發現：隨著含砂率的增加，無論是素土還是改良土，其最大干密度均呈增大趨勢，這是由于隨著含砂率的增加，粉土的顆粒級配發生改變，細顆粒融入較粗砂粒形成的孔隙中，壓實度增加；素土最優含水率保持在15%左右，而改良土最優含水率保持在17%左右；改良土的最大干密度較素土有明顯的降低；在同一含砂率下，對于不同配比的石灰+水玻璃改良土，其最大壓實度和最優含水率并未發生較大變化，這是由于水玻璃溶液中的硅酸根離子（SiO32-）與石灰中的鈣離子（Ca2+）產生如下化學反應：SiO32-+Ca2+→CaSiO3↓。

生成的CaSiO3把周圍土顆粒牢固地粘結在一起生成堅硬的固體。由于反應較為劇烈，反應時間短暫，這就導致了此改良土的最大干密度并未隨改良劑配比的變化發生較大變化。

對比圖2、圖4、圖6可發現：隨著含砂率的提高，素土、改良土的最大干密度均有不同程度提高，且最優含水率基本保持不變，維持在16%左右；在同一含砂率下，改良土的最大干密度明顯高于素土，說明改良土的壓實效果優于素土；二灰中比較關鍵的是粉煤灰的含量，粉煤灰的顆粒級配和顆粒結構影響二灰土壓實過程中的嵌擠、排列和填充作用[5]，因此，在同一含砂率下，10%石灰+20%粉煤灰的壓實度高于其他配比情況。

2.2 不同含砂率粉土及改良土無側限抗壓強度試驗結果與分析

在恒定壓實度（95%）下對素土及石灰+水玻璃、石灰+粉煤灰改良土養護28 d，分別進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果如圖7。

從圖7（a）可以看出：改良土的無側限抗壓強度明顯高于素土的無側限抗壓強度，由于石灰、水玻璃本身及其與粉土中礦物成分發生復雜的化學反應，生成塊狀聚集物，凝聚周圍土顆粒成為堅固的塊體，進而使得改良土的無側限抗壓強度高于素土；素土的無側限抗壓強度隨含砂率的增加呈現急劇下滑的趨勢，而經過改良后的粉土則不會出現這一現象，相反，改良土的無側限抗壓強度隨含砂率的增加下降較為緩慢，說明改良劑對粉土起到一定的“維穩”效果；對改良土而言，在石灰摻量一定（2%）的情況下，提高水玻璃的摻量可以大大提高無側限抗壓強度，同樣地，保持水玻璃產量不變（2%），增加石灰的摻量，無側限抗壓強度也有明天的提高；而對于不同配比的改良劑（石灰：水玻璃=1：2或2：1）改良后的粉土，其無側限抗壓強度相差不大，可見改良劑摻量才是決定無側限抗壓強度的關鍵因素。

圖7 無側限抗壓強度隨含砂率變化曲線Fig.7 Curves of unconfined compressive strength with sand content

從圖7（b）可以看出：石灰+粉煤灰改良土具有與石灰+水玻璃改良土類似的性質；二灰含量的增加，提高了灰土中生成的水硬性膠凝物質，進而提高了改良土的強度；不同的是，二灰配比不同，強度有所不同，20%石灰+10%粉煤灰的改良土的強度高于10%石灰+20%粉煤灰的改良土強度，即二灰比1：N（石灰：粉煤灰=1：N），N值越小，強度越高，這與商慶森等人[6]得出的結論一致。

3 結論

1）隨著含砂率的增加，無論是素土還是改良土，其最大干密度均增大。

2）對于石灰+水玻璃改良土，其最大干密度較素土有明顯的降低，而石灰+粉煤灰改良土與之卻相反。

3）石灰+水玻璃改良土最優含水率與素土略有差別，而石灰+粉煤灰改良土與素土最優含水率基本一致。

4）在同一含砂率下，對于不同配比的石灰+水玻璃改良土，其最大壓實度和最優含水率并未發生較大變化，10%石灰+20%粉煤灰的壓實度高于其他配比情況。

5）在恒定壓實度（95%）下，改良土的無側限抗壓強度明顯高于素土的無側限抗壓強度，改良劑對粉土起到一定的“維穩”效果，改良劑摻量才是決定無側限抗壓強度的關鍵因素。

[1]彭月英.基于現行規范的粉土定名分析與探討[J].地質科技情報，2006(4)：92-94.

[2]商慶森.石灰穩定黃河沖積粉土的研究[J].華東公路，1996(1)：25-27.

[3]張西海.水泥及水泥粉煤灰改良粉土填料性能試驗研究[J].路基工程，2007(2)：75-76.

[4]關文學，高新學.二灰穩定黃河粉砂土的強度影響因素[J].山東交通科技，2008(1)：35-38.

[5]姚占勇.黃河沖（淤）積粉質二灰土的壓實特性研究[J].巖土工程學報，2007(5)：664-670.

[6]商慶森，劉樹堂.影響石灰與二灰穩定細粒土強度因素的分析[J].公路交通科技，2000(6)：26-29.

（責任編輯 王利君）

Study on improving properties of different modifiers on silt with different sand content

WANG Xiaowei1，ZHAO Yan2
(1.Hohai University, Key Laboratory for Geotechnical Engineering of Ministry of Water Resourse Nanjing, Jiangsu, China,210098;2.Chang’an University,School of Materials Science and Engineering,Xi’an,Shannxi,China, 710061)

A series of artificial silt with different sand ratios (10% ,20%, 40%) is prepared, with the improvement tests, the improvement effect of different modifiers(lime and sodium silicate, lime and fly ash) with different proportion on silt has been investigated. the results show that with the increase of sand rate, either soil or modified soil, the maximum dry density increases; contrary to the lime and fly ash modified soil, the maximum dry density of lime and sodium silicate modified soil is significantly reduced; the optimum moisture content of lime and sodium silicate modified soil and soil is slightly different, however, for lime, fly ash modified soil and soil, the optimum moisture content is basically the same; with the same sand ratio, the maximum degree of compaction and the optimum moisture content of the lime and sodium silicate modified soil with different ratios have not changed greatly, the compaction ratio of 10% lime and 20% fly ash is higher than the others; at a constant degree (95%) of compaction, the unconfined compressive strength of modified soil is significantly higher than silt, and plays a “stable”effect, the modified additive quantity is the key factor of the unconfined compressive strength. Key words:Silt; Sand Ratio; Lime; Sodium Silicate; Fly Ash; Improve;Unconfined Compressive Strength

TU44

A

1673-9469（2017）02-0007-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.002

2017-03-06

國家自然科學基金資助項目（51379065）；江蘇省自然科學基金資助項目（41272329）

王小偉（1990-），男，山東濰坊人，博士，主要從事巖土工程研究。