石灰改良路基填土與最佳配合比的確定

尹博鑫 王正君 黨司雯 唐 寧

（1 黑龍江大學(xué) 寒區(qū)水利工程重點實驗室；2 黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院）

0 引言

道路地基簡稱路基，是出行及交通運營的關(guān)鍵。截至當(dāng)前，我國出現(xiàn)了多起由于路基失穩(wěn)造成的嚴(yán)重交通事故，存在多地道路不平而導(dǎo)致的出行不便等問題，引起了社會廣泛關(guān)注，路基填土改良已經(jīng)成為一個重要的研究課題。目前已知填土改良方法有很多，本文主要介紹深層攪拌法中的加固劑——石灰。

石灰是以氧化鈣為主要成分煅燒而成的一種膠凝材料，具有良好的保水性和可塑性，用于土木工程中會使土體具有良好的工程性質(zhì)，目前已被大量投入到改良土的實際工程中。

1 石灰改良原理

直接原因：

⑴石灰中具有的Mg2+、Ca2+遇水發(fā)生反應(yīng)，生成Ca（OH）2結(jié)晶體，這種晶體會促進土粒間的凝結(jié)作用，使土粒牢牢“抱”在一起，從而提高路基的相對穩(wěn)定性。

⑵土顆粒表面的活性SiO2在石灰造成的堿性條件下解離，并與Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的CaSiO3和mCaO·nAl2O3，纏繞在土體周圍，這些水化物的纖維狀結(jié)晶體擴散到土粒間孔隙中，與土粒“綁”在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如圖1），提高了土體的抗剪強度[1-2]。

圖1 水化物形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[2]

⑶Ca（OH）2空氣中CO2反應(yīng)生成CaCO3，在填土與空氣接觸的表面形成“硬殼”，提高強度[3]。

間接原因：由于生石灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)消耗水：CaO+H2O→Ca（OH）2+64.9×103J，產(chǎn)生熱量，使填土中蘊藏的水分汽化，含水率降低，土顆粒之間的空隙相對減小、相互靠攏擠密，提高了土體的工程性質(zhì)。

2 石灰改良效果

2.1 抗剪強度

抗剪強度是衡量材料抵抗外界能力的指標(biāo)，可以通過直剪試驗和三軸實驗等室內(nèi)試驗，十字板扭剪試驗、旁壓試驗等室外試驗測得，并用有效粘聚力、有效內(nèi)摩擦角來表示其大小。邊加敏[4]等通過不同含水率、不同摻灰率的直剪試驗，對試驗結(jié)果進行擬合（如圖2），得出結(jié)論：凝聚力、內(nèi)摩擦角與摻灰率的相關(guān)系數(shù)最小為0.95、最大為0.99，符合線性相關(guān)條件，說明抗剪強度與摻灰率線性相關(guān)。對改良土進行凍融試驗，抗剪強度降低的變化量明顯比素土小，說明填土的抗凍性被提高，并且由于較大壓力會使凍融造成的空隙部分恢復(fù)，所以抗剪強度還會隨圍壓的增加而增大[5]。

圖2 不同摻灰率、含水率對凝聚力、內(nèi)摩擦角的影響[4]

2.2 脹縮率

脹縮率是衡量填土吸水膨脹、失水收縮的變形指標(biāo)，對研究路基在不同季節(jié)性能變化具有重要意義。譚毓清等[6]對石灰摻量為0%、8%、14%的改良土進行干濕循環(huán)下的脹縮試驗，結(jié)果（如圖3）顯示，填土的絕對和相對膨脹率都會隨石灰摻量的增加而減小。這是因為石灰的摻入減少了土的粘性，降低了填土的液限、塑限，所以吸水后變形減小，脹縮性對實際工程的危害也會減弱。

2.3 凍脹特性

在寒冷地區(qū)，凍脹是路基的主要病害之一。這是由于填土中蘊藏的水分發(fā)生相變，產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，導(dǎo)致填土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在我國每年都有不少因凍脹開裂、路面翻漿造成的災(zāi)害使道路安全受到影響，有效改善填土的凍脹特性已成為重要的研究課題。韓春鵬等[7]對摻入石灰后的土樣進行凍脹試驗，試驗結(jié)果如圖4 所示。凍脹率隨著溫度降低而增加，不同石灰摻量土樣的起始凍脹溫度無明顯差異，但在凍脹發(fā)生的主要溫度區(qū)間石灰的摻入可降低凍脹率。

圖4 摻灰量對凍脹率的影響

2.4 彎沉值

彎沉值是衡量路基質(zhì)量的指標(biāo)，簡單說就是在承受荷載時路基產(chǎn)生的變形，對道路安全、平坦具有重要參考價值。道路的彎沉變化是一個非常復(fù)雜的過程，與多個因素相關(guān)，如：天氣狀況、施工情況、工人檢測手段等。王波等[8]對采用不同摻灰率路基進行改良前后彎沉值測量，結(jié)果顯示石灰改良路基彎沉值明顯。

2.5 其他效果

土體工程性質(zhì)的衡量指標(biāo)還有很多，比如：水穩(wěn)定性、回彈模量、承載力強度、壓實度、滲透能力等，相關(guān)研究也相對完善，這些都是判斷土體是否滿足路基填土的重要依據(jù)。研究結(jié)果證明石灰的確可以改善填土工程性能，本文不再一一進行贅述。

3 確定石灰最佳摻量

模糊數(shù)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的模糊評價法，是目前正在應(yīng)用的一個把定性問題轉(zhuǎn)換為定量問題的方法。在當(dāng)前對填土改良的研究結(jié)果中，部分研究者只注重對工程性質(zhì)的改良，而忽略了經(jīng)濟成本問題。本文對石灰改良路基填土性質(zhì)進行模糊評價法分析，確定更加經(jīng)濟的摻灰量。

3.1 試驗處理及結(jié)果

根據(jù)胡小鶴[9]試驗情況，選擇寧西鐵路西安至合肥段增建第二線工程的填土、Ⅲ級生石灰，對素土與摻石灰土樣進行過篩、擊實、浸水養(yǎng)護處理，并對其中低液限粘土進行擊實結(jié)果及無側(cè)限抗壓強度（如表1）檢測。

表1 壓實結(jié)果與無側(cè)限抗壓強度[9]

3.2 數(shù)據(jù)處理

分別選用7d 無側(cè)限抗壓強度作為早期強度、28d強度作為晚期強度和加固成本對加固效果進行分析，經(jīng)調(diào)查生石灰每千克0.189 元。為確定經(jīng)濟與力學(xué)性質(zhì)都適用的最佳配合比，參考陳永輝等[10]學(xué)者對水泥土的研究結(jié)果，賦予經(jīng)濟因素0.4 的權(quán)重、早、晚期強度分別賦予0.3 權(quán)重，建立因素權(quán)重集為A=(0.4，0.3，0.3)。通過線性內(nèi)插法對不同配合比下的各項指標(biāo)進行無量綱化，得到的各指標(biāo)賦分結(jié)果如表2。

表2 同配合比下指標(biāo)賦分結(jié)果

對結(jié)果寫成矩陣形式即：

將早期強度、晚期強度與加固成本綜合評價：

依據(jù)模糊評價原理，分值越大說明綜合評價效果越好，即分值最大為0.801、摻入量為6%時，既滿足工程上力學(xué)性能的要求，又滿足經(jīng)濟上節(jié)約成本的要求，確定6%為該填土、該水泥的最佳配合比。

4 出現(xiàn)的問題

石灰已經(jīng)被大量投入到實際工程中，目前也收到了一些負(fù)面的反饋：

⑴石灰在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生二氧化碳，會加劇溫室效應(yīng)。

⑵石灰與填土攪拌過程中，由于土體之間的粘結(jié)性，石灰被集中在部分區(qū)域，只有小部分和填土發(fā)生反應(yīng)，另一部分存在于填土中無顯著加固效果，遇水后剩下部分繼續(xù)消解，使局部土體發(fā)生膨脹，產(chǎn)生所謂“蘑菇”現(xiàn)象。

⑶由于含水量是石灰改良填土的關(guān)鍵，所以季節(jié)對改良效果的影響十分明顯。在雨季，填土含水量難以控制導(dǎo)致改良土的早期強度較低，容易出現(xiàn)“彈簧”現(xiàn)象，對改良土工程性質(zhì)產(chǎn)生影響，威脅工程安全穩(wěn)定性[11]。

5 結(jié)語

石灰的摻入在一定程度上提高了填土的工程性質(zhì)，但在考慮石灰最佳摻量時，不僅要使其滿足工程上的要求，而且在經(jīng)濟上也要盡可能節(jié)約成本，模糊綜合分析法可以將定性問題轉(zhuǎn)化成定量問題，用數(shù)據(jù)分析出更加經(jīng)濟適用的摻灰量，在對寧西鐵路西安至合肥段增建第二線工程的模糊綜合評價中確定了該地的石灰最佳摻量是6%，但不同填土、石灰在特定工程中還需要具體分析。對石灰投入實際工程中的研究任重而道遠，不僅要解決生產(chǎn)時產(chǎn)生的溫室氣體，而且要對施工過程中產(chǎn)生的問題進行更深一步的研究。