不同膠凝材料摻合下的回填粉土的試驗研究

孫晶晶 （安徽省特種建筑技術承包有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

河南省南陽市某回填工程，在原工程地段分布著廣闊的粉土。在回填之前需要對原狀土進行性能改良，使其具備較好的強度與變形特性。我國科研工作者分別對水泥土[1-3]、石灰土[4-6]、二灰土[7-9]做了大量的研究。但是他們大多針對不同環(huán)境下改良土的強度特性與水穩(wěn)定性進行研究，關于三種膠凝材料摻合下的粉土擊實特性與強度特性對比研究相對較少。因此本文對不同摻量的膠凝材料的改良土進行擊實試驗和三軸試驗，獲取最優(yōu)含水率與最大干密度的變化規(guī)律以及強度指標c、φ的變化規(guī)律。

1 粉土的基本物理性質

本試驗的原狀土取自河南省南陽市某回填工程。測定該粉土的顆粒級配，天然含水率，最大干密度，液塑限。其基本參數(shù)如表1所示。根據(jù)液塑限試驗以及顆粒分析結果，按照《公路土工試驗規(guī)程》[10]標準，可將土樣判定為低液限粉土。

素土樣的基本物理性質參數(shù) 表1

2 試驗方案

2.1 配制試樣

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》設計試驗方案，即土樣風干碾碎后經(jīng)過5mm圓孔篩，分別和水泥、石灰、二灰混合配制成改良土。膠凝材料分別為，42.5普通硅酸鹽水泥，CaO含量為70%的石灰水泥，粉煤灰。其中，水泥的各項性能指標見表2，粉煤灰的各項性能指標見表3。分別配制水泥摻入比（水泥體積占素土體積比）為1:9、2:8、3:7的試樣；配制石灰摻入比（石灰體積占素土體積比）為1:9、2:8、3:7的試樣；配制二灰摻入比（石灰，粉煤灰，素土體積比）為1:1:8、1:2:7、1:3:6的試樣。

硅酸鹽水泥各項力學性能指標 表2

粉煤灰各項性能指標 表3

2.2 試驗步驟

2.2.1 擊實試驗

土的擊實性是指在一定含水率下，用人工或機械的方法，土被擊實到某種密實程度的性質[11]。土的密實程度與土的含水率有關，探究改良回填粉土的力學特性，就必須研究改良回填粉土在不同膠凝材料配比下的含水率與干密度的關系。獲得不同配比的最有含水率與最大干密度。按照以下步驟進行試驗：

①選取合適的試驗方法，《土工試驗方法》[12]規(guī)定粒徑小于5mm的土，采用輕型擊實。因其含水量較高，采用濕土法。

②安置擊實筒，在筒壁上涂抹凡士林，在筒底放置蠟紙。取制備好的土樣按三層法倒入筒內(nèi)，每次倒入量約800～900g，確保其量應使擊實后的試樣等于或略高于筒高的1/3。整平表面，并稍加壓緊，然后按規(guī)定進行第一層擊實，擊實時擊錘應自由垂直落下，在此過程中確保錘跡均勻分布于土樣面。第一層擊實完畢后，將試樣層面“拉毛”然后裝入套筒，重復上述方法進行其余各層土的擊實。

③用修土刀沿套筒內(nèi)壁削刮，使試樣與套筒分離，修正試樣，稱量精確至1g。

④用推土器推出筒內(nèi)試樣，從試樣中心處取樣測其含水率，計算精確至0.1%。

⑤對濕土法，將試樣搓散，進行灑水拌和，每次增加2%～3%的含水率。

2.2.2 三軸壓縮試驗

三軸試驗采用不固結不排水剪切試驗，按照以下步驟進行試驗：

①將試樣按照《土工試驗方法標準》制成高度與直徑比為2～2.5的圓柱形，將制備好的圓柱形土樣安放在壓力室中，并用橡皮膜封裹避免壓力室中的水進入試樣；

②壓力室充滿水，先對試樣周圍施加周圍壓力σc=200kPa。然后施加周圍壓力增量△σ3=50kPa。最后逐漸施加軸向應力增量q，直至試樣剪破；

③記錄軸向應力增量q施加過程中的軸向變形量△h，繪制軸向應力增量q與軸向應變ε的關系曲線；

④重復步驟③，通過改變周圍應力增量△σ3的值，得到若干破壞應力圓，繪制破壞應力圓的公切線獲得強度指標c，φ的值。

3 試驗結果分析

3.1 擊實試驗結果

素土，不同配比的水泥土，石灰土，二灰土含水率與干密度之間的關系如圖1所示。

圖1 水泥土擊實試驗曲線

由圖1可以看出：在粉土中摻加水泥可以增加土的最大干密度，提高回填粉土的穩(wěn)定性。一方面認為水泥的容重大于粉土的容重，物理摻加的過程會增大土的密實度，另一方面在摻加水泥后會發(fā)生一系列化學反應，水泥硬化也會增加粉土的密實度。摻加少量的水泥最大干密度提高不明顯，隨著摻入量的增加，水泥改良粉土的最大干密度增加迅速，同時最優(yōu)含水率也不斷提升。

由圖2可以看出：隨著石灰的摻加，粉土的干密度均有所降低，最優(yōu)含水率不斷增加。在石灰含量較低時，摻加石灰會極大降低粉土的最大干密度，含量較多時，繼續(xù)摻加石灰對其最大干密度的降低影響效果不明顯。

圖2 石灰土擊實試驗曲線

由圖3可以看出：粉煤灰取代一部分石灰摻加到粉土中，粉煤灰的摻量對粉土的擊實特性影響較大。隨著粉煤灰含量增多，粉土的最大干密度降低，最優(yōu)含水量增加，在粉煤灰含量較低時，摻加粉煤灰會極大降低粉土的最大干密度，粉煤灰含量較多時，繼續(xù)摻加粉煤灰對最大干密度的降低影響效果不明顯。

圖3 二灰土擊實試驗曲線

3.2 三軸試驗結果分析

在改良土中膠凝材料的摻合比影響其強度特性，基于擊實試驗結果，試樣含水量控制在最優(yōu)含水率，在密閉的空間下經(jīng)28天養(yǎng)護后進行三軸不固結不排水試驗，根據(jù)試驗結果，求得不同配比的改良粉土的強度指標c，φ如圖4圖5所示。

從圖4中可以看出所有膠凝材料的摻加均能提高粉土的粘聚力，但是水泥對粉土的改性效果最佳，二灰改性效果次之，石灰改性效果最差。三種膠凝材料對粉土改性效果不同是因為它們的改性原理有所差異，水泥改性的機理是水泥與粉土中水結合發(fā)生水化反應生成膠凝物質，隨著齡期增加，膠凝物質也會越來越多。一方面膠凝材料與粉土顆粒結合，促進顆粒之間聯(lián)結形成堅實的骨架結構，另一方面微小的膠凝體填充粉土顆粒間的孔隙，提高了粉土的密實度。這些原因導致水泥改性粉土的強度得到極大提高。石灰改性粉土的機理主要有陽離子交換作用，結晶作用，碳酸化作用等。由于粉土中黏粒含量較少，陽離子交換的作用較弱，石灰主要通過Ca（OH）2的碳酸化作用與自行結晶作用實現(xiàn)對粉土強度的增加。石灰與粉煤灰混合后形成致密的結構，具有一定的初始強度和整體性。粉煤灰中的SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分與石灰的Ca（OH）2經(jīng)過化學反應產(chǎn)生一系列不溶于水的化合物，隨著齡期化合物不斷增多，這種水化物填充孔隙，提高改性粉土的強度。

隨著水泥含量增加，改良粉土的內(nèi)摩擦角明顯增加。而隨著石灰與粉煤灰的含量增加，改良粉土的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增加后降低（降低幅度較小）的現(xiàn)象，本文認為是水泥的水化產(chǎn)物增加了粉土顆粒聯(lián)結與咬合，增大了內(nèi)摩擦角。而石灰與二灰在粉土中反應結晶，在結晶體含量不多時，可以有效地填充粉土顆粒間的孔隙，限制了土顆粒的錯動滑移，增加內(nèi)摩擦角；當添加膠凝材料較多時，生成了過多的結晶體削弱了粉土顆粒的摩擦與咬合，降低了內(nèi)摩擦角，然而結晶體對粉土顆粒的摩擦與咬合的削弱能力不高，因此內(nèi)摩擦角降低幅度很小。

4 結論

①水泥、石灰、石灰+粉煤灰三種方式摻加到粉土中均能增加粉土的最優(yōu)含水率。

②粉土的最大干密度著水泥含量增多而增大，隨著石灰、石灰+粉煤灰等膠凝材料含量增多而減小。

③水泥、石灰、石灰+粉煤灰均能提高粉土的粘聚力，但效果有所差異。水泥的改善性能最好，石灰+粉煤灰次之，石灰最差。摻加水泥能增大粉土的內(nèi)摩擦角，摻加石灰以及石灰+粉煤灰，粉土的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增大后減小（減小幅度很小）的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象與膠凝材料生成的水化產(chǎn)物有密切關系。